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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Καρακώστα Μάριου Αριθμός Μητρώου: 6527 Θέμα Μελέτη τεχνικών παραμέτρων για την ολοκλήρωση των διαδικασιών του στρατηγικού κυψελοειδούς σχεδιασμού ασύρματων δικτύων κινητών επικοινωνιών. Επιβλέπων Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:

2 Πάτρα, Ιανουάριος 2013 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Μελέτη τεχνικών παραμέτρων για την ολοκλήρωση των διαδικασιών του στρατηγικού κυψελοειδούς σχεδιασμού ασύρματων δικτύων κινητών επικοινωνιών. Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Καρακώστα Μάριου του Ιωάννη Αριθμός Μητρώου: 6527 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Νικόλαος Φακωτάκης 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: Μελέτη τεχνικών παραμέτρων για την ολοκλήρωση των διαδικασιών του στρατηγικού κυψελοειδούς σχεδιασμού ασύρματων δικτύων κινητών επικοινωνιών. Φοιτητής: Καρακώστας Μάριος του Ιωάννη Επιβλέπων: Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος Περίληψη Η κινητή τηλεφωνία αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα αντικείμενα μελέτης των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Η εξέλιξή της ξεκίνησε από το 1800 με την ανακάλυψη της ασύρματης διάδοσης και συνεχίστηκε με ραγδαίο ρυθμό μέχρι σήμερα με την λειτουργία των κινητών δικτύων τέταρτης γενιάς (LTE). Πλέον βρισκόμαστε σε μία εποχή όπου χάρη στην εξαιρετική πρόοδο των κινητών επικοινωνιών μπορούμε να μιλάμε για την επίτευξη υψηλών ρυθμών μετάδοσης, αδιάλειπτη παροχή επικοινωνιών ανεξαρτήτου απόστασης και υποστήριξη πληθώρας πολυμεσικών εφαρμογών και υπηρεσιών. Είναι αδιαμφισβήτητο το γεγονός οτι η κινητή τηλεφωνία διαδραματίζει πρωταγωνιστικό ρόλο σε διάφορες πτυχές της καθημερινής μας ζωή και αποτελεί αναπόσπαστο στοιχείο της δομής της κοινωνίας μας. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των τεχνικών παραμέτρων για την υλοποίηση της διαδικασίας της κυτταρικής σχεδίασης στην γεωγραφική περιοχή της Πάτρας. Συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται η μεθοδολογία του σχεδιασμού ενός κυτταρικού δικτύου κινητών επικοινωνιών (cell planning). Παρουσιάζονται τα εξελικτικά στάδια του κυτταρικού σχεδιασμού και οι εμπλεκόμενες παράμετροι. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία των κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών. Αρχικά γίνεται μία αναδρομή στην 3

4 ιστορική εξέλιξη των κινητών δικτύων ξεκινώντας από την συμβατική κινητή τηλεφωνία και φτάνοντας μέχρι τα δίκτυα τέταρτης γενιάς. Στη συνέχεια αναλύονται οι θεμελιώδεις έννοιες της κυτταρικής κάλυψης και της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. Τέλος γίνεται αναφορά στις μεθόδους διαχείρισης των πόρων, στα είδη των παρεμβολών των κινητών δικτύων καθώς και στις διαδικασίες της μεταγωγής και της μαθηματικής μοντελοποίησης των κινητών δικτύων. Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιούμε τον κυτταρικό σχεδιασμό του δικτύου κινητών επικοινωνιών στην γεωγραφική περιοχή της Πάτρας. Εφαρμόζοντας τα βήματα που περιγράφονται από τη μεθοδολογία της κυτταρικής σχεδίασης δημιουργούμε ένα πλάνο κυττάρων για την γεωγραφική κάλυψη της Πάτρας και υλοποιούμε τον σχεδιασμό των συχνοτήτων χρησιμοποιώντας την τεχνική της στατικής καταχώρησης των συχνοτήτων (FCA) και αξιολογώντας τη διαχείριση των πόρων μέσα από τον υπολογισμό του λόγου C/I. Τέλος υλοποιούμε την ιεραρχική δομή του δικτύου. Στο τέταρτο κεφάλαιο ακολουθούμε μία διαφορετική προσέγγιση στη διαχείριση των διαθέσιμων πόρων, η οποία βασίζεται στον διαχωρισμό του διαθέσιμου φάσματος σε ζώνες συχνοτήτων (FCA_36/20/4). Με βάση το συγκεκριμένο σενάριο σχεδίασης επανασχεδιάζουμε το κινητό δίκτυο της Πάτρας δημιουργώντας το αντίστοιχο πλάνο κυττάρων και την συνολική δομή του κυτταρικού συστήματος. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μία σύγκριση μεταξύ των δύο σεναρίων σχεδιασμού του τρίτου και τέταρτου κεφαλαίου. Η σύγκριση εστιάζεται στις διαφορές που εντοπίζονται ως προς την κυτταρική κάλυψη, την διαχείριση των πόρων και την προστασία του δικτύου από τις παρεμβολές με βάση τις διαφορετικές πολιτικές σχεδίασης που ακολουθήθηκαν. Στο έκτο κεφάλαιο καταγράφονται τα γενικά συμπεράσματα που προκύπτουν από τη διαδικασία της κυτταρικής σχεδίασης και κατά την πορεία της συγγραφής της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 4

5 ABSTRACT One of the most significant current discussions in technological philosophy is the development of mobile phone networks since it is an increasingly important area in the study of modern telecommunication networks. The rapid development started in 1800 with the discovery of wireless propagation and continued rapidly until today with the operation of the fourth generation mobile networks (LTE). In recent years, we could argue that we live in an era that owing to the extraordinary progress of mobile communications we can talk about the achievement of high transmissions rates and the continuity of communications regardless of distance by providing a plethora of multimedia applications and services. There is no doubt that mobile communication plays a leading and principal role in various aspects of our lives since they are an integral part of the structure of our society. The aim of this study is to examine the technical parameters for the implementation of the process of cellular design in the geographical area of Patras. The study has been organized in the following way. More specifically, the first chapter describes the methodology of the design of a cellular mobile communication network (Cell planning) by presenting the evolutionary stages of the cell design and the parameters involved. The second chapter analyzes the principles underlying the operation of cellular mobile networks. Firstly, there is a flash back to the historical evolution of mobile networks starting from the conventional mobile communication and rising to fourth generation networks. Then, there is an analysis of the fundamental concepts of cell coverage and the reuse of frequencies. Finally, there is a reference to methods of resource management, types of interference in mobile networks as well as to the handover processes and the mathematical modeling of mobile networks. In the third chapter, we perform the cell design of mobile communication network in the geographic region of Patras. By applying the steps of the methodology of cell planning, we create a cell plan for the geographical coverage of Patras, implement the planning of frequencies by using the technique of static registration of frequencies (FCA) and we evaluate the management of resources by calculating the ratio C / I. Finally, we perform the hierarchical structure of the network. In the fourth chapter, we follow a different approach to the management of available resources, which is based on the separation of the available spectrum bands (FCA 36/20/4). Based on this design scenario we redesign the mobile network of Patras by creating the corresponding cell plan and the overall structure of the cellular system. 5

6 In the fifth chapter, there is a comparison between the two scenarios planning of the third and fourth chapter. The comparison is focused on the differences found in the cell coverage, the management of resources and the protection of the network from interference based on the different design policies that were followed. In the sixth chapter, we record general conclusions that arising from the process of cell design as well as during the writing of the present study. 6

7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Πρωτίστως θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την οικογένειά μου για την οικονομική και ηθική υποστήριξη που μου προσέφερε σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου και καθ όλη την πορεία μέχρι το πέρας της διπλωματικής μου εργασίας. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον Καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστήμιου Πατρών κ. Σταύρο Κωτσόπουλο για την ευκαιρία που μου έδωσε να εκπονήσω την παρούσα διπλωματική εργασία, για την αμέριστη βοήθεια που μου παρείχε μέχρι το στάδιο της ολοκλήρωσής της και για τις γνώσεις που αποκόμισα από τη διδασκαλία των μαθημάτων του κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Τέλος θα ήθελα να απευθύνω ευχαριστίες στην ξαδέρφη μου Μαρία Φλέγγα για την πολύτιμη βοήθειά της στη χρήση του λογισμικού πακέτου σχεδίασης Autocad για την εξαγωγή αρκετών σχημάτων της παρούσας εργασίας. Ιανουάριος,

8 8

9 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη...3 Abstract...5 Ευχαριστίες 7 Κεφάλαιο 1: Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Εισαγωγή Διαδικασία κυτταρικής σχεδίασης Εκτίμηση της κάλυψης και της χωρητικότητας του δικτύου Εκτίμηση της κάλυψης Εκτίμηση της χωρητικότητας Εκτίμησης της τηλεπικοινωνιακής κίνησης Σχεδιασμός συχνοτήτων Διαστασιολόγηση του δικτύου Διαστασιολόγηση ως προς την κάλυψη Διαστασιολόγηση ως προς τη χωρητικότητα Site Survey Έλεγχος λειτουργικότητας του κυττάρου Υλοποίηση του σταθμού βάσης Έλεγχος λειτουργίας και ρύθμιση του δικτύου Συμπεράσματα...50 Κεφάλαιο 2: Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή της κινητής τηλεφωνίας Συμβατική κινητή τηλεφωνία Κυτταρική κινητή τηλεφωνία Η πρώτη γενιά κινητών δικτύων (1G) Η δεύτερη γενιά κινητών δικτύων (2G) Η δυόμιση γενιά κινητών δικτύων (2.5G) Η τρίτη γενιά κινητών δικτύων (3G) Η τρισύμιση γενιά κινητών δικτύων (3.5G) Η τέταρτη γενιά κινητών δικτύων (4G) Στόχοι των κυτταρικών δικτύων Θεμελιώδεις έννοιες κυτταρικών δικτύων Κυτταρική κάλυψη Ορισμός κυττάρου Κυτταρική δομή Τοποθέτηση κεραιών στο κύτταρο Κατηγορίες κυττάρων 64 9

10 Περιεχόμενα Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων Ορισμός υπερκυττάρου Τοποθέτηση υπερκυττάρων στην περιοχή κάλυψης Προσδιορισμός ομοκαναλικών κυττάρων και απόσταση επαναχρησιμοποίησης Τεχνικές καταχώρησης συχνοτήτων Σταθερή καταχώρηση συχνοτήτων (FCA) Δυναμική καταχώρηση συχνοτήτων (DCA) Υβριδική καταχώρηση συχνοτήτων (HCA) Θεμελιώδεις αρχές των τεχνικών καταχώρησης των συχνοτήτων Πρόσβαση στα κυτταρικά δίκτυα Τεχνική Duplexing Τεχνική φασματικής διαίρεσης (FDD) Τεχνική χρονικού διαμοιρασμού (TDD) Συστήματα κινητών επικοινωνιών Συστήματα περιορισμένης ζώνης Συστήματα ευρείας ζώνης Τεχνικές πρόσβασης Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση συχνότητας (FDMA) Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση χρόνου (TDMA) Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση κώδικα (CDMA) CDMA ευθείας ακολουθίας (DS/CDMA) CDMA με μεταπήδηση συχνότητας (FH/CDMA) Παρεμβολές στα κυτταρικά δίκτυα Ομοκαναλική παρεμβολή (Co-channel Interference) Παρεμβολή γειτονικού καναλιού (Adjacent Channel Interference) Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης (Intermodulation Interference) Μεταγωγή Κατηγορίες μεταγωγής Τηλεπικοινωνιακή κίνηση στα κυτταρικά δίκτυα Φορτίο κίνησης Συγκέντρωση καναλιών Ταξινόμηση συστημάτων Σύστημα απωλειών Σύστημα αναμονής Βελτίωση της χωρητικότητας στα κυτταρικά δίκτυα Αγορά νέου φάσματος Διάσπαση κυττάρου Δημιουργία τομέων Μεταπήδηση συχνότητας Ζωνικές μικροκυψέλες Συμπεράσματα

11 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 3: Υλοποίηση κυτταρικού σχεδιασμού δικτύου κινητών επικοινωνιών στην περιοχή της Πάτρας-Σενάριο FCA Εισαγωγή Γεωγραφική περιοχή κυτταρικού σχεδιασμού Αστική περιοχή Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του ως προς τη χωρητικότητα Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Σχεδιασμός κυττάρων Σχεδιασμός συχνοτήτων Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού Ημιαστική περιοχή Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του ως προς τη χωρητικότητα Σχεδιασμός κυττάρων Σχεδιασμός συχνοτήτων Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού Ορεινή περιοχή Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του ως προς τη χωρητικότητα Σχεδιασμός κυττάρων Σχεδιασμός συχνοτήτων Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού Περιοχή Παναχαϊκού όρους Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του ως προς τη χωρητικότητα Σχεδιασμός κυττάρων Σχεδιασμός συχνοτήτων Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού Κυτταρική κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής των Πατρών Ιεραρχική δομή του δικτύου

12 Περιεχόμενα 3.4 Συμπεράσματα Κεφάλαιο 4: Υλοποίηση κυτταρικού σχεδιασμού δικτύου κινητών επικοινωνιών στην περιοχή της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/ Εισαγωγή Τεχνική καταχώρησης FCA_36/20/ Γεωγραφική περιοχή κυτταρικού σχεδιασμού Αστική περιοχή Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του ως προς τη χωρητικότητα Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Σχεδιασμός κυττάρων Σχεδιασμός συχνοτήτων Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού Ημιαστική περιοχή Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του ως προς τη χωρητικότητα Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Σχεδιασμός κυττάρων Σχεδιασμός συχνοτήτων Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού Ορεινή περιοχή Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του ως προς τη χωρητικότητα Σχεδιασμός κυττάρων Σχεδιασμός συχνοτήτων Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού Περιοχή Παναχαϊκού όρους Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του ως προς τη χωρητικότητα Σχεδιασμός κυττάρων Σχεδιασμός συχνοτήτων Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού

13 Περιεχόμενα Κυτταρική κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής των Πατρών Ιεραρχική δομή του δικτύου Συμπεράσματα Κεφάλαιο 5: Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/ Εισαγωγή Κυτταρική κάλυψη Αστική περιοχή Ημιαστική περιοχή Ορεινή περιοχή Περιοχή Παναχαϊκού όρους Σχεδιασμός συχνοτήτων και ομοκαναλική παρεμβολή Αστική περιοχή Ημιαστική περιοχή Ορεινή περιοχή Περιοχή Παναχαϊκού όρους Συμπεράσματα Κεφάλαιο 6: Γενικά Συμπεράσματα Παράρτημα: Κώδικες προγραμματισμού Matlab..240 Βιβλιογραφία

14 Περιεχόμενα 14

15 Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού (Cell Planning) 1.1 Εισαγωγή Το πρώτο κεφάλαιο έχει ως στόχο του να φέρει σε επαφή τον αναγνώστη με τις αρχές του κυτταρικού σχεδιασμού του ραδιοδικτύου ενός συστήματος κινητών επικοινωνιών. Στις ενότητες που περιλαμβάνονται δίνεται η φιλοσοφία της κυτταρικής σχεδίασης, αναλύονται τα βήματα της διαδικασίας από το στάδιο του θεωρητικού σχεδιασμού μέχρι την τελική υλοποίηση και λειτουργία του δικτύου και παρουσιάζονται οι προβληματισμοί που απασχολούν τον σχεδιαστή καθ όλη την πορεία της σχεδίασης. 1.2 Διαδικασία κυτταρικής σχεδίασης Στα κυτταρικά δίκτυα κινητών επικοινωνιών ο συνδρομητής απολαμβάνει την δυνατότητα της μετακίνησης του εντός μίας ευρείας γεωγραφικής περιοχής και ταυτόχρονα την αδιάλειπτη παροχή υπηρεσιών που του παρέχει το δίκτυο. Η κινητικότητα είναι εφικτή χάρη στην ύπαρξη του ασύρματου μέρους του δικτύου που ονομάζεται ραδιοδίκτυο. Το ραδιοδίκτυο είναι ένα από τα σημαντικότερα επίπεδα στην ιεραρχική δομή των δικτύων κινητών επικοινωνιών καθώς μέσω αυτού επιτυγχάνεται η ασύρματη πρόσβαση των συνδρομητών στο δίκτυο. Ο σχεδιασμός επομένως του ραδιοδικτύου είναι πολύ βασικός και καθοριστικός για την συνολική λειτουργία του δικτύου. Κατά τη σχεδίαση γίνεται μία προσπάθεια για την εύρεση μίας απoδοτικής και συγχρόνως οικονομικής λύσης που θα πληρεί τα κριτήρια της κάλυψης, της χωρητικότητας και της υψηλής ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών. Πιο συγκεκριμένα η διαδικασία της κυτταρικής σχεδίασης ασχολείται με το σύνολο των ενεργειών που σχετίζονται με την σωστή και αποδοτική διαχείριση των ραδιοπόρων, με τον εξοπλισμό που θα χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση του δικτύου, την ρύθμιση των παραμέτρων του εξοπλισμού καθώς επίσης και με αποφάσεις για την επιλογή των θέσεων εγκατάστασης του ραδιοεξοπλισμού. Παρά το γεγονός ότι η κυτταρική σχεδίαση είναι μία πολύπλοκη διαδικασία που συσχετίζει μεγάλο αριθμό παραμέτρων μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ακολουθεί κάποια βασικά στάδια. Αν και μερικά από τα στάδια αυτά εξελίσσονται παράλληλα όλα τα στάδια παρουσιάζονται ξεχωριστά. Προτιμήθηκε αυτός ο τρόπος παρουσίασης για να επιτευχθεί καλύτερη κατανόηση της όλης διαδικασίας, ανάλυση των ενεργειών και προβλέψεων του κάθε βήματος και παρουσίαση των εμπλεκομένων παραμέτρων βήματα του κυτταρικού σχεδιασμού αναλύονται στις παραγράφους που ακολουθούν. 15

16 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Εκτίμηση της κάλυψης και της χωρητικότητας του δικτύου Ένα δίκτυο κινητών επικοινωνιών χαρακτηρίζεται από δύο πολύ βασικές συνιστώσες, την γεωγραφική του κάλυψη και την υψηλή χωρητικότητα. Ο σχεδιασμός αρχίζει με την ανάλυση της κάλυψης και την εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης του δικτύου παρέχοντας τις απαραίτητες πληροφορίες για την γεωγραφική περιοχή στην οποία θα αναπτυχθεί το δίκτυο και τις απαιτήσεις του ως προς τη χωρητικότητα. Το στάδιο αυτό περιλαμβάνει τα παρακάτω σημαντικά θέματα: α) Εκτίμησης της περιοχής κάλυψης β) Εκτίμηση της χωρητικότητας Εκτίμηση της κάλυψης (Coverage Prediction) Η εκτίμηση της κάλυψης αναφέρεται στην γεωγραφική περιοχή που θα πραγματοποιηθεί ο σχεδιασμός και στην ισχύ του σήματος που θα λαμβάνεται σε κάθε σημείο της περιοχής του δικτύου. Η κάλυψη εξαρτάται κατ εξοχήν από τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της περιοχής αλλά και από την ανθρώπινη παρέμβαση σε αυτήν. Ο σχεδιαστής θα πρέπει να λάβει γνώση των φυσικών και τεχνητών εμποδίων που υπάρχουν στον περιβάλλον σχεδίασης. Θα συμβουλευθεί γεωγραφικούς χάρτες όπου θα υποδεικνύουν με ευκρίνεια και πληρότητα το γεωγραφικό ανάγλυφο, την ύπαρξη λόφων, βουνών, πεδιάδων, πυκνής βλάστησης και τυχόν ιδιαιτερότητες της περιοχής. Από την άλλη πρέπει να διερευνηθεί αν η περιοχή που μελετάται χαρακτηρίζεται ως αστική, ημιαστική, αγροτική ή ανοιχτή. Οι πληροφορίες που λαμβάνονται από την παραπάνω έρευνα παίζουν καθοριστικό ρόλο στην επιλογή του ηλεκτρομαγνητικού μοντέλου διάδοσης που θα χρησιμοποιηθεί. Με το μοντέλο διάδοσης είμαστε σε θέση να προβλέψουμε θεωρητικώς τον τρόπο με τον οποίο επιδρά το εκπεμπόμενο από την κεραία ηλεκτρομαγνητικό κύμα με τον περιβάλλον διάδοσης, να καθορίσουμε το μέγεθος των απωλειών και να εκτιμήσουμε την στάθμη του σήματος λήψης για κάθε σημείο του δικτύου. Έχει πολύ μεγάλη σημασία το RF μοντέλο που θα χρησιμοποιήσουμε να χαρακτηρίζεται από ακρίβεια και αξιοπιστία ως προς τα αποτελέσματα που θα εξάγει. Στο σημείο αυτό μπορούμε να επιλέξουμε να εργαστούμε με ένα πλήθος από έτοιμα μοντέλα όπως για παράδειγμα τα Okumura-Hata, Cost231Hata, Walfish- Ikegami και πολλά ακόμη ή να προσπαθήσουμε οι ίδιοι να περιγράψουμε και να μοντελοποιήσουμε το περιβάλλον διάδοσης δημιουργώντας τα δικά μας μοντέλα. Η δημιουργία εξ ολοκλήρου ενός μοντέλου διάδοσης έχει το πλεονέκτημα της ακρίβειας και της ορθότητας των αποτελεσμάτων αφού περιγράφει και ανταποκρίνεται στο συγκεκριμένο περιβάλλον διάδοσης. Η υλοποίηση του όμως απαιτεί αρκετό χρόνο και υπολογιστικό φόρτο λόγω του ότι αφενός θα πρέπει να 16

17 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού αναλύσουμε την κυματική θεωρία διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και αφετέρου να λάβουμε τεράστιο αριθμό μετρήσεων λόγω της στοχαστικής συμπεριφοράς του ασύρματου καναλιού. Από την άλλη με την χρήση έτοιμων μοντέλων επιτυγχάνεται εξοικονόμηση χρόνου και διευκολύνεται η διαδικασία του σχεδιασμού. Ωστόσο η χρήση τους πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή. Τα μοντέλα αυτά έχουν αναπτυχθεί για συγκεκριμένα περιβάλλοντα διάδοσης (π.χ. το Okumura-Hata για την πόλη του Τόκυο) με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Για να τα χρησιμοποιήσουμε θα πρέπει να γνωρίζουμε πολύ καλά τις παραμέτρους που εμπλέκονται στους υπολογισμούς όπως επίσης και το εύρος των τιμών που μπορούν να λάβουν. Παραδείγματος χάρη το μοντέλο διάδοσης του Hata ισχύει για συχνότητα λειτουργίας από 150 έως 1500 MHz. Αν εμείς χρησιμοποιήσουμε το μοντέλο αυτό για τους υπολογισμούς μας στα 2000MHz, τιμή η οποία βρίσκεται εκτός της περιοχής τιμών για την παράμετρο της συχνότητας, τότε θα προκύψουν λανθασμένα αποτελέσματα και η σχεδίαση θα είναι εσφαλμένη. Επιπλέον γνωρίζουμε από την ασύρματη διάδοση οτι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα υπόκεινται σε διάφορους μηχανισμούς διάδοσης και αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον. Ανακλώνται σε κτίρια, σε βουνά, στο έδαφος, διαθλώνται όταν διαπερνούν μέσα από στρώματα με διαφορετικές καταστατικές παραμέτρους, περιθλώνται γύρω από αιχμηρά ή ογκώδη εμπόδια. Τα κυματικά φαινόμενα της ανάκλασης, της διάθλασης, της περίθλασης, της σκέδασης και της πολυόδευσης εισάγουν επιπλέον απώλειες στην ισχύ του σήματος λήψης πέραν των απωλειών λόγω απόστασης από τον πομπό και συχνότητας λειτουργίας. Πολλά από αυτά τα φαινόμενα δεν ενσωματώνονται στους υπολογισμούς των έτοιμων μοντέλων, όμως θα πρέπει να ληφθούν υπόψην για την εκτίμηση της κάλυψης του δικτύου. Προκειμένου να προσεγγίσουμε όσο πιο κοντά γίνεται στην πραγματική σχεδίαση και κάλυψη είναι απαραίτητη η λήψη μετρήσεων. Οι μηχανικοί σε αυτή τη φάση εγκαθιστούν μία κεραία σε διάφορα σημεία της γεωγραφικής περιοχής και εν συνεχεία πραγματοποιούν αρκετές μετρήσεις καταγράφοντας την λαμβανόμενη ισχύ. Έπειτα οι πεδιομετρήσεις εισάγονται ως δεδομένα σε κάποιο πρόγραμμα προσομοίωσης κάλυψης με σκοπό να διαπιστωθούν οι αποκλίσεις από τις αντίστοιχες τιμές που προέβλεψε το θεωρητικό μοντέλο διάδοσης. Μετά από περαιτέρω επεξεργασία των αποτελεσμάτων προκύπτουν κάποιοι διορθωτικοί συντελεστές, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για να διορθώσουν τις ατέλειες του μοντέλου και να το προσαρμόσουν όσο πιο κοντά γίνεται στις λαμβανόμενες μετρήσεις και να επιτευχθεί η όσο το δυνατόν ακριβέστερη περιοχή κάλυψης. Στα σχήματα που ακολουθούν φαίνεται η διαδικασία σύγκρισης των πειραματικών μετρήσεων με τις αντίστοιχες θεωρητικές καθώς επίσης και εικόνες από διάφορα προγράμματα για την εύρεση των κατάλληλων διορθωτικών συντελεστών. 17

18 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.1 Σύγκριση θεωρητικών αποτελεσμάτων με πραγματικές μετρήσεις Σχήμα 1.2 Propagation model editor 18

19 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.3 Propagation model editor Σχήμα 1.4 Εύρεση διορθωτικών συντελεστών 19

20 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.5 Διαδικασία προσδιορισμού της τελικής μαθηματικής έκφρασης του Path Loss. Έτσι αφού έχουμε επιλέξει το κατάλληλο μοντέλο ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης, έχουμε πραγματοποιήσει έναν σημαντικό αριθμό μετρήσεων και έχουμε εξάγει τους διορθωτικούς συντελεστές μπορούμε να υπολογίσουμε θεωρητικώς μεν αλλά με αρκετά καλή ακρίβεια την πιθανότητα σε κάθε σημείο η ισχύς του λαμβανομένου σήματος να βρίσκεται πάνω από το κατώφλι ευαισθησίας της φορητής συσκευής δηλαδή να προσδιορίσουμε τα διάφορα επίπεδα του σήματος για ολόκληρη την γεωγραφική περιοχή του ραδιοδικτύου Εκτίμηση της χωρητικότητας (Capacity Prediction) Η δεύτερη πολύ σημαντική συνιστώσα ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών είναι η χωρητικότητά του. Ως χωρητικότητα του δικτύου ορίζουμε τον αριθμό των συνδρομητών που αναμένεται να χρησιμοποιήσουν τις υποδομές και τις υπηρεσίες του συστήματος. Η σωστή εκτίμηση επομένως της χωρητικότητας συμβάλλει καθοριστικά στην κυτταρική σχεδίαση. Οι παράμετροι που σχετίζονται άμεσα με την χωρητικότητα είναι η τηλεπικοινωνιακή κίνηση και ο σχεδιασμός της διαχείρισης των πόρων του δικτύου δηλαδή ο σχεδιασμός των συχνοτήτων. 20

21 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Εκτίμηση της Τηλεπικοινωνιακής κίνησης (Traffic Prediction) Ο αριθμός των συνδρομητών που αναμένεται να προσπελάσουν το δίκτυο και το ποσοστό της χρήσης των διαθέσιμων πόρων του δικτύου ορίζουν την τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Οι παράμετροι που εμπλέκονται στην μελέτη και εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης είναι το προφίλ των συνδρομητών, η γεωγραφική κατανομή της κίνησης, ο βαθμός εξυπηρέτησης του δικτύου και η διαδικασία της συγκέντρωσης (trunking). Ο ρυθμός αύξησης των κλήσεων στο δίκτυο και η χρονική διάρκεια τους μας παρέχουν το προφίλ του συνδρομητή, δηλαδή την ποσότητα της κίνησης που παράγεται. Η μονάδα μέτρησης της κίνησης είναι το Erlang. Ένα erlang ορίζεται ως το ποσό της κίνησης που παράγεται όταν ένας συνδρομητής έχει δεσμεύσει και χρησιμοποιεί ένα κανάλι για επικοινωνία για μία ώρα. Έτσι αν ένας συνδρομητής πραγματοποιεί μία κλήση την ώρα με χρονική διάρκεια 90 δευτερολέπτων η κίνηση που παράγει είναι α=λ*h=[1/(3600sec)]*90sec=0.025erlangs. Δηλαδή ο χρήστης αυτός έχει δεσμεύσει το κανάλι επικοινωνίας για ποσοστό 2.5% της ώρας. Συνήθως ο ρυθμός άφιξης των κλήσεων υπολογίζεται για την ώρα αιχμής δηλαδή εκείνη την χρονική διάρκεια της ημέρας κατά την οποία το δίκτυο θα δεχθεί την μεγαλύτερη καταπόνηση και θα είναι πλήρως κατειλημμένο από τους συνδρομητές. Η γνώση της παραγόμενης κίνησης την ώρα αιχμής καθώς και το ποιά χρονική στιγμή λογίζεται ως ώρα αιχμής είναι πολύ βασικές πληροφορίες για την σωστή διαχείριση των πόρων και λειτουργία του συστήματος. Η εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης δεν είναι καθόλου απλή υπόθεση. Η κίνηση είναι μία παράμετρος που αλλάζει χρονικά. Μεταβάλλεται από ημέρα σε ημέρα και ανάλογα με την εποχή του έτους. Το καλοκαίρι για παράδειγμα σε μία τουριστική περιοχή αναμένεται να παρουσιαστεί αύξηση και να προκληθεί υπερφόρτωση του δικτύου. Αντίθετα το χειμώνα στο ίδιο μέρος η κίνηση θα κυμαίνεται σε χαμηλότερα επίπεδα. Αναμένουμε επίσης η γεωγραφική κατανομή του συνδρομητικού φορτίου να μην είναι σταθερή καθ όλη την έκταση του δικτύου αλλά να είναι ανομοιόμορφη. Αυτό είναι φυσιολογικό και ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα αφού η πυκνότητα των συνδρομητών δεν μπορεί να είναι η ίδια σε όλα τα σημεία του δικτύου. Εμφανίζει μεγαλύτερές τιμές στις αστικές και πυκνοκατοικημένες περιοχές (π.χ κέντρα μεγάλων πόλεων) και μικρότερες ενδεχομένως σε κάποιες αγροτικές ή αραιοκατοικημένες περιοχές. Επιπλέον θα πρέπει να επισημάνουμε τις περιοχές εκείνες του δικτύου στις οποίες αναμένεται να παρουσιαστεί αύξηση της κίνησης. Τέτοιες περιοχές μπορεί να είναι τα τουριστικά μέρη, αξιοθέατα, συγκεκριμένα σημεία στα κέντρα των πόλεων, αεροδρόμια, λιμάνια, αυτοκινητόδρομοι κ.α.. 21

22 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Για να είμαστε σε θέση να προσδιορίσουμε σωστά την κατανομή της κίνησης θα πρέπει να λάβουμε υπόψην μας στοιχεία που αφορούν τον συνολικό πληθυσμό μιας περιοχής και την κατανομή του, την χωροταξική δομή των κτιρίων και στατιστικές μελέτες σχετικά με τον ρυθμό άφιξης των κλήσεων, την χρονική τους διάρκεια, τον υποψήφιο αριθμό των συνδρομητών του υπο σχεδίαση δικτύου κ.λ.π.. Μία άλλη χαρακτηριστική παράμετρος που πρέπει να αξιολογήσουμε κατά τη διάρκεια της εκτίμησης της χωρητικότητας είναι ο βαθμός εξυπηρέτησης του δικτύου ή αλλιώς πιθανότητα απώλειας κλήσεων. Ο βαθμός εξυπηρέτησης (Grade of Service- GoS) αποτελεί ένα μέτρο της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών και εκφράζει το ποσοστό των κλήσεων που δεν μπορούν να εξυπηρετηθούν από το σύστημα και χάνονται ή μπλοκάρονται εξαιτίας της συμφόρησης και της έλλειψης των διαθέσιμων πόρων την ώρα αιχμής. Ένας βαθμός εξυπηρέτησης της τάξης του 2% συνεπάγεται οτι στις 100 κλήσεις που πραγματοποιούνται την ώρα αιχμής μόνο οι 98 κλήσεις θα βρίσκουν διαθέσιμους πόρους και θα εξυπηρετούνται ενώ οι υπόλοιπες 2 κλήσεις θα χάνονται. Το πρόβλημα επομένως το οποίο τίθεται στους σχεδιαστές είναι το εξής: με δεδομένο το φορτίο κίνησης του συστήματος (ή του κυττάρου για το οποίο θα μιλήσουμε αργότερα) και το βαθμό εξυπηρέτησης ποιός πρέπει να είναι ο αριθμός των καναλιών που θα απαιτηθούν για να εξυπηρετήσουν τις ανάγκες της επικοινωνίας και της σηματοδοσίας; Η απάντηση στο ερώτημα αυτό προέρχεται μέσα από τη διαδικασία της συγκέντρωσης (trunking). Η διαδικασία του trunking μας βοηθάει να υπολογίσουμε τον αριθμό των καναλιών κίνησης και σηματοδοσίας ο οποίος εγγυάται την διεκπεραίωση της κίνησης με το συγκεκριμένο GoS την ώρα αιχμής. Στο σημείο αυτό και με τη βοήθεια της θεωρίας τηλεπικοινωνιακής κίνησης καλούμαστε να βρούμε μία βέλτιστη λύση από την πλευρά της απόδοσης αλλά και του κόστους του δικτύου. Η εύρεση των απαιτούμενων καναλιών (ή trunks όπως συνηθίζονται να αποκαλούνται οι γραμμές από τους τηλεπικοινωνιακούς μηχανικούς) και ο προσδιορισμός του βαθμού εξυπηρέτησης(gos) δημιουργούν προβληματισμούς. Ένα δίκτυο με μηδενικό ή πάρα πολύ μικρό βαθμό εξυπηρέτησης σημαίνει οτι οποιαδήποτε χρονική στιγμή διαθέτει αρκετούς πόρους και είναι σε θέση να εξυπηρετεί τον μέγιστο αριθμό συνδρομητών χωρίς κανένα πρόβλημα. Ένα τέτοιο δίκτυο θα χαρακτηριζόταν ιδανικό και τέλειο από τους συνδρομητές αφού ανά πάσα ώρα και στιγμή θα εξυπηρετούνταν. Από την πλευρά του κόστους όμως και της απόδοσης κρίνεται αντιοικονομικό αφού εκτός της ώρας αιχμής όλον τον υπόλοιπο χρόνο θα υπολειτουργούσε επειδή η πιθανότητα να χρησιμοποιηθούν όλοι οι πόροι του δικτύου ταυτόχρονα από το σύνολο των συνδρομητών είναι αμελητέα. Από την άλλη μεριά ένα δίκτυο με εξαιρετικά μεγάλη πιθανότητα απώλειας κλήσεων θα βόλευε το πάροχο των κινητών υπηρεσιών λόγω του μικρού κόστους υλοποίησης. Ωστόσο το σύστημα αυτό θα είχε πολύ περιορισμένους διαθέσιμους πόρους και πάρα 22

23 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού πολλές χαμένες κλήσεις. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα την παροχή κακής ποιότητας υπηρεσιών, την προβληματική λειτουργία του δικτύου και βέβαια έντονη δυσαρέσκεια και σωρεία παραπόνων από την πλευρά των συνδρομητών. Στο πλαίσιο μίας ορθής εκτίμησης της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και της χωρητικότητας του δικτύου θα πρέπει να πραγματοποιήσουμε προσομοιώσεις και σενάρια μεταβάλλοντας το συνδρομητικό προφίλ, τον βαθμό εξυπηρέτησης, τον αριθμό των trunks και άλλων εμπλεκόμενων παραμέτρων προκειμένου να βρούμε μία βέλτιστη και συμβιβαστική λύση που θα οδηγήσει σε έναν αποδοτικό και οικονομικό κυτταρικό σχεδιασμό Σχεδιασμός συχνοτήτων (Frequency Planning) Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων αποτελεί σημαντικότατο στάδιο στον κυτταρικό σχεδιασμό. Ένας σωστός και μελετημένος σχεδιασμός είναι ικανός να εξασφαλίσει υψηλή χωρητικότητα και εύρυθμη λειτουργία του δικτύου. Τα κυτταρικά συστήματα κινητών επικοινωνιών παρέχουν στον συνδρομητή την δυνατότητα της ασύρματης πρόσβασης στις υπηρεσίες τους. Αυτό είναι εφικτό χάρη στη χρήση ασύρματων καναλιών επικοινωνίας και σηματοδοσίας δηλαδή τις συχνότητες που αποτελούν τους διαθέσιμους πόρους του δικτύου. Ανάλογα με την τεχνολογία που θα χρησιμοποιηθεί στο δίκτυό μας (παραδείγματος χάρη GSM, TETRA, UMTS) η αρμόδια επιτροπή καταχώρησης συχνοτήτων (Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων Ε.Ε.Τ.Τ) παραχωρεί προς πώληση και χρήση στους παρόχους κινητών επικοινωνιών ένα συγκεκριμένο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το τμήμα αυτό θα χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία του δικτύου. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνεται το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Βλέπουμε οτι ανάλογα με την εφαρμογή δεσμευόμαστε να χρησιμοποιήσουμε συγκεκριμένο τμήμα του. 23

24 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.6 Το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Με βάση το διαθέσιμο εύρος ζώνης λειτουργίας θα πρέπει να αποφασίσουμε για τον αριθμό των καναλιών που θα διατίθενται για τις ανάγκες επικοινωνίας και ελέγχου, για το εύρος ζώνης του κάθε καναλιού, την φασματική απόσταση μεταξύ των καναλιών, το εύρος ζώνης της άνω και κάτω ζεύξης, την ύπαρξη και το εύρος ζώνης των ζωνών ασφαλείας. Στην τεχνολογία του GSM 900 παραδείγματος χάρη ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών για κάθε ζεύξη είναι 124, το εύρος ζώνης της κάθε ζεύξης είναι 25MHz και το εύρος κάθε καναλιού είναι 200KHz. Οι λεπτομέρειες αυτές δείχνονται και στο σχήμα που ακολουθεί με το φασματικό περιεχόμενο του δικτύου P-GSM

25 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.7 Φασματικό περιεχόμενο P-GSM στα 900 MHz Επίσης από το φάσμα λειτουργίας που διατίθεται για την κάθε τεχνολογία ο πάροχος χρησιμοποιεί μόνο ένα αυστηρά συγκεκριμένο και ορισμένο τμήμα προκειμένου να αποφευχθεί η σπατάλη ραδιοπόρων. Επομένως με βάση το παραπάνω παράδειγμα για το δίκτυο GSM ο πάροχος θα μπορούσε να αξιοποιήσει μόνο ένα υποσύνολο από τις 124 συχνότητες(π.χ. 62) και όχι όλες. Στο δίκτυο κινητών επικοινωνιών επομένως από τη μία μεριά έχουμε τους πολυάριθμους συνδρομητές και από την άλλη τους περιορισμένους διαθέσιμους πόρους με τους οποίους καλούμαστε να ικανοποιήσουμε τις ανάγκες των χρηστών για επικοινωνία και του δικτύου για έλεγχο. Ο προβληματισμός αυτός μας παραπέμπει στην επαναχρησιμοποίηση των πόρων. Θα πρέπει λοιπόν να διερευνηθούν οι τρόποι και τα κριτήρια της επαναχρησιμοποίησης. Ωστόσο η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων συνεπάγεται την ύπαρξη παρεμβολών, οι οποίες θα επηρεάσουν αρνητικά τη λειτουργία του δικτύου και θα μειώσουν την απόδοσή του. Στόχος λοιπόν της σωστής σχεδίασης είναι η βέλτιστη διαχείριση των περιορισμένων πόρων που θα οδηγήσει σε αύξηση της χωρητικότητας και της απόδοσης. Στη βάση αυτής της λογικής ο σχεδιασμός των συχνοτήτων ασχολείται με θέματα όπως η δημιουργία πλάνων υπερκυττάρων, η αποδοτική επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων, οι μέθοδοι καταχώρησης των καναλιών, οι τεχνικές πρόσβασης και η όσο το δυνατόν μείωση των παρεμβολών. Το πρώτο θέμα που τίθεται αφορά την δημιουργία του πλάνου των υπερκυττάρων ή αλλιώς το μέγεθος του cluster όπως συνήθως αποκαλείται στην ορολογία των 25

26 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού δικτύων κινητών επικοινωνιών. Με τον όρο cluster ορίζουμε τον αριθμό Ν των κυττάρων που συγκροτούν μία ομάδα, το υπερκύτταρο. Ανάλογα με τις τιμές που λαμβάνει το Ν δημιουργούνται διάφορα μεγέθη υπερκυττάρων με τα πιο γνωστά να αποτελούνται από 7,9 και 12 κύτταρα, δηλαδή Ν=7 ή Ν=9 ή Ν=12. Το GSM για παράδειγμα έχει cluster size Ν=12. Στο σημείο αυτό τίθεται το πρώτο σημαντικό ερώτημα: Από πόσα κύτταρα θα πρέπει να αποτελείται το υπερκύτταρο που θα χρησιμοποιήσουμε; Η απάντηση εδώ κρίνεται καθοριστική για την περαιτέρω σχεδίαση και δεν είναι καθόλου προφανής αφού συνδέεται άμεσα με την εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και της χωρητικότητας. Η παράμετρος Ν είναι πολύ βασική διότι ορίζει τον παράγοντα επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων (1/Ν) και παράλληλα ρυθμίζει τη στάθμη των παρεμβολών που θα πλήξουν το δίκτυο μας. Εάν επιλέξουμε μικρή τιμή για το Ν θα οδηγηθούμε σε μεγάλη επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων που με τη σειρά του συνεπάγεται αύξηση της χωρητικότητας, γεγονός που είναι επιθυμητό. Όμως όσο πυκνότερη είναι η επαναχρησιμοποίηση τόσο μεγαλύτερη θα είναι η ισχύς των παρεμβολών που αναμένονται στο σύστημα λόγω της ύπαρξης πολλών και κοντινών συγκαναλικών κυττάρων. Από την άλλη η επιλογή ενός μεγάλου υπερκυττάρου θα οδηγήσει σε ελάττωση των παρεμβολών λόγω της περιορισμένης επαναχρησιμοποίησης (1/Ν). Σε ένα τέτοιο σενάριο όμως για να επιτευχθεί αύξηση της χωρητικότητας θα απαιτηθούν περισσότεροι πόροι κάτι το οποίο δεν είναι εφικτό και εξαιτίας του κόστους αγοράς επιπλέον συχνοτήτων αλλά και λόγω του σταθερού και περιορισμένου αριθμού των πόρων που διαθέτουμε. Θα πρέπει επομένως να βρεθεί μία συμβιβαστική λύση ανάμεσα στο μέγεθος του cluster Ν και τον παράγοντα επαναχρησιμοποίησης 1/Ν που θα ικανοποιεί ταυτοχρόνως τις ανάγκες του δικτύου σε χωρητικότητα και θα διασφαλίζει την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών. Εν συνεχεία αφού κατασταλάξουμε σε μία συγκεκριμένη δομή του υπερκυττάρου προχωράμε στην διαχείριση των συχνοτήτων. Η διαδικασία αυτή είναι υπεύθυνη για τον τρόπο κατανομής των συχνοτήτων στα κύτταρα του υπερκυττάρου. Έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι καταχώρησης και έτσι διευρύνονται τα όρια των επιλογών μας. Έχουμε την δυνατότητα να επιλέξουμε ανάμεσα σε στατικές, δυναμικές, υβριδικές και άλλες μεθόδους. Ωστόσο η επιλογή δεν θα πρέπει να είναι βεβιασμένη. Κάθε μέθοδος διαθέτει τα δικά της χαρακτηριστικά γνωρίσματα, τα θετικά και αρνητικά της στοιχεία. Πρέπει να προηγηθεί μελέτη εις βάθος και επαρκής κατανόηση όλων των μεθόδων πριν επιλέξουμε το κατάλληλο πλάνο καταχώρησης. Το πλάνο αυτό μπορεί να περιλαμβάνει τη χρήση μίας μόνο μεθόδου ή το συνδυασμό περισσοτέρων της μίας που αποσκοπεί στην αξιοποίηση των θετικών τους στοιχείων. Η ανάθεση των συχνοτήτων πρέπει να βασίζεται στις εκτιμήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί για την τηλεπικοινωνιακή κίνηση και να τηρεί τα κριτήρια που διασφαλίζουν την προστασία από τις παρεμβολές. Για παράδειγμα θα πρέπει να αποκλείσουμε το ενδεχόμενο να υπάρχουν μέσα στο ίδιο κύτταρο ή και σε γειτονικά κύτταρα κοντινές φασματικά συχνότητες εξασφαλίζοντας έτσι την ελάττωση της παρεμβολής γειτονικού καναλιού. Επίσης θα πρέπει να 26

27 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού διασφαλίσουμε ότι με την συγκεκριμένη καταχώρηση των συχνοτήτων τα κανάλια που είναι επιφορτισμένα με τη μεταφορά της σηματοδοσίας δεν θα υπόκεινται σε ισχυρές παρεμβολές ή ότι κατά την διάρκεια της ώρας αιχμής η κατανομή των πόρων δεν θα οδηγήσει σε αύξηση του GoS και σε δυσλειτουργίες του συστήματος που θα έχουν ως αποτέλεσμα την μείωση της ποιότητας των υπηρεσιών και της απόδοσής του. Στη συνέχεια στο πλαίσιο του σχεδιασμού των συχνοτήτων θα πρέπει να υπολογίσουμε τον αριθμό των υπερκυττάρων που απαιτούνται για την εξυπηρέτηση της συνολικής συνδρομητικής κίνησης και την επαρκή κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής καθώς επίσης και την διάταξη τους στο χώρο. Ο τρόπος τοποθέτησης του κάθε υπερκυττάρου δεν μπορεί και δεν πρέπει να είναι τυχαίος. Και εδώ θα πρέπει να τηρηθούν τα παρακάτω κριτήρια: α) Διασφάλιση της ελάχιστης απόστασης μεταξύ των κυττάρων που χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες προκειμένου να επιτευχθεί προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή β) Διασφάλιση οτι δεν θα υπάρχουν γειτονικά κύτταρα στα οποία θα έχουν ανατεθεί κοντινές φασματικά συχνότητες προκειμένου να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση της παρεμβολής γειτονικού καναλιού. Στα πλαίσια της διαχείρισης των συχνοτήτων περιλαμβάνεται επίσης και οι τεχνικές πρόσβασης των συνδρομητών στο δίκτυο. Πρέπει να προσδιορίσουμε ποιά από τις υπάρχουσες τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης θα αξιοποιήσουμε (π.χ. TDMA, FDMA, CDMA) καθώς επίσης και να καθοριστούν ποιά κανάλια θα χρησιμοποιούνται για επικοινωνία και ποιά θα μεταφέρουν τα δεδομένα της σηματοδοσίας. Για παράδειγμα σε ένα TDMA πλαίσιο με 8 χρονοθυρίδες το 1 ο κανάλι θα δεσμεύεται μόνο για σηματοδοσία ενώ τα υπόλοιπα 7 για εξυπηρέτηση των συνδρομητών. Ένα άλλο σημαντικό θέμα που πρέπει να λάβουμε υπόψην κατά τον σχεδιασμό είναι η προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης, η οποία απειλεί να μικρύνει ακόμα περισσότερο τον ήδη περιορισμένο αριθμό των συχνοτήτων. Είναι αναπόφευκτο οτι λόγω του εξοπλισμού που θα χρησιμοποιηθεί αλλά και της συνύπαρξης του δικτύου μας με άλλα δίκτυα θα υπάρχουν συχνότητες που θα υφίστανται προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης. Αυτές οι συχνότητες θα πρέπει να ανιχνευθούν κατά τον σχεδιασμό και να πραγματοποιηθεί έλεγχος για το αν μπορούν και με ποιά τεχνική να χρησιμοποιηθούν ή αν πρέπει να καταργηθούν από τον κατάλογο των διαθέσιμων συχνοτήτων του δικτύου. Είναι εμφανές οτι ο βέλτιστος σχεδιασμός της διαχείρισης των ραδιοπόρων αποτελεί μία πολύπλοκη και χρονοβόρα διαδικασία εμπλέκοντας στους υπολογισμούς πολλές παραμέτρους. Αξίζει να τονισθεί όμως και η πολύτιμη βοήθεια που παρέχουν τα λογισμικά πακέτα. Μέσω των εργαλείων αυτών και των αλγορίθμων που παρέχουν διευκολύνουν σε μεγάλο ποσοστό την όλη διαδικασία της σχεδίασης. Ο σχεδιαστής έχει την δυνατότητα να πειραματιστεί με διάφορα μοτίβα επαναχρησιμοποίησης και 27

28 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού για κάθε μοτίβο να εκτελεί πολλαπλές προσομοιώσεις με ξεχωριστά πλάνα καταχώρησης συχνοτήτων. Τα προγράμματα παρέχουν την δυνατότητα εξαγωγής καμπυλών που απεικονίζουν τον τρόπο και την στάθμη των παρεμβολών για κάθε σενάριο ανάθεσης συχνοτήτων, εμφανίζουν τις τιμές που λαμβάνει ο λόγος C/I και πολλά ακόμα χρήσιμα δεδομένα. Με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων ο σχεδιαστής μπορεί να καταλήξει στο βέλτιστο σχεδιασμό συχνοτήτων που θα οδηγήσει στην πιο αποδοτική αξιοποίηση των λιγοστών διαθέσιμων πόρων. Ακολουθούν εικόνες από λογισμικά προγράμματα σχεδίασης συχνοτήτων. Σχήμα 1.8 Στιγμιότυπο καταχώρησης συχνοτήτων σε υπερκύτταρο 28

29 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.9 Γραφικές παραστάσεις μέσης και χειρότερης παρεμβολής και καμπύλη κόστους Διαστασιολόγηση δικτύου (Network Dimensioning) Το επόμενο βήμα του κυτταρικού σχεδιασμού είναι η διαστασιολόγηση του δικτύου. Στο στάδιο αυτό αφού έχουμε συλλέξει και αναλύσει τις πληροφορίες που σχετίζονται με την εκτίμηση της κάλυψης και της τηλεπικοινωνιακής κίνησης προχωράμε στη γραφική απεικόνιση του δικτύου δηλαδή στη δημιουργία ενός αρχικού πλάνου κυττάρων στο χάρτη βασιζόμενοι στους θεωρητικούς υπολογισμούς που προηγήθηκαν. Η διαστασιολόγηση του δικτύου αποτελείται από δύο συνιστώσες: α) Διαστασιολόγηση ως προς την κάλυψη β) Διαστασιολόγηση ως προς την χωρητικότητα Χρήζει μεγάλης σημασίας κατά την σχεδίαση του πλάνου των κυττάρων να γνωρίζουμε την ισχύ της κάθε συνιστώσας σε κάθε υποπεριοχή της γεωγραφικής περιοχής του δικτύου. Υπάρχουν υποπεριοχές στις οποίες κυρίαρχη συνιστώσα είναι η κάλυψη (coverage driven areas)και επομένως θα πρέπει η διαστασιολόγηση να πραγματοποιηθεί με βάση αυτήν. Σε άλλες πάλι υποπεριοχές η διαστασιολόγηση διέπεται από την χωρητικότητα (capacity driven areas) ενώ ενδέχεται να υπάρχουν και κάποιες τρίτες όπου οι δύο συνιστώσες ταυτίζονται και δίνουν τα ίδια αποτελέσματα. Η παρατήρηση αυτή συνεπάγεται οτι ο σχεδιασμός δεν είναι και δεν πρέπει να αντιμετωπίζεται ως μονοδιάστατος. Πάντα και σε κάθε βήμα του θα πρέπει να κινείται και να εξελίσσεται με γνώμονα την ικανοποίηση των δύο βασικότερων 29

30 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού παραμέτρων του δικτύου: της κάλυψης και της χωρητικότητας. Στη συνέχεια ακολουθεί η ανάλυση των δύο συνιστωσών που συνθέτουν την διστασιολόγηση Διαστασιολόγηση ως προς την κάλυψη (Network Dimensioning for Coverage) Όταν σχεδιάζουμε το δίκτυο κινητών επικοινωνιών η επιδίωξη μας είναι να παρέχουμε την δυνατότητα της πλήρους κάλυψης για οποιοδήποτε γεωγραφικό ανάγλυφο. Ένας τέτοιος σχεδιασμός συνεπάγεται οτι σε οποιοδήποτε σημείο και για οποιαδήποτε χρονική στιγμή η στάθμη του λαμβανομένου σήματος είναι πάνω από τη στάθμη ευαισθησίας της φορητής συσκευής του χρήστη. Το σενάριο αυτό όμως δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα και δεν είναι εφικτό λόγω της ύπαρξης φυσικών εμποδίων (βουνά, λόφοι, πυκνή βλάστηση κ.α.), τεχνητών εμποδίων (κτίρια, γέφυρες κ.λ.π.) και συνθηκών διάδοσης (διάθλαση, περίθλαση, ανάκλαση, πολυόδευση, σκίαση κ.α.). Όλοι οι παραπάνω παράγοντες συμβάλουν καθοριστικά στην εξασθένιση του σήματος με αποτέλεσμα σε πολλές περιπτώσεις οι απώλειες να είναι τόσο αυξημένες ώστε να καθίσταται αδύνατη η παροχή υπηρεσιών επικοινωνίας σε ορισμένα σημεία. Στόχος της διαστασιολόγησης με βάση την κάλυψη είναι να προσδιορίσει τα πραγματικά όρια (όσο βέβαια αυτό είναι εφικτό μέσα από την θεωρητική σχεδίαση) του κυττάρου, δηλαδή την περιοχή που μπορεί να καλύψει ηλεκτρομαγνητικά ένας σταθμός βάσης (BTS). Στη συνέχεια θα υπολογιστεί το ποσοστό της περιοχής κάλυψης που θα παρέχει το δίκτυο. Αναμένουμε ότι το ποσοστό αυτό με βάση και τα όσα ειπώθηκαν προηγουμένως θα είναι μικρότερο από το 100%. Προ λίγου αναφερθήκαμε στην φράση τα όρια του κυττάρου ως την περιοχή την οποία μπορεί να φωτίσει με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ένας σταθμός βάσης. Με βάση αυτόν τον ορισμό θα μπορούσε να θεωρήσει κάποιος οτι τα όρια του κυττάρου ή αλλιώς της κυψέλης τα καθορίζει ο σταθμός βάσης με την ισχύ της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Αξίζει λοιπόν να τονισθεί οτι η επιφάνεια του κυττάρου καθορίζεται από τον δέκτη του συστήματος, τη φορητή συσκευή. Αυτό φαίνεται παράξενο αρχικά όμως είναι λογικό αν αναλογιστούμε οτι η φορητή συσκευή καλείται να ανιχνεύσει και να αναγνωρίσει σωστά την λαμβανόμενη πληροφορία βασιζόμενη στην εκάστοτε τεχνολογία της και τη στάθμη ευαισθησίας που διαθέτει. Κύριος σκοπός μας είναι να υπολογίσουμε με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια την πραγματική επιφάνεια του κυττάρου την κάλυψη του οποίου θα σχεδιάσουμε στη συνέχεια στο χάρτη. Για την επίτευξη αυτού του στόχου θα πραγματοποιήσουμε τον ισολογισμό ισχύος για την ασύρματη ζεύξη ή link budget. Ο αλγόριθμος υπολογισμού του ισολογισμού χρειάζεται κάποια δεδομένα εισόδου. Τα δεδομένα αυτά είναι το ηλεκτρομαγνητικό μοντέλο των απωλειών καθώς και διάφορα τεχνικά χαρακτηριστικά και παραμέτρους του εξοπλισμού. Το μοντέλο διάδοσης θα 30

31 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού χρησιμοποιηθεί πλέον για τον προσδιορισμό των απωλειών της ασύρματης ζεύξης ανάμεσα στην φορητή συσκευή και το σταθμό βάσης και έχει υπολογιστεί από το αρχικό βήμα της εκτίμησης κάλυψης. Σε αυτό το στάδιο της σχεδίασης φαίνεται η σπουδαιότητα της ακρίβειας του και η απαίτηση να ανταποκρίνεται στο συγκεκριμένο περιβάλλον διάδοσης. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του εξοπλισμού περιλαμβάνουν παραμέτρους του σταθμού βάσης και της φορητής συσκευής. Συγκεκριμένα στους υπολογισμούς του ισολογισμού ισχύος θα πρέπει να συμπεριληφθούν τα παρακάτω: 1. Το κατώφλι ευαισθησίας της φορητής συσκευής και του σταθμού βάσης. Τις πληροφορίες αυτές θα πρέπει να τις υπολογίσουμε σύμφωνα με τις προδιαγραφές που ορίζονται για τη κάθε τεχνολογία (π.χ GSM recommendations 05.05) ή για μεγαλύτερη ακρίβεια να ανατρέξουμε στα φυλλάδια των κατασκευαστών. 2. Τα κέρδη των κεραιών της φορητής συσκευής και του σταθμού βάσης. 3. Ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης και της φορητής συσκευής. Η εκπεμπόμενη ισχύς θα πρέπει να ορίζεται με βάση τα επιτρεπόμενα όρια για την κάθε τεχνολογία αλλά και τους κανονισμούς για τη διασφάλιση της υγείας των κατοίκων αφού πολλές κεραίες θα εγκατασταθούν σε ταράτσες, μπαλκόνια, τοίχους κτιρίων. 4. Απώλειες όδευσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, απώλειες λόγω του συστήματος μεταφοράς (ομοαξονικά καλώδια, κυματοδηγοί), απώλειες λόγω διαφόρων συνδέσεων. Για παράδειγμα αν γνωρίζουμε οτι θα χρησιμοποιήσουμε 20μέτρα καλώδιο για την τροφοδοσία της κεραίας με απώλειες για το συγκεκριμένο τύπο καλωδίου 10dB/100m τότε θα πρέπει να συμπεριλάβουμε στον ισολογισμό μας απώλειες καλωδίου 2dB. Αφού συλλέξουμε τις παραπάνω πληροφορίες τις εισάγουμε ως δεδομένα εισόδου στον αλγόριθμο του link budget και είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε την ισχύ λήψης σε οποιοδήποτε σημείο και το κυριότερο να καθορίσουμε τα όρια κάλυψης του κυττάρου. Έπειτα γνωρίζοντας την ακτίνα της κυψέλης μπορούμε με βάση τη συνολική έκταση της γεωγραφικής περιοχής του δικτύου να υπολογίσουμε τον απαιτούμενο συνολικό αριθμό των κυττάρων από τα οποία θα αποτελείται το σύστημά μας και τον αριθμό των σταθμών βάσης για την πλήρη κάλυψη. Ως παράδειγμα αναφέρουμε μία περιοχή με έκταση 2000km² και υπολογισμένη ακτίνα κυττάρου Rcell=2km². Ο συνολικός αριθμός των κυττάρων που απαιτούνται προκύπτει από το λόγο των εμβαδών της περιοχής και του κυττάρου δηλαδή 2000 km² /10.39 km² 193 κύτταρα Στην εικόνα που ακολουθεί δείχνεται ένα παράδειγμα ισολογισμού ισχύος με τις εμπλεκόμενες παραμέτρους και τα αποτελέσματα. 31

32 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.10 Παράδειγμα ισολογισμού ισχύος Όπως είδαμε στο βήμα της κάλυψης η περιοχή του σχεδιασμού χαρακτηρίζεται από κάποιο γεωγραφικό ανάγλυφο που δεν είναι ομοιόμορφο. Το γεγονός αυτό μας υποχρεώνει να πραγματοποιήσουμε ισοζύγιο ισχύος για κάθε τύπο περιβάλλοντος που συναντάται στο δίκτυο. Κατά τους υπολογισμούς οι απώλειες και αρκετές παράμετροι που εμπλέκονται μεταβάλλονται ανάλογα με την περιοχή την οποία μελετάμε (αστική, ημιαστική, αγροτική κ.α. ). Τα αποτελέσματα επομένως θα έχουν αντίκτυπο στα όρια των κυττάρων για κάθε περιβάλλον εισάγοντας έτσι μία ποικιλομορφία κυψελών στο δίκτυο. Παρακάτω ακολουθεί μία σχηματική παρουσίαση της διαστασιολόγησης ως προς την κάλυψη. 32

33 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.11 Διαστασιολόγηση ως προς την κάλυψη Οι υπολογισμοί του link budget θα πρέπει να υλοποιηθούν και για τις δύο ζεύξεις του δικτύου, την άνω (uplink) και την κάτω (downlink) ζεύξη. Ανάλογα με την ζεύξη στην οποία δουλεύουμε στους υπολογισμούς συγκαταλέγονται ξεχωριστές παράμετροι. Στο uplink power budget η φορητή συσκευή είναι ο πομπός και ο σταθμός βάσης είναι ο δέκτης. Οι εμπλεκόμενες παράμετροι εδώ είναι η στάθμη ευαισθησίας του σταθμού βάσης, τα κέρδη των κεραιών πομπού και δέκτη, η εκπεμπόμενη ισχύς του κινητού και οι απώλειες στην άνω ζεύξη. Στο downlink power budget ο σταθμός βάσης είναι ο πομπός και η φορητή συσκευή ο δέκτης. Εδώ πρέπει να γνωρίζουμε τη στάθμη ευαισθησίας της φορητής συσκευής, τα κέρδη των κεραιών πομπού και δέκτη, την ισχύ που εκπέμπεται από τον σταθμό βάσης και τις διάφορες απώλειες στην κάτω ζεύξη (λόγω καλωδίων, φίλτρων, συνδέσεων στην πλευρά του BTS). Πολλές φορές απαιτείται η βελτίωση των αποτελεσμάτων του ισολογισμού ισχύος. Για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε διάφορες μεθόδους ανάλογα και πάλι με την ζεύξη στην οποία εργαζόμαστε. Μερικές από αυτές είναι οι space diversity, polarization diversity, frequency hopping, η χρήση ενισχυτών χαμηλού θορύβου (LNA) για τη βελτίωση της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος από το σταθμό βάσης στην άνω ζεύξη καθώς και η χρήση κατάλληλου εξοπλισμού (power amplifiers, boosters) για την ενίσχυση της εκπεμπόμενης ισχύος από το σταθμό βάσης και την καλύτερη λήψη από την φορητή συσκευή στην κάτω ζεύξη. 33

34 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.12 Τοποθέτηση ενισχυτικών διατάξεων για ενίσχυση της εκπεμπόμενης ισχύος Η βελτίωση των αποτελεσμάτων του link budget κρίνεται απαραίτητη και αποσκοπεί στην υλοποίηση ενός ισορροπημένου συστήματος. Σε ένα ισορροπημένο σύστημα τα όρια της κάλυψης που προκύπτουν από το downlink και το uplink power budget είναι τα ίδια. Η ύπαρξη της ισορροπίας στο σύστημα συμβάλει καθοριστικά στην σωστή λειτουργία του. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η διαφορά μεταξύ ενός ισορροπημένου και μη ισορροπημένου συστήματος. Σχήμα 1.13 Σύγκριση ισορροπημένου και μη ισορροπημένου συστήματος Διαστασιολόγηση ως προς τη χωρητικότητα (Network Dimensioning for Capacity) Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τον ισολογισμό ισχύος της ασύρματης ζεύξης ικανοποιούν τις απαιτήσεις του δικτύου ως προς την κάλυψη. Όμως η συνολική διαστασιολόγηση πρέπει να βασίζεται και να ικανοποιεί ταυτόχρονα όχι μόνο την κάλυψη αλλά και την παράμετρο της χωρητικότητας. Υπάρχουν περιοχές του δικτύου στις οποίες η χωρητικότητα είναι η κυρίαρχη συνιστώσα και επομένως η σχεδίαση θα διέπεται από αυτήν. Στην περίπτωση αυτή τα όρια του κυττάρου όπως αυτά υπολογίστηκαν από το link budget μπορεί να μην επαρκούν για να καλύψουν 34

35 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού τις ανάγκες του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα. Τέτοιες περιοχές είναι συνήθως τα κέντρα των πόλεων και γενικά σημεία στα οποία αναμένεται αυξημένη συνδρομητική κίνηση. Στην διαστασιολόγηση με βάση τη χωρητικότητα λαμβάνουμε υπόψην μας παραμέτρους όπως το προφίλ των συνδρομητών της περιοχής, την εκτιμούμενη τηλεπικοινωνιακή κίνηση, τα διαθέσιμα κανάλια, το βαθμό εξυπηρέτησης κ.α.. Αξιοποιώντας τα παραπάνω δεδομένα υπολογίζουμε εκ νέου την επιφάνεια του κυττάρου και των αριθμό των συνολικών κυττάρων. Έπειτα με βάση την διαστασιολόγηση αυτή εκτιμούμε το φορτίο κίνησης που μπορεί να διεκπεραιώσει το κάθε κανάλι επικοινωνίας, ο κάθε σταθμός βάσης καθώς και το συνολικό φορτίο του δικτύου. Επιπλέον έχουμε τη δυνατότητα να υπολογίσουμε των αριθμό των πομπών και των δεκτών που χρειάζεται ο κάθε σταθμός βάσης για να εξυπηρετήσει το φορτίο κίνησής του. Παρακάτω ακολουθεί μία σχηματική παρουσίαση της διαστασιολόγησης με βάση τη χωρητικότητα. Σχήμα 1.14 Διαστασιολόγηση ως προς τη χωρητικότητα Και σε αυτή την περίπτωση όμως θα πρέπει τα αποτελέσματα της διαστασιολόγησης με βάση την χωρητικότητα να είναι συνεπή και ως προς την κάλυψη. Για παράδειγμα ενδέχεται με βάση τους υπολογισμούς να προκύψει έκταση κυττάρου για την κάλυψη της οποίας να απαιτείται μεγάλη εκπεμπόμενη ισχύς. Το αποτέλεσμα αυτό υποδεικνύει οτι πρέπει να γίνει επανασχεδιασμός και επαναπροσδιορισμός της ακτίνας της κυψέλης καθώς η εκπεμπόμενη ισχύς θα πρέπει να λαμβάνει τιμή εντός των επιτρεπτών ορίων και για λόγους διασφάλισης της υγείας της ανθρώπινης υγείας αλλά και για την αποφυγή προβλημάτων παρεμβολής σε γειτονικά κύτταρα. Το τελευταίο στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου είναι η γραφική απεικόνιση του πλάνου των κυττάρων, δηλαδή η σχεδίαση τους πάνω στο χάρτη. Λόγω της 35

36 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού κατανομής της κάλυψης και της χωρητικότητας αναμένουμε ανομοιομορφία στην έκταση των κυττάρων. Ανάλογα με την περιοχή του δικτύου θα έχουμε και διαφορετική ακτίνα. Τα κύτταρα που θα σχεδιάσουμε στο χάρτη θα έχουν τη δομή εξαγώνου. Παρότι γνωρίζουμε οτι αυτή η αναπαράσταση δεν υφίσταται στην πραγματικότητα αφού λόγω του περιβάλλοντος και των συνθηκών διάδοσης η δομή του κυττάρου είναι άμορφη και απροσδιόριστη προτιμούμε το συγκεκριμένο γεωμετρικό σχήμα για λόγους απλοποίησης του σχεδίου και επειδή η περιοχή του δικτύου καλύπτεται επαρκώς χωρίς επικαλύψεις. Με βάση αυτό το πρώτο σχέδιο μπορούμε να κάνουμε μία εκτίμηση για τον αριθμό των κυττάρων, τον αριθμό των σταθμών βάσης, τις υποψήφιες θέσεις τοποθέτησής τους, τον αριθμό των πομποδεκτών, τον αριθμό των ελεγκτών των σταθμών βάσης(bscs) και άλλες ακόμα χρήσιμες και εποπτικές λεπτομέρειες. Σχήμα 1.15 Γραφική αναπαράσταση του πλάνου κυττάρων στο χάρτη Πρέπει να κατανοήσουμε οτι πίσω από αυτό το αρχικό και θεωρητικό σχέδιο έχει πραγματοποιηθεί αρκετή μελέτη και δουλειά. Το σχέδιο αυτό στη συνέχεια θα αξιοποιηθεί για την περαιτέρω πορεία της κυτταρικής σχεδίασης και της υλοποίησης του δικτύου. Βέβαια στην συνέχεια θα πρέπει να πραγματοποιηθούν και μετρήσεις προκειμένου να διαπιστωθεί το ποσοστό επιτυχίας της θεωρητικής σχεδίασης. 36

37 Κεφάλαιο 1 ο Site Survey Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Το επόμενο στάδιο στην κυτταρική σχεδίαση μετά τη διαστασιολόγηση είναι το Site Survey. Το βήμα αυτό περιλαμβάνει την αναζήτηση της κατάλληλης τοποθεσίας στην οποία θα εγκατασταθεί ο σταθμός βάσης. Ο όρος κατάλληλη τοποθεσία σχετίζεται με μία απαιτητική μελέτη του γεωγραφικού αναγλύφου της περιοχής του δικτύου και συνεπάγεται την επιλογή των σημείων εκείνων που θα πληρούν τα κριτήρια για την εξασφάλιση επαρκούς κάλυψης, υψηλής ποιότητας παρεχομένων υπηρεσιών, ελαχιστοποίηση των παρεμβολών και γενικότερα αξιόπιστης και εύρυθμης λειτουργία του δικτύου. Η διαδικασία του Site Survey αρχίζει με την δημιουργία ενός αρχικού πλάνου που θα υποδεικνύει ποιές θέσεις είναι υποψήφιες για την εγκατάσταση των σταθμών βάσης. Το πλάνο αυτό θα συνοδεύεται από χρήσιμες πληροφορίες όπως διευθύνσεις, χάρτες, δεδομένα για την περιοχή εγκατάστασης κ.λ.π.. Στη συνέχεια κρίνεται απαραίτητη η επίσκεψη στις τοποθεσίες εγκατάστασης προκειμένου να πραγματοποιηθεί εποπτεία και συλλογή πολύτιμων πληροφοριών που δεν μπορούν να προκύψουν από μελέτες χαρτών. Κατά τη διάρκεια της επίσκεψης θα πραγματοποιηθεί αξιολόγηση του περιβάλλοντος διάδοσης και εκτίμηση των συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή. Θα καταγραφεί η ύπαρξη φυσικών και τεχνητών εμποδίων (λόφοι, βουνά, ψηλά κτίρια κ.α.) και θα εκτιμηθεί η επίδρασή τους στη διάδοση του σήματος και κατ επέκταση στην κάλυψη. Στην σχεδίαση των ραδιοζεύξεων είναι πολύ βασικό να διασφαλίσουμε την καθαρότητα της 1 ης ζώνης Fresnel από εμπόδια που θα επιφέρουν σοβαρότατες απώλειες στην ισχύ του λαμβανομένου σήματος. Ωστόσο σε πολλές περιοχές δεν είναι εφικτή η τήρηση του συγκεκριμένου κριτηρίου. Σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει κατά τον σχεδιασμό στους υπολογισμούς μας να συμπεριλάβουμε και κάποια περιθώρια για την ανοχή πιθανών κοντινών εμποδίων. Μία τέτοια περίπτωση συναντάμε σε μία πυκνοκατοικημένη πόλη με υψηλό συντελεστή δόμησης. Εκεί είναι αδύνατον να υπάρξει ζεύξη οπτικής επαφής ανάμεσα στην κεραία και την φορητή συσκευή καθ όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας. Επίσης θα πρέπει να εντοπίσουμε τις περιοχές εκείνες οι οποίες στερούνται επαρκούς κάλυψης. Οφείλουμε να ελέγξουμε αν αναμένεται σε αυτές να παρατηρηθεί αυξημένη κίνηση καθώς και τρόπους επίλυσης του προβλήματος της ραδιοδιάδοσης. Στην επιλογή των περιοχών εγκατάστασης αποφεύγονται περιοχές που περικλείονται από ψηλά κτίρια ή βουνά διότι εξαιτίας της διαμόρφωσης του περιβάλλοντος θα καθίσταται προβληματική η λήψη ικανοποιητικού σήματος και κατ επέκταση η επικοινωνία. Εν συνεχεία ανάλογα με την τοποθεσία θα πρέπει να διερευνήσουμε αν ο σταθμός βάσης θα είναι εξωτερικός ή εσωτερικός. Σε ένα εξωτερικό σταθμό βάσης (outdoor BTS) ο οικίσκος του BTS τοποθετείται μαζί με το κεραιοσύστημα (πυλώνας στήριξης, κεραία). Υπάρχουν όμως περιπτώσεις στις οποίες το κεραιοσύστημα και ο οικίσκος είναι διακριτά. Για παράδειγμα σε μία πόλη όπου οι κεραίες εγκαθίστανται 37

38 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού στις οροφές ή στα μπαλκόνια ή στους τοίχους των κτιρίων η καμπίνα του σταθμού βάσης τοποθετείται χωριστά. Με βάση αν ο σταθμός βάσης θα είναι outdoor ή indoor θα πρέπει να εξασφαλίσουμε τον κατάλληλο χώρο που θα πληρεί συγκεκριμένες προδιαγραφές για την σωστή λειτουργία του σταθμού όπως τροφοδοσία AC, επαρκής έκταση για την εγκατάσταση της κεραίας, ύπαρξη μπαταριών σε περίπτωση διακοπής της ηλεκτρικής τροφοδοσίας, προστασία από τις καιρικές συνθήκες κ.α.. Το επόμενο θέμα προς διευθέτηση αφορά την επιλογή και τοποθέτηση της κεραίας και είναι καθοριστικό για την μετέπειτα λειτουργία του δικτύου. Υπάρχουν πολλοί διαθέσιμοι τύποι κεραιών. Η επιλογή μας πρέπει να κινηθεί με γνώμονα την ικανοποίηση των απαιτήσεων του δικτύου μας. Προτού επιλέξουμε θα πρέπει να συμβουλευτούμε τα φυλλάδια των κατασκευαστών που θα μας κατατοπίσουν για τις παραμέτρους της κάθε κεραίας όπως το κέρδος της, την κατευθυντικότητά της, το εύρος ζώνης, την τροφοδοσία, τα οριζόντια και κάθετα διαγράμματα ακτινοβολίας, την κλίση της κ.λ.π.. Μελετώντας τα φυλλάδια και έχοντας υπόψην τις απαιτήσεις της κάλυψης του συστήματος μας διευκολύνεται η επιλογή του κατάλληλου τύπου. Έχοντας επιλέξει τον τύπο της κεραίας θα πρέπει να μελετήσουμε την τοποθέτησή της, ένα θέμα το οποίο χρήζει ιδιαίτερης προσοχής αφού θα επηρεάσει την κάλυψη, την χωρητικότητα και την ποιότητα εξυπηρέτησης. Κατά την τοποθέτηση της κεραίας θα πρέπει να ελέγξουμε τρεις βασικές παραμέτρους: την κλίση, το ύψος και την εκπεμπόμενη ισχύ. Η κλίση της κεραίας (ηλεκτρική και μηχανική) είναι μία παράμετρος σημαντικότατη κατά το σχεδιασμό και επηρεάζει την εμβέλεια της κάλυψης. Ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες της κάθε περιοχής (αναμενόμενη κίνηση, γεωγραφικό ανάγλυφο, χωρητικότητα) και την στρατηγική κάλυψης που ακολουθούμε εξετάζουμε το ενδεχόμενο της αύξησης ή της μείωσης ή της διατήρησης μηδενικής κλίσης. Η δεύτερη βασική παράμετρος προς εξέταση που σχετίζεται με την τοποθέτηση είναι το ύψος της κεραίας. Το ύψος της θα πρέπει να συμφωνεί με τους υπολογισμούς που έχουμε πραγματοποιήσει. Εάν τοποθετήσουμε την κεραία σε ύψος μεγαλύτερο από το υπολογισμένο τότε θα δημιουργήσουμε προβλήματα παρεμβολών σε γειτονικά κύτταρα. Από την άλλη αν τοποθετηθεί σε μικρότερο από το επιθυμητό θα πρέπει να ελέγξουμε για την ύπαρξη εμποδίων τα οποία ενδέχεται να παρεμβάλλονται στην πρώτη ζώνη Fresnel προκαλώντας σοβαρές απώλειες ισχύος, ανεπαρκή κάλυψη και προβληματική επικοινωνία. Βασικό ρόλο διαδραματίζει και η εκπεμπόμενη ισχύς της κεραίας. Όπως έχουμε αναφέρει το περιβάλλον και οι συνθήκες διάδοσης προκαλούν απώλειες στη στάθμη του σήματος. Η ισχύς εκπομπής θα πρέπει επομένως να εξασφαλίζει την ποιότητα επικοινωνίας μέχρι τα όρια του κυττάρου. Η τιμή της πρέπει να κυμαίνεται μέσα στα επιτρεπτά όρια για την προστασία της ανθρώπινης υγείας και την αποφυγή της δημιουργίας παρεμβολών. 38

39 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Για παράδειγμα σε μία πυκνοκατοικημένη περιοχή λόγω της αυξημένης χωρητικότητας και του μικρού μεγέθους των κυττάρων θα πρέπει να υπολογίσουμε κάποια περιθώρια για την ύπαρξη εμποδίων στην ζεύξη οπτικής επαφής που θα καθορίσουν το ύψος της κεραίας, ενδέχεται να δώσουμε μικρή κλίση προς τα κάτω και η εκπεμπόμενη ισχύς θα κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα για αποφυγή παρεμβολών. Από την άλλη σε μία ορεινή ή αγροτική περιοχή που δεν αναμένεται μεγάλη συνδρομητική κίνηση και χωρητικότητα μπορούμε να διατηρήσουμε μηδενική κλίση στην κεραία μας και να εκπέμψουμε με λίγο μεγαλύτερη ισχύ (πάντα εντός των επιτρεπτών ορίων βέβαια) προκειμένου να καλύψουμε γρήγορα και φθηνά την περιοχή. Στη συνέχεια επιλέγουμε τον υπόλοιπο εξοπλισμό που απαιτείται για τον σταθμό βάσης όπως φίλτρα, combiners, deplexers, ενισχυτές χαμηλού θορύβου(lnas), ενισχυτές ισχύος (boosters, power amplifiers), πομποδέκτες (ανάλογα με την χωρητικότητα του κάθε σταθμού βάσης), ομοαξονικά καλώδια, κυματοδηγούς, εφεδρικές μπαταρίες κ.α.. Παράλληλα πρέπει να μελετήσουμε τον τρόπο διασύνδεσης ανάμεσα στο σταθμό βάσης και τον ελεγκτή του σταθμού (BSC). Με βάση την περιοχή όπου θα τοποθετηθεί ο σταθμός βάσης και τη δυνατότητα ύπαρξης οπτικής ζεύξης με το BSC υπάρχει η επιλογή της ασύρματης ή της ενσύρματης διασύνδεσης. Εάν δεν υπάρχει αξιόπιστο ενσύρματο δίκτυο μετάδοσης θα προτιμηθεί η ασύρματη ζεύξη. Οι ασύρματες ζεύξεις λειτουργούν στην συχνότητα των 5GHz και επιτυγχάνουν ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των 2Mbps. Στην περίπτωση όπου ο σταθμός βάσης βρίσκεται σε πολύ μεγάλη απόσταση από το BSC (π.χ σε ένα βουνό) η διασύνδεση μεταξύ τους μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω άλλων σταθμών βάσης-κόμβων. Οι σταθμοί βάσης-κόμβοι θα πρέπει να εφοδιαστούν βέβαια με τον κατάλληλο εξοπλισμό (hardware) και λογισμικό (software). Η διαδικασία της εύρεσης της κατάλληλης τοποθεσίας για την εγκατάσταση του σταθμού βάσης είναι αρκετά δύσκολη και χρονοβόρα. Κατά τη διάρκεια της διεξαγωγής της απαιτείται η συνεργασία διαφόρων φορέων για να εγκριθούν οι άδειες που θα επιτρέπουν την εγκατάσταση του σταθμού βάσης και του κεραιοσυστήματος στην συγκεκριμένη τοποθεσία. Είναι σημαντικό κατά τη σχεδίαση του δικτύου να λάβουμε υπόψην και την αναπόφευκτη εξέλιξή του. Αυτό συνεπάγεται οτι στο στάδιο της επιλογής του εξοπλισμού και των θέσεων εγκατάστασης θα πρέπει να πραγματοποιήσουμε και μία μελέτη και εκτίμηση για την μελλοντική πορεία ανάπτυξης του συστήματος υπολογίζοντας κάποια περιθώρια και δημιουργώντας κάποια σενάρια επέκτασης. Για παράδειγμα είναι καλό να προνοήσουμε για την ύπαρξη επιπλέον θέσεων κεραιών στους πυλώνες σε περίπτωση αύξησης της χωρητικότητας του κυττάρου ή να υπάρχουν κάποιες εναλλακτικές θέσεις τοποθέτησης του σταθμού βάσης. 39

40 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Ολοκληρώνοντας το βήμα αυτό θα πρέπει να συντάξουμε μία λεπτομερή αναφορά. Η αναφορά αυτή θα περιέχει πληροφορίες σχετικά με τις προτεινόμενες θέσεις εγκατάστασης των σταθμών βάσης, γεωγραφικούς χάρτες, διευθύνσεις περιοχών, τεχνικά χαρακτηριστικά του εξοπλισμού, τύπους κεραιών, ύψη, κλίσεις, ισχείς εκπομπής κεραιών κ.λ.π Έλεγχος λειτουργικότητας του κυττάρου Η πορεία του κυτταρικού σχεδιασμού συνεχίζεται με το στάδιο του ελέγχου της λειτουργικότητας του κυττάρου. Το στάδιο αυτό είναι ένα από τα βασικότερα της όλης διαδικασίας της σχεδίασης καθότι δίνει μία εικόνα για την διαστασιολόγηση του κυττάρου ως προς την κάλυψη και την χωρητικότητα που προσεγγίζει ικανοποιητικά την πραγματικότητα και αποτελεί το τελευταίο βήμα πριν την υλοποίηση του δικτύου. Εδώ θα πραγματοποιήσουμε μελέτη της κάλυψης του κυττάρου η οποία θα βασίζεται σε προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας λογισμικά εργαλεία σχεδίασης. Μέχρι τώρα οι προβλέψεις που αφορούσαν την κάλυψη, την χωρητικότητα και γενικά την διαστασιολόγηση του κυττάρου είχαν στηριχθεί σε θεωρητικές μελέτες και υπολογισμούς. Εν συνεχεία με βάση τα αποτελέσματά που προέκυψαν σχεδιάσαμε το πρώτο πλάνο των κυττάρων πάνω στη γεωγραφική περιοχή του χάρτη. Η χρήση των θεωρητικών μοντέλων (π.χ. μοντέλο απωλειών) αποτελεί μονόδρομο στα πρώτα στάδια του σχεδιασμού. Χάρη σε αυτά μπορούμε να εξάγουμε χρήσιμα και πολύτιμα συμπεράσματα και εκτιμήσεις παραμέτρων του κυττάρου και να αποκτήσουμε μία γρήγορη εποπτεία της συνολικής εικόνας του υπό σχεδίαση δικτύου. Καθώς όμως εξελίσσεται ο σχεδιασμός και προχωράμε προς την υλοποίηση του δικτύου οι θεωρητικοί υπολογισμοί δεν επαρκούν εφόσον λόγω των περιορισμών των θεωρητικών μοντέλων αλλά και των απλοποιημένων υποθέσεων που έχουν λάβει χώρα για την αποφυγή της πολυπλοκότητας δεν μπορούμε να αναπαραστήσουμε με ακρίβεια την πραγματική λειτουργία του συστήματος. Στην εκτίμηση της κάλυψης για παράδειγμα στόχος μας είναι να επιλέξουμε ένα μοντέλο διάδοσης το οποίο να υπολογίζει με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια τις απώλειες στην ισχύ του ηλεκτρομαγνητικού κύματος για το συγκεκριμένο περιβάλλον διάδοσης. Γι αυτό το λόγο πραγματοποιήσαμε και έναν αριθμό μετρήσεων που αποσκοπούσε στην εύρεση των κατάλληλων διορθωτικών συντελεστών. Γνωρίζουμε όμως οτι το ασύρματο κανάλι διέπεται από μία στοχαστική συμπεριφορά και οτι πραγματοποιήσαμε έναν σταθερό αριθμό μετρήσεων υπό δεδομένες συνθήκες. Επιπλέον το κάθε θεωρητικό μοντέλο ανταποκρίνεται σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον διάδοσης το οποίο θα διαφέρει από το δικό μας. Όλα αυτά θα επηρεάσουν σημαντικά τη διαδικασία εύρεσης των διορθωτικών συντελεστών που αναφέραμε οι οποίοι ενδεχομένως να μην είναι οι βέλτιστοι και θα οδηγήσουν σε εσφαλμένη πρόβλεψη της ραδιοκάλυψης. 40

41 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Επιπλέον το δίκτυο κινητών επικοινωνιών χαρακτηρίζεται από μεγάλο βαθμό πολυπλοκότητας. Η πολυπλοκότητα οφείλεται στην ύπαρξη πάρα πολλών παραμέτρων. Οι παράμετροι αυτές επιδρούν μεταξύ τους με πολυάριθμες, δύσκολες και άγνωστες πολλές φορές εκ των προτέρων σχέσεις αλληλεξάρτησης. Ο έλεγχος και η αξιολόγησή τους καθίσταται ακόμα πιο δύσκολο έργο καθώς αρκετές από αυτές καθορίζονται από τους κατασκευαστές του εξοπλισμού του δικτύου. Αυτό σημαίνει οτι η μεταβολή και ο έλεγχος τους ενδέχεται να μην υποστηρίζονται από τα θεωρητικά μοντέλα με συνέπεια να μην μας είναι γνωστή εκ των προτέρων η αλληλεξάρτησή τους με άλλες παραμέτρους της κυτταρικής σχεδίασης. Ως παράδειγμα αναφέρουμε το μοντέλο ραδιοδιάδοσης. Στους υπολογισμούς που πραγματοποιούμε με τη χρήση του μπορούμε να ελέγξουμε τι θα συμβεί στην κάλυψη του κυττάρου αν αλλάξουμε το ύψος της κεραίας αλλά δεν μπορούμε να γνωρίζουμε την επίδραση που θα έχει μία ελάχιστη μεταβολή στην κλίση της όχι μόνο στην κάλυψη αλλά και στις υπόλοιπες παραμέτρους του κυττάρου. Πολλές φορές ακόμα και αν έχουμε τη δυνατότητα να ερευνήσουμε την αλληλεπίδραση διαφόρων παραμέτρων για κάποιο απλό θεωρητικό σενάριο σχεδίασης εξαιτίας του μεγάλου αριθμού τους μπορεί να απαιτηθεί αρκετός υπολογιστικός φόρτος. Παράλληλα μία λύση η οποία κρίνεται ικανοποιητική ή και βέλτιστη ακόμα για κάποιο βήμα σχεδιασμού ενδέχεται να επηρεάσει αρνητικά και να δημιουργήσει προβλήματα σε κάποιο άλλο στάδιο. Μπορεί παραδείγματος χάρη να επιλέξαμε ένα πλάνο συχνοτήτων που να ικανοποιεί τις απαιτήσεις του κυττάρου ως προς τη χωρητικότητά του αλλά να μην τηρεί τα κριτήρια για την ελαχιστοποίηση της παρεμβολής γειτονικού καναλιού και ενδοδιαμόρφωσης. Είναι αδύνατον λοιπόν να μπορέσουμε με τη χρήση μόνο θεωρητικών μοντέλων και υπολογισμών να ελέγξουμε όλες τις εμπλεκόμενες παραμέτρους και να εκτιμήσουμε τις συνέπειες που υπάρξουν στην λειτουργία του κυττάρου από ενδεχόμενες αλλαγές και τροποποιήσεις τους. Η λύση σε προβλήματα σχεδίασης τέτοιου είδους όπως μερικά από αυτά που αναφέρθηκαν προ λίγου έρχεται μέσα από τα λογισμικά εργαλεία σχεδίασης. Η χρήση τους μας βοηθάει να πραγματοποιήσουμε μελέτη της κάλυψης και έλεγχο της λειτουργίας του κυττάρου βασισμένοι όχι πλέον σε θεωρητικές εκτιμήσεις αλλά σε προσομοιώσεις. Συγκεκριμένα μέσα από τις προσομοιώσεις μπορούμε να ελέγξουμε και να επαληθεύσουμε αν οι παράμετροι έτσι όπως ορίστηκαν είναι συνεπείς με τα κριτήρια που έχουν τεθεί κατά τη σχεδίαση και τις υπάρχουσες προδιαγραφές. Σε περίπτωση εσφαλμένου ορισμού τους μπορούμε να πειραματιστούμε με τροποποιήσεις και αλλαγές δημιουργώντας πολυάριθμα σενάρια λειτουργίας του κυττάρου μέχρις ότου να επιτευχθεί προσαρμογή των αποτελεσμάτων στις απαιτήσεις μας. Παράλληλα μας παρέχεται η δυνατότητα της οπτικής απεικόνισης των παραπάνω αποτελεσμάτων. Με τα λογισμικά εργαλεία μπορούμε να αναπαραστήσουμε την κάλυψη του κυττάρου στο χάρτη. Αυτό είναι πολύ χρήσιμο καθώς θα παρατηρήσουμε το γεγονός οτι η δομή του κυττάρου δεν χαρακτηρίζεται από κάποιο 41

42 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού γεωμετρικό σχήμα αλλά είναι άμορφη, απροσδιόριστη και διαχέεται στο χώρο. Απόρροια αυτού είναι η δημιουργία ανομοιομορφίας στην έκταση και στην κάλυψη του κυττάρου η οποία είναι αναμενόμενη από τη θεωρία διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Επομένως το αρχικό πλάνο των κυττάρων υπό μορφή εξαγώνων αντικαθίσταται πλέον από μία πιο ρεαλιστική σχεδίαση και απεικόνιση της κάλυψης. Μελετώντας τώρα την κάλυψη του κυττάρου όπως αυτή προκύπτει από το λογισμικό έχουμε τη δυνατότητα μιας καλύτερης και ακριβέστερης κατανόησης του τρόπου λειτουργίας του κυττάρου. Παρατηρώντας το σχέδιο πληροφορούμαστε για τη στάθμη του σήματος λήψης σε κάθε σημείο του υπό μορφή χρωματικού κώδικα, εντοπίζουμε περιοχές του στις οποίες υπάρχει επικάλυψη από γειτονικά κύτταρα καθώς και άλλες στις οποίες εμφανίζονται σημαντικές απώλειες με συνέπεια την ανεπαρκή κάλυψη τους. Επιπρόσθετα διευκολύνεται ο εντοπισμός σημείων του δικτύου στα οποία αναμένεται να παρουσιαστεί αύξηση της χωρητικότητας, ο έλεγχος σεναρίων για την αποφόρτισή τους όπως η διάσπαση του κυττάρου σε μικρότερα (cell splitting) και γενικότερα μια ακριβέστερη εκτίμηση για την χωρητικότητα του κυττάρου. Στα σχήματα που ακολουθούν φαίνεται η δομή του κυττάρου και οι στάθμες του σήματος λήψης υπό μορφή χάρτη όπως έχουν προβλεφθεί από τη χρήση λογισμικών σχεδίασης. 42

43 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.16 Οριοθέτηση του κυττάρου με βάσει το λογισμικό πρόγραμμα σχεδίασης 43

44 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.17 Οριοθέτηση του κυττάρου με βάσει το λογισμικό πρόγραμμα σχεδίασης Σχήμα 1.18 Περιοχή ραδιοκάλυψης του κυττάρου με βάσει λογισμικό πρόγραμμα σχεδίασης 44

45 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.19 Περιοχή ραδιοκάλυψης του κυττάρου με βάσει λογισμικό πρόγραμμα σχεδίασης Στο σχήμα 1.18 παρουσιάζονται τα όρια του κυττάρου και με τη βοήθεια χρωματικών αποχρώσεων αντικατοπτρίζονται τα επίπεδα της ισχύος του λαμβανομένου σήματος. Παρατηρούμε οτι με ροζ και κόκκινο χρώμα σηματοδοτούνται οι περιοχές με πολύ καλή λήψη σήματος, με κίτρινο οι περιοχές με ικανοποιητικό σήμα ενώ με πράσινο, μπλε και μωβ σημεία στα οποία οι απώλειες είναι αυξημένες και η λήψη πολύ κακή έως ανύπαρκτη. Στις περιοχές με πολύ χαμηλή ή και ανύπαρκτη λήψη η ραδιοκάλυψη αναμένουμε να επιτευχθεί από γειτονικά κύτταρα τα οποία θα λειτουργούν. Παράλληλα διαπιστώνουμε και το γεγονός οτι η δομή του κυττάρου είναι ανομοιόμορφη και δεν ακολουθεί τη γεωμετρία του εξαγώνου που σχεδιάσαμε στο αρχικό σχέδιο. Επιπλέον τα λογισμικά προγράμματα μας δίνουν τη δυνατότητα να εκτιμήσουμε τη στάθμη των παρεμβολών (ομοκαναλική, γειτονικού καναλιού, ενδοδιαμόρφωσης) που προκαλεί το υπό αξιολόγηση κύτταρο σε άλλα κύτταρα λόγω της ανομοιομορφίας της έκτασης του ή που δέχεται το ίδιο από τη λειτουργία των γειτονικών του. Παρατηρώντας τα σχήματα 1.16 έως 1.19 βλέπουμε οτι η επικάλυψη της ίδιας γεωγραφικής περιοχής από περισσότερα του ενός κύτταρα είναι αναπόφευκτη καθώς η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δεν περιορίζεται στα όρια του εξαγώνου όπως εμείς το είχαμε σχεδιάσει. Μέσω των προγραμμάτων σχεδίασης μπορούμε να σχεδιάσουμε και γραφικές παραστάσεις με την ισχύ των παρεμβολών, 45

46 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού να τις αξιολογήσουμε και να προβούμε σε διορθώσεις κα τροποποιήσεις με σκοπό τη ρύθμιση και την ελαχιστοποίησή τους και την εξασφάλιση της υψηλής απόδοσης του κάθε κυττάρου. Η χρησιμότητα λοιπόν των λογισμικών εργαλείων και των προσομοιώσεων είναι τεράστια. Χάρη σε αυτά τα προγράμματα μπορούμε να αξιολογούμε, να ελέγχουμε και να μεταβάλλουμε τις τιμές των παραμέτρων του κυττάρου πριν την πραγματική λειτουργία του και να επιτυγχάνουμε μία σχεδίαση που θα ικανοποιεί τις ανάγκες και τις προδιαγραφές που έχουμε ορίσει. Κλείνοντας το στάδιο του ελέγχου της λειτουργικότητας του κυττάρου αναφέρουμε μερικά πoλύ δημοφιλή και ευρέως χρησιμοποιούμενα λογισμικά εργαλεία σχεδιασμού, το TEMS CellPlanner της Ericsson, το Astrix της Nokia, το aircom ASSET-ENTERPRISE της AIRCOM, και το Alcatel-Lucent Υλοποίηση του σταθμού βάσης Αφού έχουμε επιλέξει την περιοχή τοποθέτησης του σταθμού βάσης από το Site Survey και ελέγξει τις παραμέτρους και την λειτουργικότητα του κυττάρου προχωράμε στην υλοποίηση του σταθμού βάσης. Το στάδιο αυτό εξελίσσεται σε τρείς φάσεις και για την ολοκλήρωσή του απαιτείται η συνεργασία των μηχανικών σχεδίασης με άλλες ομάδες όπως οι μηχανικοί πεδίου και οι μηχανικοί λειτουργίας του δικτύου. Η πρώτη φάση περιλαμβάνει την τοποθέτηση του σταθμού βάσης στην επιλεγμένη από το Site Survey περιοχή. Οι μηχανικοί του πεδίου εγκαθιστούν τον οικίσκο του σταθμού βάσης, τοποθετούν το κεραιοσύστημα δηλαδή τον πυλώνα στήριξης, τις κεραίες και τους κυματοδηγούς, τοποθετούν τις μπαταρίες (σε περίπτωση διακοπής της ηλεκτρικής τροφοδοσίας). Στις αρμοδιότητές τους περιλαμβάνονται επίσης η τροφοδότηση του σταθμού από τη Δ.Ε.Η., η τοποθέτηση του συστήματος μετάδοσης των δεδομένων για την υλοποίηση της διασύνδεσης με τον ελεγκτή (BSC) το οποίο μπορεί να είναι ασύρματη ζεύξη ή ενσύρματη (οπτική ίνα, ομοαξονικό καλώδιο) καθώς και ότι άλλο κρίνεται απαραίτητο για την λειτουργία του σταθμού βάσης. Στην συνέχεια περνάμε στην δεύτερη φάση όπου την σκυτάλη παραλαμβάνουν οι μηχανικοί λειτουργίας του δικτύου. Οι μηχανικοί αναλαμβάνουν να ενημερώσουν τον αρμόδιο ελεγκτή του σταθμού βάσης (BSC) σχετικά με το νέο κύτταρο που θα ενεργοποιηθεί και θα τεθεί υπό τον έλεγχό του. Η διαδικασία αυτή επιτυγχάνεται με τον ορισμό του συγκεκριμένου κυττάρου στη βάση δεδομένων του BSC. Η βάση αυτή περιλαμβάνει όλα τα κύτταρα που ελέγχονται από αυτό το BSC. Με αυτόν τον τρόπο οι παράμετροι του κυττάρου όπως ορίστηκαν στο προηγούμενο βήμα φορτώνονται στο λογισμικό του BSC και στη συνέχεια το BSC έχει τη δυνατότητα ελέγχου του. Το στάδιο ολοκληρώνεται με την τρίτη φάση που σχετίζεται με την λειτουργία του συστήματος. Στη φάση αυτή οι υπεύθυνοι ορίζουν τη ημερομηνία και την ακριβή 46

47 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού ώρα που θα τεθεί σε λειτουργία το δίκτυο. Ο σταθμός βάσης (BTS) τότε ενεργοποιείται, τίθεται σε κατάσταση λειτουργίας και αναμένει να του αποσταλεί το λογισμικό από τον BSC. Ο ελεγκτής του σταθμού βάσης ( BSC) αποστέλλει το λογισμικό στον εξοπλισμό κάθε κυττάρου που βρίσκεται στη βάση δεδομένων του. Έπειτα ο σταθμός βάσης αφού φορτώσει το λογισμικό αρχίζει να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία από την κεραία ρυθμίζοντας παράλληλα κάποιες παραμέτρους και δημιουργώντας μία περιοχή κάλυψης, το λεγόμενο κύτταρο. Παρακάτω ακολουθούν μερικές εικόνες από εγκατεστημένους σταθμούς βάσης. Σχήμα 1.20 Σταθμοί Βάσης (BTS) 47

48 Κεφάλαιο 1 ο Έλεγχος λειτουργίας και ρύθμιση του δικτύου Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Το δίκτυο κινητών επικοινωνιών εκτείνεται σε μία μεγάλη γεωγραφική έκταση, χαρακτηρίζεται από υψηλή χωρητικότητα και κατά τη λειτουργία του εμπλέκονται πολυάριθμες παράμετροι. Σε ένα τέτοιο σύστημα επομένως απαιτείται έλεγχος πραγματικού χρόνου αφού όσο ακριβή και αξιόπιστα να είναι τα λογισμικά εργαλεία σχεδίασης και οι προσομοιώσεις δεν είναι εφικτό να προσεγγίσουνε απόλυτα και επακριβώς την πραγματική λειτουργία του δικτύου. Στόχος αυτού του βήματος είναι η πραγματική αξιολόγηση της λειτουργικότητας του δικτύου, η μέτρηση της απόδοσής του και η επιβεβαίωση του κατά πόσο η σχεδίαση και η υλοποίηση που πραγματοποιήθηκε ανταποκρίνονται στις αρχικές προδιαγραφές που είχαμε θέσει. Η αξιολόγηση του συστήματος εστιάζεται σε τρείς βασικές συνιστώσες: το ποσοστό κάλυψης, τις απαιτήσεις της χωρητικότητας και στην ποιότητα των παρεχομένων υπηρεσιών ή απόδοση. Ο έλεγχος πραγματοποιείται με τη βοήθεια των drive tests. Στο drive test επιλέγουμε καθορισμένες περιοχές και συγκεκριμένες διαδρομές όπου θα κινηθούμε και πραγματοποιούμε την λήψη αρκετών μετρήσεων ελέγχοντας το δίκτυο από την πλευρά του συνδρομητή. Ο εξοπλισμός ελέγχου που χρησιμοποιείται αποτελείται από έναν αριθμό από φορητές συσκευές, ένα φορητό υπολογιστή (laptop) εφοδιασμένο με το κατάλληλο λογισμικό και μία συσκευή GPS για να γνωρίζουμε με ακρίβεια τα σημεία στα οποία λαμβάνουμε τις μετρήσεις. Στη συνέχεια μετακινούμαστε από κύτταρο σε κύτταρο καταγράφοντας σημαντικά στατιστικά δεδομένα. Ως προς την κάλυψη ελέγχουμε το ποσοστό διείσδυσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, τα επίπεδα της στάθμης του λαμβανομένου σήματος, την ισχύ εκπομπής των φορητών μονάδων και γενικότερα την πραγματική εμβέλεια του κυττάρου. Για την αξιολόγηση της χωρητικότητας και της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών πραγματοποιούμε πολλαπλές κλήσεις σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα και καταγράφουμε τον αριθμό των χαμένων κλήσεων, τον αριθμό των επιτυχημένων και αποτυχημένων μεταπομπών, την τιμή του λόγου C/I κ.α. εκτιμώντας έτσι τον βαθμό εξυπηρέτησης του δικτύου, την ισχύ των παρεμβολών, την απόδοση της διαχείρισης των διαθέσιμων πόρων. Με βάση τα συλλεχθέντα δεδομένα και λαμβάνοντας υπόψην και τα παράπονα των συνδρομητών αξιολογούμε το ποσοστό επιτυχίας των εκτιμήσεων και της σχεδίασής μας. Τα δεδομένα των μετρήσεων εισάγονται και πάλι στο λογισμικό πρόγραμμα σχεδιασμού και συγκρίνονται με το πλάνο που είχαμε δημιουργήσει στο βήμα πριν την υλοποίηση του δικτύου. Αν παρατηρηθούν αποκλίσεις από την αρχική σχεδίαση εξάγονται εκ νέου διορθωτικοί συντελεστές αποσκοπώντας στην κατάλληλη τροποποίηση των παραμέτρων και στην επίτευξη βέλτιστης λειτουργίας και υψηλής απόδοσης. Παραδείγματος χάρη αν η κάλυψη σε κάποια περιοχή του δικτύου προκύψει από τις μετρήσεις οτι δεν είναι επαρκής μπορεί να απαιτηθεί αλλαγή στο ύψος της κεραίας ή αλλαγή του τύπου της με κάποια άλλη με κατάλληλο διάγραμμα ακτινοβολίας που θα ανταποκρίνεται στις γεωγραφικές ιδιαιτερότητες της περιοχής ή μεταβολή στην κλίσης της. Αν πάλι προκύψουν προβλήματα 48

49 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού χωρητικότητας ή ποιότητας στην εξυπηρέτηση θα πρέπει να ελεγχθεί η διαχείριση των πόρων, το πλάνο καταχώρησης των συχνοτήτων, η ισχύς και η πηγή των παρεμβολών, να βρεθούν λύσεις για την αποφόρτιση κυττάρων με υψηλή συνδρομητική κίνηση όπως η διάσπασή του σε μικρότερα με την τεχνική του cell splitting κ.λ.π.. Παράλληλα το δίκτυο εμφανίζει μία δυναμική συμπεριφορά με τις παραμέτρους του να μεταβάλλονται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Το περιβάλλον διάδοσης υπόκειται σε αλλαγές και τροποποιήσεις ως προς το αρχικό που είχε ληφθεί υπόψην στον αρχικό σχεδιασμό (π.χ. ανέγερση καινούριων κτιρίων, επέκταση των πόλεων), η κατανομή της χωρητικότητας μεταβάλλεται, οι συνδρομητές αυξάνονται και γενικά η τηλεπικοινωνιακή κίνηση και οι απαιτήσεις σε χωρητικότητα παρουσιάζουν ραγδαίες αυξητικές τάσεις με την πάροδο του χρόνου. Απαιτούνται επομένως συνεχείς επαναρυθμίσεις του δικτύου, διαρκής αξιολόγηση της διαχείρισης των διαθέσιμων πόρων, έλεγχος για την τήρηση των κριτηρίων που διασφαλίζουν υψηλή απόδοση και γενικότερα διαρκής εξέλιξη με σκοπό την ικανοποίηση των μεταβαλλόμενων αναγκών της κάλυψης και της χωρητικότητας. Όταν πλέον το δίκτυο φτάσει στα όριά του και δεν μπορεί με βάση την υπάρχουσα σχεδίαση και υλοποίηση να ικανοποιήσει τις αυξημένες απαιτήσεις του ξεκινάει και πάλι η διαδικασία της επανασχεδιασμού του. Αντιλαμβανόμαστε επομένως το γεγονός οτι από τη στιγμή που το δίκτυο θα υλοποιηθεί και θα λειτουργήσει απαιτείται διαρκής παρακολούθηση και αξιολόγηση καθ όλη τη διάρκεια της ύπαρξής του με σκοπό την ικανοποιητική κάλυψη, την εξυπηρέτηση της συνδρομητικής κίνησης, την παροχή αξιόπιστων υπηρεσιών και την βελτιστοποίηση της απόδοσης. Ολοκληρώνοντας το στάδιο παραθέτουμε κάποιες εικόνες που προκύπτουν μέσα από τα λογισμικά προγράμματα σχεδίασης κατά τη διαδικασία της ρύθμισης της λειτουργίας του δικτύου. Σχήμα 1.21 Μέγιστη και ελάχιστη ισχύς εκπομπής Σχήμα 1.22 Ισχύς λαμβανομένου σήματος 49

50 Κεφάλαιο 1 ο Αρχές κυτταρικού σχεδιασμού Σχήμα 1.23 Στάθμες εκπεμπόμενης ισχύος Σχήμα 1.24 Τιμές του λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR) 1.3 Συμπεράσματα Ο σχεδιασμός ενός κυτταρικού δικτύου κινητών επικοινωνιών διέρχεται από πολλές μεταβατικές φάσεις και καταστάσεις μέχρις ότου ολοκληρωθεί η παροχή αξιόπιστων υπηρεσιών σε όλα τα επίπεδα της δομής του και θα πρέπει να προσανατολίζεται στις ανάγκες, τις απαιτήσεις και τις προδιαγραφές που τίθενται.. Πρόκειται για μία δυναμική διαδικασία που αποσκοπεί στη εύρεση μίας λύσης η οποία θα διασφαλίζει επαρκή κάλυψη, αυξημένη χωρητικότητα, ελαχιστοποίηση των παρεμβολών, σωστή διαχείριση των διαθέσιμών πόρων, υψηλή ποιότητα υπηρεσιών, βέλτιστη απόδοση και ταυτόχρονα χαμηλό κόστος υλοποίησης του δικτύου. 50

51 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών 2.1 Εισαγωγή Τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών αποτελούν πλέον αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητάς μας και βασικό πυλώνα για την ανάπτυξη της σύγχρονης κοινωνίας. Διαχειρίζονται έναν τεράστιο αριθμό συνδρομητών και παρέχουν μια ευρεία ποικιλία υπηρεσιών. Ποιο είναι όμως το χαρακτηριστικό που καθιστά την κινητή τηλεφωνία έναν από τους συνεχώς αναπτυσσόμενους τεχνολογικούς τομείς και τυγχάνει τόσο μεγάλης αποδοχής κερδίζοντας ολοένα και περισσότερους οπαδούς έναντι των ενσύρματων επικοινωνιών; Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται οι θεμελιώδεις αρχές και έννοιες πάνω στις οποίες δομούνται τα κινητά δίκτυα και επεξηγούνται οι παράμετροι που εμπλέκονται στην κυτταρική σχεδίαση των συστημάτων αυτών. Ολοκληρώνοντας το κεφάλαιο ο αναγνώστης θα έχει πλέον κατανοήσει το μυστικό της επιτυχίας των δικτύων κινητής τηλεφωνίας. 2.2 Ιστορική αναδρομή της κινητής τηλεφωνίας Η δυνατότητα της ελεύθερης κίνησης του συνδρομητή και η αποδέσμευσή του από σταθερά σημεία καθιστούν τις κινητές επικοινωνίες ιδιαίτερα ελκυστικές. Το έντονο ενδιαφέρον και η μελέτη τους ξεκίνησε γύρω στα τέλη του 1800 με την ανακάλυψη της ασύρματης διάδοσης. Έκτοτε η εξέλιξη των κινητών επικοινωνιών ήταν ραγδαία. Σήμερα τα κινητά δίκτυα αποτελούν ένα από τα πλέον σύγχρονα αντικείμενα των τηλεπικοινωνιακών δικτύων και είναι σε θέση να παρέχουν υψηλούς ρυθμούς και εξαιρετική ποιότητα μετάδοσης καθώς και μία πληθώρα υπηρεσιών. Ωστόσο η ανάπτυξη του ήρθε με το πέρασμα των χρόνων και πάντα σε συνδυασμό με την εξέλιξη της τεχνολογίας Συμβατική κινητή τηλεφωνία Τα πρώτα συστήματα κινητής τηλεφωνίας δεν είχαν τη μορφή που γνωρίζουμε σήμερα. Μέχρι το 1970 η κινητή τηλεφωνία ανήκε στο χώρο της αναλογικής συμβατικής ασύρματης τηλεφωνίας. Τα χαρακτηριστικά των πρώτων κινητών δικτύων ήταν τα εξής: 1. Μεγάλη εκπεμπόμενη ισχύς του σταθμού βάσης. Τα παραδοσιακά συστήματα κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιούσαν έναν κεντρικό σταθμό βάσης για την κάλυψη μίας μεγάλης γεωγραφικής περιοχής. Ο σταθμός 51

52 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών βάσης περιείχε τον απαιτούμενο αριθμό πομποδεκτών και χρησιμοποιούσε μία ισχυρή κεραία η οποία εξέπεμπε τα σήματα με την μέγιστη ισχύ( της τάξης των Watt). Αν και η ηλεκτρομαγνητική κάλυψη ήταν πολύ καλή τα επίπεδα της εκπεμπόμενης ισχύος έθεταν σε κίνδυνο την υγεία των κατοίκων και δημιουργούσαν ισχυρή παρεμβολή. 2. Μικρή χωρητικότητα Στην συμβατική τηλεφωνία λόγω περιορισμένου εύρους ζώνης λειτουργίας ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών ήταν μικρός. Όταν κάποιος χρήστης επιθυμούσε να αποκτήσει πρόσβαση στο δίκτυο δέσμευε ένα κανάλι για αποκλειστική χρήση καθ όλη τη διάρκεια της εξυπηρέτησής του και σε όλη τη γεωγραφική περιοχή του δικτύου. Ο αναποτελεσματικός αυτός τρόπος διαχείρισης των περιορισμένων πόρων σε συνδυασμό με τις τεχνικές πρόσβασης και την αύξηση των συνδρομητών είχαν ως αποτέλεσμα την ύπαρξη πολλών αποτυχημένων κλήσεων (υψηλό GoS) και οδηγούσαν γρήγορα το σύστημα σε κορεσμό. 3. Χαμηλή ποιότητα επικοινωνίας Η τεχνική διαμόρφωσης που χρησιμοποιούταν ήταν στενής ζώνης. Η χρήση ραδιοδιαύλων με στενό εύρος ζώνης αυξάνει μεν τον αριθμό τους όμως λόγω έλλειψης επεξεργασίας της φωνής καθιστά τα συστήματα αυτά ευάλωτα στην παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Έτσι προκειμένου να εξασφαλιστεί μία ικανοποιητική ποιότητα επικοινωνίας έπρεπε να χρησιμοποιείται μόνο ένα υποσύνολο των διαθέσιμων ραδιοδιαύλων για ταυτόχρονη εξυπηρέτηση. 4. Ευαισθησία σε παρεμβολές και στις συνθήκες μετάδοσης. Ο αριθμός των σταθμών βάσης των παραδοσιακών δικτύων ήταν περιορισμένος. Κάθε ένας από αυτούς παρείχε κάλυψη σε μία πολύ μεγάλη περιοχή. Αυτό συνεπάγεται σημαντικές απώλειες διαδρομής στο εκπεμπόμενο σήμα, σοβαρά προβλήματα λόγω των φαινομένων διάδοσης (ανάκλαση, διάθλαση, περίθλαση, σκέδαση, πολυόδευση), αυξημένα επίπεδα παρεμβολών και επομένως ανεπαρκή κάλυψη όσο πλησιάζουμε προς τα όρια της περιοχής εξυπηρέτησης του σταθμού βάσης. 5. Υψηλό κόστος συνδρομητή. 6. Ασυμβατότητα με άλλα δίκτυα και αδυναμία περιαγωγής. Τα συμβατικά κινητά δίκτυα δεν ήταν συμβατά ως προς τις διαφορετικές τεχνολογίες που το κάθε ένα χρησιμοποιούσε. Έτσι ο συνδρομητής ενός δικτύου είχε την δυνατότητα να συνομιλεί με άλλους συνδρομητές που ανήκαν στο ίδιο δίκτυο αλλά αδυναμία πραγματοποίησης κλήσεων προς άλλα δίκτυα. Παράλληλα δεν υπήρχε η δυνατότητα της περιαγωγής σε άλλο δίκτυο με συνέπεια ο συνδρομητής να είναι εγκλωβισμένος σε μία μόνο γεωγραφική περιοχή όπου του παρείχε κάλυψη το δίκτυό του. 52

53 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Κυτταρική κινητή τηλεφωνία Τα μειονεκτήματα των συμβατικών δικτύων κινητής τηλεφωνίας έγιναν γρήγορα αντιληπτά. Για να εξελιχθούν και να ανταπεξέλθουν στις ανάγκες της χωρητικότητας και να παρέχουν υψηλή ποιότητα μετάδοσης έπρεπε να αλλάξουν την αρχιτεκτονική τους, τις αρχές λειτουργίας τους και τις τεχνικές πρόσβασης. Η κυτταρική προσέγγιση ήταν η ιδέα που άλλαξε ριζικά την δομή και τον τρόπο λειτουργίας των κινητών δικτύων. Τα κυτταρικά δίκτυα κινητών επικοινωνιών εξελίχθηκαν με την πάροδο του χρόνου και διακρίνονται σε γενιές, με την κάθε γενιά να επιδεικνύει τα δικά της τεχνολογικά χαρακτηριστικά Η πρώτη γενιά κινητών δικτύων (1G) Από το 1970 μέχρι το 1990 τίθενται σε λειτουργία τα κινητά δίκτυα πρώτης γενιάς. Τα συστήματα αυτά υλοποιήθηκαν με βάση την κυτταρική δομή και χρησιμοποιούσαν τεχνικές αναλογικής μετάδοσης (FDMA). Η κίνηση που διεκπεραίωναν ήταν αποκλειστικά φωνή και μπορούσαν να επιτύχουν ρυθμούς μετάδοσης μέχρι 2.4Kbps. Κάλυπταν μία μόνο γεωγραφική περιοχή, διέθεταν μικρή χωρητικότητα και χαρακτηρίζονταν από χαμηλή απόδοση λόγω των τεχνικών κατανομής και διαχείρισης του φάσματος. Υπήρχε ασυμβατότητα μεταξύ των διαφόρων δικτύων λόγω της χρησιμοποίησης διαφορετικών συχνοτήτων και πρωτοκόλλων με αποτέλεσμα οι υπηρεσίες του κάθε δικτύου να περιορίζονται μόνο εντός της περιοχής κάλυψης του. Μερικά από τα δίκτυα πρώτης γενιάς είναι τα παρακάτω: 1. Total Access Communication System (TACS), M.Βρετανία Advance Mobile Phone Service (AMPS) USA Nordic Mobile Telephone (NMT), Σκανδιναβία Cordless Telephone-first generation (CT1) 5. Cordless Telephone-second generation (CT2) Η δεύτερη γενιά κινητών δικτύων (2G) Από το 1990 μέχρι το 2000 εμφανίστηκαν τα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς. Τα δίκτυα αυτά ήταν οργανωμένα πλέον κυτταρικά συστήματα κάνοντας χρήση ιεραρχικής δομής κελιών όπως τα μακροκύτταρα, τα μικροκύτταρα και τα πικοκύτταρα. Η κύρια διαφορά τους από τα δίκτυα πρώτης γενιάς είναι η ψηφιακή μετάδοση των δεδομένων η οποία εκτός από τη φωνή περιλαμβάνει και δεδομένα. Οι τεχνικές πρόσβασης που χρησιμοποιούνται είναι με διαίρεση χρόνου (TDMA) ή με διαίρεση κώδικα (CDMA) και επιτυγχάνονται ρυθμοί μετάδοσης μέχρι 9.6Kbps. Χαρακτηρίζονται από πολυεπίπεδη δομή, υψηλή χωρητικότητα, δυναμική διαχείριση του ραδιοφάσματος, επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων και βελτιωμένη ποιότητα επικοινωνίας. Τα συστήματα δεύτερης γενιάς είναι τα παρακάτω: 53

54 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών 1. Global System for Mobile (GSM): Πανευρωπαϊκό standard. Οι συχνότητες λειτουργίας του είναι τα 900MHz, 1800MHz. Μακράν το πιο επιτυχημένο και διαδεδομένο δίκτυο 2G αφού αν και ξεκίνησε ως πανευρωπαϊκό τελικώς υιοθετήθηκε παγκοσμίως. Βασίζεται σε τεχνολογία πρόσβασης TDMA. 2. Pacific Digital Cellular (PDC): Ιαπωνικό standard με τεχνική πρόσβασης TDMA. 3. Digital-AMPS (D-AMPS): Αμερική 4. IS-95: Αμερικανικό standard βασισμένο στην τεχνολογία Code Division Multiple Access(CDMA) Qualcomm 5. Terrestrial Trunked Radio(TETRA) Η δυόμιση γενιά κινητών δικτύων (2.5G) Με την έννοια 2.5G αναφερόμαστε στις βελτιώσεις που πραγματοποιήθηκαν στη τεχνολογία της δεύτερης γενιάς. Η διάκριση μεταξύ 2.5G και 2G είναι πολύ λεπτή. Οι τεχνολογίες που ενσωματώνονται στην δυόμιση γενιά κινητών δικτύων είναι οι εξής: 1. High-Speed Circuit-Switched Data (HSCSD):Με την τεχνολογία GSM οι ρυθμοί μετάδοσης υπήρξαν χαμηλοί και περιορίζονταν στα 9.6Kbps. Με την τεχνολογία HSCSD επιτυγχάνονται υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης αφού επιτρέπει την δέσμευση και τη χρήση περισσοτέρων της μίας χρονοθυρίδας του TDMA πλαισίου. Το μειονέκτημα της τεχνολογίας αυτής είναι η χρήση της μεταγωγής κυκλώματος που οδηγεί σε σπατάλη πόρων του δικτύου αφού δεσμεύονται οι επιπλέον πόροι ακόμα και όταν δεν υπάρχει ανάγκη χρήσης τους. 2. General Packet Radio Services (GPRS): Η τεχνολογία GPRS χρησιμοποιεί μεταγωγή πακέτου και δεσμεύει διαθέσιμους πόρους μόνο όταν απαιτείται λήψη ή αποστολή δεδομένων επιτυγχάνοντας ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των 115Kbps έναντι 9.6Kbps του GSM. Η τεχνολογία αυτή παρέχει μεγαλύτερες δυνατότητες για μεταφορά δεδομένων σε σχέση με την HSCSD και αποτελεί αναπόσπαστο στοιχείο των κινητών δικτύων. 3. Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE): Αποτελεί την τρίτη βελτίωση του GSM. Χρησιμοποιεί την τεχνική διαμόρφωσης Eight-Phase Shift Keying (8PSK) και επιτυγχάνει ρυθμό μετάδοσης τρεις φορές μεγαλύτερο από το ρυθμό του GSM. 4. Interim Standard IS-95B με τεχνική πρόσβασης CDMA Η τρίτη γενιά κινητών δικτύων (3G) Τα δίκτυα τρίτης γενιάς αναπτύχθηκαν με σκοπό την παροχή υπηρεσιών σε οποιοδήποτε σημείο και οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Χαρακτηρίζονται από μικροκυτταρική και πικοκυτταρική δομή. Χρησιμοποιούν μεταγωγή πακέτου και επιτυγχάνουν υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης μέχρι 2Mbps. Παρέχουν μία πληθώρα υπηρεσιών όπως: παραδοσιακές υπηρεσίες τηλεφωνίας, υπηρεσίες μεταγωγής κυκλώματος, υπηρεσίες πολυμέσων (τηλεειδοποίηση, τηλεδιάσκεψη), πρόσβαση στο διαδίκτυο. Τα δίκτυα 3G αναφέρονται ως Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) στην Ευρώπη και ως International Mobile Telecommunications 2000 (IMT2000) στον υπόλοιπο κόσμο και είναι τα εξής: 54

55 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών 1. 3G W-CDMA: Ευρωπαϊκό standard. Μετεξέλιξη του GSM αλλά βασίζεται σε Wideband-CDMA και μεταγωγή πακέτου. 2. 3G cdma2000: Αμερικάνικο standard. Αποτελεί μετεξέλιξη του ISM G TD-SCDMA: Κινέζικο standard το οποίο βασίζεται στο GSM Η τρισύμιση γενιά κινητών δικτύων (3.5G) Η γενιά 3.5G ενσωματώνει εκτός από την τεχνολογία W-CDMA τις τεχνολογίες Ηigh Speed Packet Access (HSPA) και την HSPA+. Η τεχνολογία HSPA αναπτύχθηκε προκειμένου να αυξήσει τη χωρητικότητα των δικτύων τρίτης γενιάς. Αναφέρεται σε βελτίωση που πραγματοποιείται στον κατερχόμενο ασύρματο σύνδεσμο High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) και στον ανερχόμενο ασύρματο σύνδεσμο High Speed Uplink Packet Access (HSUPA). Οι τεχνολογίες HSDPA και HSUPA υποστηρίζουν ρυθμούς μετάδοσης 14.4Mbps και 5.8Mbps αντίστοιχα. Πλεονεκτήματα της HSPA αποτελούν οι υψηλές ταχύτητες, η αυξημένη διαδραστικότητα των υπηρεσιών και η παροχή υψηλής χωρητικότητας. Οι χρήστες έχουν την δυνατότητα να απολαμβάνουν μία πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών όπως γρήγορη και ευρυζωνική σύνδεση στο διαδίκτυο, VoIP, multi-player παιχνίδια, Mobile TV, video/mp3, streaming, video telephony, video conferencing. H τεχνολογία HSPA+ προσδιορίζει όλες τις προσπάθειες για αναβάθμιση της τεχνολογίας HSPA Η τέταρτη γενιά κινητών δικτύων (4G) Στόχος των δικτύων 4G είναι η ενοποίηση των διαφορετικών δικτυακών τεχνολογιών και υπηρεσιών σε ένα δίκτυο κορμού με τεχνολογία IP. Το δίκτυο αυτό ονομάζεται Long Term Evolution (LTE). Το LTE θα εστιάσει αποκλειστικά στην βελτιστοποίηση της υποστήριξης και της μετάδοσης των packet-switched εφαρμογών και στοχεύει στην επίτευξη πολύ υψηλών ρυθμών μετάδοσης της τάξης των 100Mbps για την κατερχόμενη ζεύξη και των 50Mbps για την ανερχόμενη. 55

56 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.1 Ιστορική εξέλιξη κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών 2.3 Στόχοι των κυτταρικών δικτύων Η σύλληψη της κυτταρικής ιδέας συνέβαλλε καθοριστικά στην αλλαγή της αρχιτεκτονικής, της τεχνολογίας και των παρεχομένων υπηρεσιών των δικτύων κινητών επικοινωνιών. Πλέον τα κυτταρικά δίκτυα θα πρέπει να διασφαλίζουν τις παρακάτω προδιαγραφές: 1. Υψηλή χωρητικότητα. Αφορά τον τρόπο σχεδίασης και την μετέπειτα ικανότητα του δικτύου να εξυπηρετεί έναν μεγάλο αριθμό συνδρομητών και να διαχειρίζεται με αξιοπιστία την παραγόμενη τηλεπικοινωνιακή κίνηση. 2. Μεγάλη απόδοση του διαθέσιμου ραδιοφάσματος. Αφορά στον τρόπο διαχείρισης των πόρων του δικτύου με σκοπό την επίτευξη της βέλτιστης απόδοσης του ραδιοφάσματος. 3. Ποιότητα υπηρεσιών. Αφορά την ικανότητα του δικτύου να εξασφαλίζει στους συνδρομητές με βάση τη σχεδίαση και την μετέπειτα υλοποίησή του αξιόπιστες υπηρεσίες αντίστοιχες των ενσύρματων δικτύων, υψηλό SNR, χαμηλό BER. 4. Προσαρμογή στις μεταβολές της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Η τηλεπικοινωνιακή κίνηση χαρακτηρίζεται από ανομοιομορφία. Η κατανομή της μεταβάλλεται ως προς το χώρο ακολουθώντας την πληθυσμιακή κατανομή και ως 56

57 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών προς το χρόνο (μεταβολή καθημερινή αλλά και εποχιακή). Το δίκτυο επομένως θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από ευελιξία και να προσαρμόζεται ανάλογα με την εμφανιζόμενη τηλεπικοινωνιακή κίνηση. 5. Συμβατότητα. Τα κυτταρικά συστήματα κινητών επικοινωνιών θα πρέπει να είναι συμβατά μεταξύ τους σε Εθνικό αλλά και Διεθνές επίπεδο όσον αφορά τον εξοπλισμό (Hardware) που χρησιμοποιούν και τα πρωτόκολλα (Software) λειτουργίας τους. 6. Προσιτό κόστος. Ο σχεδιασμός, η υλοποίηση και η λειτουργία του δικτύου θα πρέπει να αποσκοπούν στην παροχή αξιόπιστων υπηρεσιών και στην επίτευξη υψηλού βαθμού εξυπηρέτησης (Quality of Service-QoS) και παράλληλα να διασφαλίζεται η ελαχιστοποίηση του οικονομικού κόστους που επιβαρύνει τον πάροχο κινητών υπηρεσιών και τους συνδρομητές του. 2.4 Θεμελειώδεις έννοιες κυτταρικών συστημάτων Οι δύο βασικές έννοιες που άλλαξαν την δομή των κινητών δικτύων και οδήγησαν στην ραγδαία ανάπτυξή τους είναι η κυτταρική κάλυψη και η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων Κυτταρική κάλυψη Όπως αναφέραμε και στην ενότητα στα συμβατικά συστήματα ασύρματων επικοινωνιών χρησιμοποιούταν ένας σταθμός βάσης σε κατάλληλο σημείο ανάλογα με την ιδιομορφία του αναγλύφου της γεωγραφικής περιοχής με το σύνολο των πομπών και των δεκτών για την εξυπηρέτηση των συνδρομητών. Η ηλεκτρομαγνητική κάλυψη επιτυγχανόταν με μία ισχυρή πανκατευθυντική κεραία. Η δομή των δικτύων αυτών και ο τρόπος λειτουργίας τους ήταν συνυφασμένος με την ύπαρξη ισχυρών παρεμβολών και την αδυναμία εξυπηρέτησης μεγάλου αριθμού συνδρομητών. Η φιλοσοφία της κυτταρικής κάλυψης είναι η εξής: Η γεωγραφική περιοχή του δικτύου διαχωρίζεται σε μικρότερες γεωγραφικές υποπεριοχές ή ζώνες. Για την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη της κάθε μίας ζώνης χρησιμοποιείται ένας σταθμός βάσης με μικρότερη εκπεμπόμενη ισχύ. Αντικαταστάθηκε δηλαδή ο ένας και ισχυρός σταθμός βάσης των συμβατικών δικτύων από ένα σύνολο από σταθμούς βάσης με μικρότερη ισχύ. Η κάθε μία από αυτές τις γεωγραφικές περιοχές ή ζώνες ονομάζεται κύτταρο. Αξιοποιώντας την ιδέα της κυτταρικής κάλυψης καλύπτουμε την ίδια γεωγραφική περιοχή με πριν και επιτυγχάνουμε υψηλή χωρητικότητα του δικτύου. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται η ιδέα της κυτταρικής κάλυψης. 57

58 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.2 Η ιδέα της κυτταρικής κάλυψης Ορισμός κυττάρου Ονομάζουμε κύτταρο ή κυψέλη τη γεωγραφική περιοχή η οποία καλύπτεται με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία από έναν σταθμό βάσης και οριοθετείται με βάση μία κατώτατη στάθμη ισχύος του σήματος Κυτταρική δομή Υποθέτουμε οτι τα κύτταρα είναι ομοιόμορφα, έχουν την ίδια χωρητικότητα και το καθένα εξυπηρετείται από έναν σταθμό βάσης ο οποίος διαθέτει για την κάλυψη μία πανκατευθυντική κεραία. Όλοι οι σταθμοί βάσης των κυττάρων εκπέμπουν τα σήματα με την ίδια ισχύ. Με βάση τις υποθέσεις αυτές ο σταθμός βάσης τοποθετείται στο κέντρο του κάθε κυττάρου, η περιοχή κάλυψης του κυττάρου είναι κυκλικής μορφής και ολόκληρη η γεωγραφική περιοχή του δικτύου καλύπτεται από κύκλους ίσης ακτίνας. Ωστόσο όπως παρατηρείται η κυκλική μορφή του κυττάρου δεν είναι βολική από σχεδιαστικής άποψης διότι δημιουργούνται περιοχές ηλεκτρομαγνητικής επικάλυψης. Το μειονέκτημα αυτό οδήγησε στο να απορριφθεί η κυκλική δομή του κυττάρου. Τα επόμενα γεωμετρικά σχήματα που χρησιμοποιήθηκαν για την αναπαράσταση της δομής του κυττάρου ήταν τα κανονικά πολύγωνα όπως το τρίγωνο, το τετράγωνο και το κανονικό εξάγωνο. Τα κανονικά πολύγωνα έχουν την δυνατότητα να καλύπτουν 58

59 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών μία γεωγραφική περιοχή χωρίς επικαλύψεις και να προσεγγίζουν την επιφάνεια κάλυψης του κύκλου. Από όλα τα παραπάνω γεωμετρικά σχήματα αυτό που επικράτησε ήταν το κανονικό εξάγωνο. Η εξαγωνική κάλυψη προτιμήθηκε ως σχεδιαστική λύση επειδή το κανονικό εξάγωνο προσεγγίζει σε ικανοποιητικό βαθμό την επιφάνεια του κύκλου και δεν αφήνει κενές ή επικαλυπτόμενες περιοχές κατά την κάλυψη. Πολύγωνα με μεγαλύτερο αριθμό πλευρών δημιουργούν και πάλι προβλήματα στην γεωγραφική κάλυψη. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να τονιστεί οτι η πραγματική μορφή του κυττάρου διαφέρει κατά πολύ από την εξαγωνική αναπαράσταση. Όπως υποδεικνύεται από την ασύρματη διάδοση το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που εκπέμπεται από την κεραία αλληλεπιδρά με το περιβάλλον διάδοσης και επηρεάζεται από τις συνθήκες που επικρατούν σε αυτό. Η ύπαρξη τεχνητών και φυσικών εμποδίων αναγκάζουν το διαδιδόμενο κύμα να υπόκειται σε διάφορους μηχανισμούς διάδοσης όπως είναι η ανάκλαση, η διάθλαση, η περίθλαση, η σκέδαση και η πολυόδευση. Λόγω των μηχανισμών διάδοσης η μορφή του κυττάρου στην πραγματικότητα ουδεμία σχέση έχει με κάποιο συγκεκριμένο γεωμετρικό σχήμα αλλά καθίσταται άμορφη, απροσδιόριστη και διαχέεται στο χώρο. Στο σχήμα που ακολουθεί διακρίνονται οι τρείς δομές για την αναπαράσταση του κυττάρου: η σχεδιαστική δομή που είναι το εξάγωνο, η ιδεατή μορφή με τον κύκλο και η πραγματική δομή. Σχήμα 2.3 Γραφική αναπαράσταση του κυττάρου Τοποθέτηση κεραιών στο κύτταρο Το κάθε κύτταρο για να είναι σε θέση να εξυπηρετεί τους συνδρομητές που ανήκουν στην έκτασή του θα πρέπει να καλύπτεται ηλεκτρομαγνητικά. Η ηλεκτρομαγνητική κάλυψη της περιοχής του κυττάρου επιτυγχάνεται με τη χρήση κεραιών στους 59

60 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών αρμόδιους σταθμούς βάσης. Οι κεραίες που χρησιμοποιούνται μπορεί να είναι πανκατευθυντικές (omni antennas) ή τομεακές (κατευθυντικές). Ανάλογα με το διάγραμμα ακτινοβολίας της χρησιμοποιούμενης κεραίας δημιουργούνται διαφορετικές ανάγκες τοποθέτησης των σταθμών βάσης στο κύτταρο και ξεχωριστά σενάρια κυτταρικού σχεδιασμού. Η πανκατευθυντική κεραία χρησιμοποιείται για την παροχή κάλυψης ενός κυττάρου με μεγάλη έκταση. Στην περίπτωση αυτή ο σταθμός βάσης τοποθετείται σε κάποιο κεντρικό σημείο ανάλογα και με την ιδιομορφία του αναγλύφου της περιοχής και εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ίδιας ισχύος προς όλες τις κατευθύνσεις. Το πλεονέκτημα από την χρήση της συγκεκριμένης κεραίας είναι η πολύ καλή και ομοιόμορφη ηλεκτρομαγνητική κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής του κυττάρου αφού το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας έχει εμβέλεια 360 μοιρών. Ωστόσο θα πρέπει η ισχύς του εκπεμπόμενου σήματος να ελέγχεται για την αποφυγή προβλημάτων παρεμβολών σε γειτονικές κυψέλες. Επιπλέον για την κάλυψη ολόκληρης της περιοχής του δικτύου απαιτείται ο αριθμός των σταθμών βάσης να είναι όσος και ο αριθμός των κυττάρων. Η απαίτηση αυτή συνεπάγεται αυξημένο οικονομικό κόστος για τον πάροχο των κινητών επικοινωνιών. Η στρατηγική αυτή του κυτταρικού σχεδιασμού χρησιμοποιείται στις αραιοκατοικημένες ή αγροτικές περιοχές που χαρακτηρίζονται από χαμηλή συνδρομητική κίνηση και στις οποίες επιδιώκουμε μία γρήγορη κάλυψη χωρίς υψηλό κόστος υλοποίησης. Σχήμα 2.4 Γεωγραφική κάλυψη της περιοχής με τοποθέτηση των σταθμών βάσης στο κέντρο του κυττάρου. Οι κατευθυντικές ή τομεακές κεραίες χρησιμοποιούνται στην περίπτωση όπου η έκταση του κυττάρου είναι μικρή. Οι κεραίες αυτές εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε συγκεκριμένη κατεύθυνση με ένα καθορισμένο εύρος λοβού, παραδείγματος χάρη τις 120 μοίρες. Η χρήση τους επιβάλλει την τοποθέτηση του σταθμού βάσης στην κορυφή κάθε τριάδας κυττάρων. Η τοποθέτηση αυτή οδηγεί σε 60

61 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών εξοικονόμηση σταθμών βάσης αφού για την υλοποίηση της κάλυψης της γεωγραφικής περιοχής του δικτύου απαιτείται μόνο το 1/3 του αριθμού των σταθμών βάσης που θα απαιτεί η ίδια κάλυψη αλλά με χρήση πανκατευθυντικών κεραιών. Η διαπίστωση αυτή είναι πολύ σημαντική αφού το κόστος των σταθμών βάσης είναι αρκετά υψηλό. Με βάση την συγκεκριμένη τοποθέτηση ο κάθε σταθμός βάσης έχει υπό την εποπτεία του και εξυπηρετεί τρία κύτταρα. Ο αριθμός των κεραιών που θα περιλαμβάνει ποικίλει και εξαρτάται από το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας που θα χρησιμοποιηθεί. Έτσι εάν χρησιμοποιήσουμε κεραίες με εύρος 120 μοιρών για να επιτύχουμε κάλυψη 360 μοιρών θα χρειαστούμε 3 κατευθυντικές κεραίες. Αν πάλι κάνουμε χρήση κεραιών με εύρος 60 μοιρών τότε για την ίδια κάλυψη ο σταθμός βάσης θα χρειαστεί 6 κεραίες. Πέραν την μείωσης του κόστους υλοποίησης που επιτυγχάνεται από την εξοικονόμηση των σταθμών βάσης η χρήση κατευθυντικών κεραιών έχει και κάποια άλλα σπουδαία πλεονεκτήματα. Η κατευθυντικότητα της κεραίας έχει ως αποτέλεσμα την μεγαλύτερη ανοχή στο θόρυβο λόγω παρεμβολών αφού η περιοχή κάλυψης που ευρίσκεται στην κατεύθυνση της κεραίας λαμβάνει την μεγαλύτερη πυκνότητα ακτινοβολίας. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται αύξηση του λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR) με συνέπεια την αναβαθμισμένη ποιότητα των παρεχομένων υπηρεσιών αφού το QoS είναι συνάρτηση του SNR. Παράλληλα επιτυγχάνεται αύξηση του ρυθμού μετάδοσης της πληροφορίας στο κανάλι. Αυτό αποδεικνύεται με βάση το θεώρημα του Shannon για την χωρητικότητα του καναλιού, το οποίο διατυπώνεται από την παρακάτω σχέση: C=W*log2(1+S/N) (2.1) Σύμφωνα με τον τύπο 2.1 με δεδομένο το εύρος ζώνης W του τηλεπικοινωνιακού συστήματος (δηλαδή για μία συγκεκριμένη τεχνολογία) όταν αυξάνει ο σηματοθορυβικός λόγος (SNR) λόγω ύπαρξης κατευθυντικότητας της κεραίας τότε αυξάνει και η χωρητικότητα του καναλιού (C) επιτυγχάνοντας έτσι υψηλότερο ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Ωστόσο ο τρόπος αυτός τοποθέτησης έχει και τα μειονεκτήματά του. Το μειονέκτημα που προκύπτει έγκειται στον διαθέσιμο αριθμό καναλιών που αντιστοιχεί σε κάθε κύτταρο. Στην συγκεκριμένη περίπτωση τα διαθέσιμα κανάλια του σταθμού βάσης μοιράζονται σε τρία κύτταρα αντί για ένα που ίσχυε με την τοποθέτηση του σταθμού στο κέντρο. Μικρότερος αριθμός καναλιών σημαίνει οτι ο αριθμός των συνδρομητών που μπορούν να εξυπηρετηθούν από το κύτταρο και επομένως η χωρητικότητά του μειώνονται. Η ελάττωση των διαθέσιμων καναλιών θα έχει ως συνέπεια την δημιουργία συμφόρησης την ώρα αιχμής σε κύτταρα που το επίπεδο της συνδρομητικής κίνησης είναι υψηλό αφού δεν θα υπάρχουν αρκετοί πόροι για να διατηρήσουν σταθερό το βαθμό εξυπηρέτησης (GoS) του κυττάρου. Βέβαια το πρόβλημα αυτό μπορεί να επιλυθεί με την σωστή διαχείριση των πόρων. Η στρατηγική με την συγκεκριμένη τοποθέτηση εφαρμόζεται κυρίως σε αστικές και γενικά πυκνοκατοικημένες περιοχές όπου η αυξημένη τηλεπικοινωνιακή κίνηση οδηγεί στην υλοποίηση μικροκυτταρικών δικτύων. 61

62 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.5 Γεωγραφική κάλυψη της περιοχής με τοποθέτηση των σταθμών βάσης στην κορυφή των κυττάρων. Όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο του κυτταρικού σχεδιασμού το γεωγραφικό ανάγλυφο της περιοχής του δικτύου χαρακτηρίζεται από ποικιλομορφία. Οι συνθήκες διάδοσης, οι μεταβαλλόμενες απαιτήσεις του δικτύου καθώς και η ανομοιόμορφη κατανομή της κίνησης υπαγορεύουν ως καλύτερη λύση για την κάλυψη των κυττάρων τον συμβιβασμό μεταξύ των δύο προαναφερθέντων σεναρίων σχεδίασης δημιουργώντας έναν μικτό τρόπο τοποθέτησης των σταθμών βάσης. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνεται ο τρόπος αυτός όπου για την κάλυψη των κυττάρων χρησιμοποιούνται πανκατευθυντικές και κατευθυντικές κεραίες με την αντίστοιχη τοποθέτηση των σταθμών βάσης. Σχήμα 2.6 Μεικτός τρόπος τοποθέτησης των σταθμών βάσης για την ηλεκτομαγνητική κάλυψη των κυττάρων. 62

63 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Ανάλογα με το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας που θα παρέχει την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη διακρίνονται δύο κατηγορίες κυττάρων: Πανκατευθυντικά κύτταρα (omni directional cell): τα κύτταρα αυτά καλύπτονται από μία κεραία η οποία εκπέμπει την ίδια ισχύ προς όλες τις κατευθύνσεις (πανκατευθυντικό διάγραμμα ακτινοβολίας). Τομεακά κύτταρα (sector cell): τα κύτταρα αυτά καλύπτονται από μία κεραία η οποία εκπέμπει προς συγκεκριμένη κατεύθυνση με καθορισμένο εύρος λοβού π.χ. 30 ο, 60 ο, 120 ο ( χρήση κατευθυντικής κεραίας). Βέβαια εκτός από του δύο τρόπους που αναλύθηκαν για την κάλυψη μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και συνδυασμούς περισσοτέρων της μίας κεραιών. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνονται διάφοροι τρόποι κάλυψης της έκτασης ενός κυττάρου. Σχήμα 2.7 Διαφορετικοί τρόποι τοποθέτησης κεραιών για την κάλυψη του κυττάρου 63

64 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Γενικά ο σχεδιασμός της κυτταρικής κάλυψης θα πρέπει να διέπεται από τις ιδιαιτερότητες του δικτύου και τις προδιαγραφές που έχουν τεθεί με σκοπό την αξιόπιστη και εγγυημένη παροχή των υπηρεσιών επικοινωνίας σε συνδυασμό όμως πάντα με την ελαχιστοποίηση του κόστους υλοποίησης του δικτύου Κατηγορίες κυττάρων Τα κυτταρικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας εξυπηρετούν έναν μεγάλο αριθμό συνδρομητών, οι οποίοι παράγουν σημαντικές ποσότητες τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Η κατανομή της τηλεπικοινωνιακής κίνησης δεν είναι ομοιόμορφη όπως υποθέσαμε στην ενότητα της δομής του κυττάρου. Συμβαδίζει με την πληθυσμιακή κατανομή (οι πυκνοκατοικημένες περιοχές εμφανίζουν μεγάλη πυκνότητα συνδρομητών σε σχέση με τις αραιοκατοικημένες περιοχές) και μεταβάλλεται σε καθημερινή και εποχιακή βάση. Ανάλογα επομένως με τα χαρακτηριστικά της κίνησης αλλά και τη μορφολογία της υπό κάλυψη γεωγραφικής περιοχής δημιουργείται μία ανομοιομορφία στο μέγεθος των κυττάρων εισάγοντας μία ιεραρχική δομή ως προς την έκτασή τους. Οι κατηγορίες των κυττάρων που χρησιμοποιούνται στα κυτταρικά συστήματα κινητών επικοινωνιών είναι οι εξής: Κύτταρα μέγιστης κάλυψης (Overlay cells) Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης η οποία φτάνει τις μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα (km). Χρησιμοποιούνται στην δορυφορική κινητή τηλεφωνία και αποσκοπούν στην επικοινωνιακή κάλυψη κινητών μονάδων οι οποίες βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές. Υπερκύτταρα (Hyper cells) Τα κύτταρα έχουν ακτίνα κάλυψης μεγαλύτερη των 20χιλιομέτρων (km). Χρησιμοποιούνται για την επικοινωνιακή κάλυψη των κινητών μονάδων που βρίσκονται εντός επαρχιακών ή αγροτικών περιοχών Μακροκύτταρα (Macro cells) Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης η οποία κυμαίνεται από το 1 μέχρι τα 20χιλιόμετρα. Χρησιμοποιούνται για την παροχή επικοινωνιακής κάλυψης των κινητών μονάδων που κινούνται σε οδούς εκτός πόλεων και σε πυκνοκατοικημένες περιοχές όπου λόγω της πυκνής δόμησης δεν υπάρχει ικανοποιητικό σήμα. Μικροκύτταρα (micro cells) Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης που κυμαίνεται από τα 100 μέτρα μέχρι το 1 χιλιόμετρο. Χρησιμοποιούνται για να παρέχουν επικοινωνιακή κάλυψη σε κινητές μονάδες που κινούνται σε κεντρικά σημεία και περιοχές εντός των πόλεων. Πικοκύτταρα (pico cells) Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης το πολύ μέχρι 100 μέτρα. Ο τύπος αυτός κυττάρου χρησιμοποιείται για την κάλυψη των συνδρομητών που κινούνται εντός 64

65 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών των κτιρίων (γραφεία κ.λ.π.) και για όσους βρίσκονται εντός λεωφορείων, τραίνων, πλοίων, αεροπλάνων. Επιλεκτικά κύτταρα (Selective cells) Τα κύτταρα αυτά έχουν συγκεκριμένο σχήμα και κάλυψη. Για παράδειγμα χρησιμοποιούνται για την κάλυψη εντός μίας σήραγγας (tunnel) όπου δεν χρειάζεται κάλυψη 360 μοιρών αλλά ένα επιλεκτικό κύτταρο με κάλυψη 120 μοιρών. Στην πραγματικότητα το περιβάλλον διάδοσης και οι απαιτήσεις του δικτύου ως προς την κάλυψη και την χωρητικότητα δημιουργούν την ανάγκη για υιοθέτηση μίας πολυεπίπεδης σχεδίασης και αρχιτεκτονικής σύμφωνα με την οποία σε μία περιοχή μπορούν να συνυπάρχουν και να συνλειτουργούν περισσότερες της μίας κατηγορίες κυττάρων προκειμένου να εξασφαλιστεί υψηλή απόδοση λειτουργίας του δικτύου, εγγυημένη ποιότητα εξυπηρέτησης (QoS) και χαμηλό GoS Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων Η δεύτερη πολύ βασική ιδέα στην οποία στηρίζεται η λειτουργία των κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών είναι η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων. Στα συμβατικά κινητά δίκτυα ο σταθμός βάσης που χρησιμοποιούταν για όλη τη γεωγραφική περιοχή διέθετε και διαχειριζόταν όλες τις διαθέσιμες συχνότητες για την πρόσβαση και την εξυπηρέτηση των συνδρομητών. Η συγκεκριμένη δομή και οι τεχνικές πρόσβασης οδηγούσαν σε κακή διαχείριση και σπατάλη των πόρων. Συνέπεια αυτού ήταν να τεθεί ένα πολύ χαμηλό όριο στην χωρητικότητα των δικτύων αυτών αφού ο αριθμός των συνδρομητών που μπορούσαν να εξυπηρετήσουν ήταν περιορισμένος καθώς και τα σοβαρά προβλήματα των παρεμβολών που υποβάθμιζαν την ποιότητα της επικοινωνίας. Αν και υπήρχε ένα σύνολο από διαθέσιμους ραδιοδιαύλους τελικά κατά την πραγματική λειτουργία του συστήματος μόνο ένα υποσύνολο από αυτούς μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ταυτόχρονη εξυπηρέτηση λόγω των ισχυρών παρεμβολών. Η φιλοσοφία της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων αναφέρεται στη δυνατότητα της χρήσης καναλιών που έχουν τις ίδιες ονομαστικές συχνότητες φορέα αλλά καταχωρούνται σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές κάλυψης υπό την προϋπόθεση να απέχουν κάποια ελάχιστη απόσταση μεταξύ τους προκειμένου να διασφαλίζεται η ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής. Στα κυτταρικά συστήματα η γεωγραφική περιοχή κάλυψης χωρίζεται σε έναν αριθμό από κύτταρα με το κάθε κύτταρο να εξυπηρετείται από έναν σταθμό βάσης. Σε κάθε κύτταρο ανατίθεται μία ομάδα συχνοτήτων από το συνολικό αριθμό των διαθέσιμων συχνοτήτων του συστήματος. Με την ιδέα της επαναχρησιμοποίησης λοιπόν η ομάδα αυτή των συχνοτήτων του κυττάρου μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί ξανά για να εξυπηρετηθούν περισσότερα του ενός κύτταρα. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η εξυπηρέτηση ενός μεγάλου αριθμού συνδρομητών και η αντιμετώπιση της 65

66 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών συνεχόμενης αύξησης της χωρητικότητας χρησιμοποιώντας ένα σταθερό και περιορισμένο αριθμό συχνοτήτων. Η ιδέα της επαναχρησιμοποίησης είναι κομβικής σημασίας αφού ο πάροχος διαθέτει για την παροχή υπηρεσιών ένα περιορισμένο αριθμό πόρων τους οποίους θα πρέπει να τους διαχειριστεί όσο πιο αποδοτικά και βέλτιστα γίνεται με σκοπό την ικανοποίηση της υψηλής χωρητικότητας του δικτύου και την επίτευξη της σωστής λειτουργίας του. Σχήμα 2.8 Επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων Ορισμός υπερκυττάρου (cluster) Η ιδέα της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων συνδέεται με την έννοια του υπεκυττάρου ή συστάδας ή αλλιώς κυτταρικού συγκροτήματος. Όπως είδαμε το σύνολο των διαθέσιμων συχνοτήτων διαχωρίζεται σε μικρότερες ομάδες και κάθε ομάδα από αυτές ανατίθεται σε ένα κύτταρο. Το σύνολο των κυττάρων τα οποία χρησιμοποιούν διαφορετικές ομάδες συχνοτήτων συγκροτούν ένα υπερκύτταρο (cluster).όπως υποδεικνύεται από τον ορισμό εντός του κυτταρικού αυτού συγκροτήματος δεν μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί καμία συχνότητα. Παρατηρώντας τώρα το κυτταρικό δίκτυο στην γεωγραφική περιοχή της κάλυψής του θα εντοπίσουμε οτι δομείται από ένα σύνολο υπερκυττάρων δηλαδή τα κύτταρά του σχηματίζουν συμπαγείς ομάδες επαναληψιμότητας. Ο αριθμός των κυττάρων που δομούν το υπερκύτταρο είναι μία πολύ βασική παράμετρος και λαμβάνεται σοβαρά υπόψην στον κυτταρικό σχεδιασμό. Με βάση το παράδειγμα που ακολουθεί θα ορίσουμε κάποια βασικά μεγέθη και θα γίνει κατανοητή η αξία του μεγέθους του κυτταρικού συγκροτήματος. 66

67 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Έστω οτι θέλουμε να δημιουργήσουμε ένα κυτταρικό δίκτυο και για την εξυπηρέτηση των συνδρομητών του διαθέτουμε S συχνότητες ή κανάλια. Σε κάθε κύτταρο επιθυμούμε να εκχωρηθούν k κανάλια με k<s για να έχει νόημα η ιδέα της επαναχρησιμοποίησης. Υποθέτοντας ομοιομορφία των κυττάρων (ίδια χωρητικότητα και έκταση κάλυψης) μπορούμε να δημιουργήσουμε N=S/k διαφορετικές ομάδες συχνοτήτων με το κάθε κύτταρο να λαμβάνει μία ομάδα από αυτές. Ο αριθμός των κυττάρων στα οποία μοιράζεται το σύνολο των S διαθέσιμων συχνοτήτων δημιουργούν ένα υπερκύτταρο (cluster) ή συστάδα. Το N καλείται διάσταση του υπερκυττάρου και το γινόμενο CN =S=N*k χωρητικότητα του υπερκυττάρου. Γνωρίζοντας το N ορίζουμε ένα άλλο σπουδαίο μέγεθος το 1/N που ονομάζεται παράγοντας επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. Εφόσον έχουμε μοιράσει τις συχνότητες και έχει δημιουργηθεί το υπερκύτταρο στα πλαίσια της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων η δομή του υπερκυττάρου θα πρέπει να επαναληφθεί μέχρις ότου καλύψουμε ολόκληρη τη γεωγραφική περιοχή του δικτύου. Στο σημείο αυτό μπορούμε να ορίσουμε τη χωρητικότητα του δικτύου. Εάν για παράδειγμα επαναλάβουμε τη δομή του cluster Μ φορές τότε η χωρητικότητα του δικτύου ορίζεται ως C=M* CN =M*S =M*k*N, δηλαδή η χωρητικότητα C αυξήθηκε κατά έναν παράγοντα Μ διατηρώντας πάντα σταθερό τον αριθμό S των συχνοτήτων. Θεωρητικώς με τον περιορισμένο αριθμό S των συχνοτήτων και την επαναχρησιμοποίηση τους μπορούμε επαναλαμβάνοντας το cluster να καλύψουμε άπειρο γεωγραφικό χώρο και να αυξήσουμε κατά όσο θέλουμε την χωρητικότητα του δικτύου. Έχοντας λοιπόν ως αναφορά το παράδειγμα που περιγράψαμε και κατανοώντας τις βασικές έννοιες μπορούμε να προβούμε στις εξής παρατηρήσεις και προβληματισμούς που διέπουν των κυτταρικό σχεδιασμό. Ποιά είναι επομένως η καταλληλότερη τιμή του Ν; H απάντηση στο ερώτημα αυτό εξάγεται από τις δύο περιπτώσεις που ακολουθούν: 1. Επιλογή μικρού μεγέθους υπερκυττάρου: Αν επιλέξουμε μία μικρή τιμή για το N δηλαδή μικρό αριθμό κυττάρων που συγκροτούν το cluster θα διαπιστώσουμε οτι το πηλίκο S/N θα μεγαλώσει γεγονός που συνεπάγεται αύξηση της χωρητικότητας του κάθε κυττάρου αφού θα αυξηθεί ο αριθμός k των καναλιών που θα διαθέτει. Ωστόσο μικρό Ν σηματοδοτεί μεγαλύτερη ανάγκη επαναχρησιμοποίησης 1/Ν και άρα αύξηση του αριθμού των cluster (παράγοντας Μ) που θα απαιτηθούν για την κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουμε την αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου και να εξυπηρετήσουμε μεγαλύτερο πλήθος συνδρομητών. Από την άλλη μία τέτοιου είδους επιλογή για το Ν θα οδηγήσει σε αύξηση της ομοκαναλικής παρεμβολής. Αυτό συμβαίνει διότι όσο πυκνότερη είναι η επαναχρησιμοποίησης τόσο μεγαλύτερη θα είναι η ομοκαναλική παρεμβολή αφού θα δημιουργηθούν πολλά και κοντινά κύτταρα που θα χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες (ομοκαναλικά κύτταρα). 67

68 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών 2. Επιλογή μεγάλου μεγέθους υπερκυττάρου: Μία δεύτερη πρόταση θα ήταν να δημιουργήσουμε ένα μεγάλο υπερκύτταρο. Με την επιλογή αυτή η επαναχρησιμοποίηση 1/Ν θα μειωθεί και η ισχύς της ομοκαναλικής παρεμβολής θα μικρύνει αφού τα ομοκαναλικά κύτταρα θα βρίσκονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Όμως με την επιλογή μας αυτή ελαττώνεται η χωρητικότητα του κάθε κυττάρου του cluster αφού τα κανάλια (S/N) που θα του αντιστοιχούν τώρα θα είναι πολύ λιγότερα. Για να μπορέσουμε να αυξήσουμε την χωρητικότητα του cluster θα πρέπει να διαθέσουμε μεγαλύτερο αριθμό συχνοτήτων (S) λύση η οποία δεν είναι εφικτή αφού όπως είπαμε ο πάροχος δικαιούται σταθερό αριθμό συχνοτήτων για διαχείριση. Συμπεραίνουμε επομένως οτι η επιλογή της τιμής του Ν δεν είναι απλή υπόθεση. Το μέγεθος του υπερκυττάρου είναι αυτό που καθορίζει το επίπεδο της παρεμβολής που αναμένεται να επηρεάσει το δίκτυό μας. Παράλληλα θα πρέπει με την επιλογή μας να ικανοποιήσουμε τις απαιτήσεις του δικτύου ως προς την υψηλή χωρητικότητα βρίσκοντας μία συμβιβαστική λύση ανάμεσα στο Ν και στον παράγοντα επαναχρησιμοποίησης 1/Ν. Οι τιμές που λαμβάνει το Ν είναι ακέραιες και συγκεκριμένες. Τα συστήματα CDMA επιλέγουν συνήθως Ν=1 ενώ τα συστήματα FDMA/TDMA Ν=3,4,7,9,12,21 Σχήμα 2.9 Κυτταρικό συγκρότημα με Ν=4 68

69 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.10 Κυτταρικό συγκρότημα με Ν=7 Σχήμα 2.11 Κυτταρικό συγκρότημα με Ν= Τοποθέτηση υπερκυττάρων στην περιοχή κάλυψης Στα πλαίσια της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων μόλις δομηθεί το υπερκύτταρο επαναλαμβάνεται σε ολόκληρη την γεωγραφική περιοχή που θα καλύψει το κινητό δίκτυο. Ο τρόπος τοποθέτησης των cluster στο χώρο δεν μπορεί να είναι τυχαίος αλλά θα πρέπει να διέπεται από δύο πολύ βασικά κριτήρια. 1. Κατά την τοποθέτηση των clusters για την κάλυψη της περιοχής απαγορεύεται να βρεθούν κύτταρα που χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες σε απόσταση μικρότερη από αυτήν που επιβάλλει το κριτήριο της επαναχρησιμοποίησης. Με τον τρόπο προστατεύεται το δίκτυο από την ομοκαναλική παρεμβολή. 69

70 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών 2. Κατά την τοποθέτηση των clusters απαγορεύεται να βρεθούν γειτονικά κύτταρα στα οποία έχουν ανατεθεί κοντινές φασματικά συχνότητες. Το κριτήριο αυτό εισάγεται προκειμένου να εξασφαλίσουμε οτι η παρεμβολή γειτονικού καναλιού θα βρίσκεται εντός των αποδεκτών ορίων Προσδιορισμός ομοκαναλικών κυττάρων και απόσταση επαναχρησιμοποίησης Η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων θέτει ως μόνη προϋπόθεση την ύπαρξη επαρκούς απόστασης μεταξύ των ομοκαναλικών κυττάρων για την προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή. Για να προσδιορίσουμε τα ομοκαναλικά κύτταρα χρησιμοποιούμε μία αλγοριθμική διαδικασία η οποία κάνει χρήση δύο ακέραιων παραμέτρων μετατόπισης, του i και του j. Η διαδικασία περιγράφεται με τη μορφή βημάτων και είναι η εξής: Βήμα 1 ο Ορίζουμε το κύτταρο αναφοράς με βάση το οποίο θα προσδιοριστούν τα ομοκαναλικά του κύτταρα. Βήμα 2 ο Μετακινούμαστε i κύτταρα κατά μήκος οποιασδήποτε αλυσίδας εξαγωνικών κυττάρων. Βήμα 3 ο Στο iοστό κύτταρο στρεφόμαστε αριστερόστροφα κατά 60 ο Βήμα 4 ο Μετακινούμαστε κατά j κύτταρα κατά μήκος της νέας αλυσίδας των εξαγωνικών κυττάρων. Βήμα 5 ο Το jοστό κύτταρο στο οποίο καταλήξαμε είναι το ζητούμενο ομοκαναλικό κύτταρο. Σε αυτό το κύτταρο έχουμε την δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε τις ίδιες ονομαστικές συχνότητες. Εκτελώντας τον αλγόριθμο αυτό λαμβάνοντας διαφορετικά κύτταρα του υπερκυττάρου κάθε φορά μπορούμε να προσδιορίσουμε όλα τα ομοκαναλικά κύτταρα. Θα παρατηρήσουμε οτι γύρω από κάθε κύτταρο αναφοράς εκκινούν έξι αλυσίδες εξαγώνων με διαφορετικές κατευθύνσεις οι οποίες βέβαια καταλήγουν στα ομοκαναλικά του κύτταρα. 70

71 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.12 Διαδικασία προσδιορισμού ομοκαναλικών κυττάρων για κυτταρικό συγκρότημα με Ν=19 Αποδεικνύεται οτι ο αριθμός των κυττάρων που δομούν το υπερκύτταρο συνδέεται με τις παραμέτρους μετατόπισης σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο, ο οποίος υπολογίζει τις επιτρεπτές τιμές του Ν. N=i 2 +i*j+ j 2 (2.2) Για διάφορες τιμές των θετικών ακεραίων i και j οδηγούμαστε σε διαφορετικές δομές cluster. Ο πίνακας που ακολουθεί δείχνει μερικά μεγέθη υπερκυττάρων συναρτήσει των παραμέτρων μετατόπισης. Παράμετροι μετατόπισης Μέγεθος υπερκυττάρου (cluster size) i=0 j=1 N=1 i=1 j=1 N=3 i=0 j=2 N=4 i=1 j=2 N=7 i=0 j=3 N=9 i=2 j=2 N=12 Πίνακας 2.1 Χαρακτηριστικά μεγέθη κυτταρικών συγκροτημάτων για διάφορες τιμές των παραμέτρων μετατόπισης i,j. Η δεύτερη πολύ σημαντική παράμετρος που πρέπει να υπολογίσουμε είναι η απόσταση επαναχρησιμοποίησης, δηλαδή η απόσταση που πρέπει να υπάρχει ανάμεσα σε δύο κύτταρα που χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες. Η απόσταση επαναχρησιμοποίησης υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση: 71

72 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Όπου: D= απόσταση των κέντρων δύο διαδοχικών ομοκαναλικών κυττάρων R= ακτίνα του κυττάρου Ν= μέγεθος υπερκυττάρου Με βάση τον τύπο 2.3 παρατηρούμε οτι η απόσταση επαναχρησιμοποίησης είναι ανάλογη του μεγέθους του κυτταρικού συγκροτήματος. Εάν επιλέξουμε μεγάλο Ν τότε αυξάνουμε την απόσταση μεταξύ των ομοκαναλικών κυττάρων. Με αυτόν τον τρόπο μειώνουμε την ομοκαναλική παρεμβολή εις βάρος όμως του διαθέσιμου φάσματος. Αντιθέτως εάν μικρύνουμε το Ν τότε τα ομοκαναλικά κύτταρα έρχονται πιο κοντά μεταξύ τους και η παρεμβολή ενισχύεται. Η επιλογή του αριθμού των κυττάρων που δομούν το cluster είναι καθαρά θέμα των περιορισμών που τίθενται για την ομοκαναλική παρεμβολή. Με βάση τα όσα αναλύθηκαν για την κυτταρική κάλυψη και την επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων διαπιστώνουμε οτι η χωρητικότητα του κυτταρικού δικτύου εξαρτάται άμεσα από τον αριθμό των κυττάρων κάλυψης και τον αριθμό των διαθέσιμων συχνοτήτων του κάθε κυττάρου. 2.5 Τεχνικές καταχώρησης συχνοτήτων Οι τεχνικές καταχώρησης συχνοτήτων αναπτύχθηκαν με σκοπό την όσο το δυνατόν πιο βέλτιστη εκμετάλλευση και διαχείριση των περιορισμένων πόρων έτσι ώστε να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση και προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή, την παρεμβολή γειτονικού καναλιού και την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Μέσω των τεχνικών αυτών τα κανάλια καταχωρούνται στα κύτταρα με βάση την κατανομή της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και τις απαιτήσεις των συνδρομητών για πρόσβαση στις υπηρεσίες του δικτύου. Οι τεχνικές καταχώρησης που θα αναλύσουμε στην ενότητα αυτή είναι οι εξής: Σταθερή καταχώρηση συχνοτήτων (Fixed Channel Assignment-FCA) Δυναμική καταχώρηση συχνοτήτων (Dynamic Channel Assignment-DCA) Υβριδική καταχώρηση συχνοτήτων (Hybrid Channel Assignment-HCA) Σταθερή καταχώρηση συχνοτήτων (Fixed Channel Assignment-FCA) Στην τεχνική της σταθερής καταχώρησης (FCA) οι διαθέσιμες συχνότητες χωρίζονται σε ομάδες και σε κάθε κύτταρο ανατίθεται από μία ομάδα. Αυτό σημαίνει οτι συγκεκριμένα κανάλια καταχωρούνται σε συγκεκριμένα κύτταρα. Ο τρόπος καταχώρησης χαρακτηρίζεται από στατικότητα και δεν μπορεί να αλλάξει. 72

73 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Προκειμένου να εξασφαλιστεί υψηλή απόδοση λειτουργίας του δικτύου πρέπει η καταχώρηση να πραγματοποιηθεί με τέτοιο τρόπο που θα μεγιστοποιείται η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων δηλαδή η απόσταση μεταξύ των διαδοχικών ομοκαναλικών κυττάρων να είναι η ελάχιστη. Η τεχνική FCA μπορεί να διακριθεί σε ομοιόμορφη και σε μη ομοιόμορφη. Στην ομοιόμορφη FCA θεωρούμε οτι οι συνδρομητές κατανέμονται ομοιόμορφα και το κάθε κύτταρο έχει την ίδια χωρητικότητα. Έτσι οι S διαθέσιμες συχνότητες χωρίζονται στα Ν κύτταρα του υπερκυττάρου με το κάθε κύτταρο να λαμβάνει προς χρήση S/N συχνότητες. Στην περίπτωση της μη ομοιόμορφης FCA εντοπίζουμε τα κύτταρα τα οποία έχουν υψηλή χωρητικότητα (αφού πλέον η συνδρομητική κίνηση δεν ακολουθεί την ομοιόμορφη κατανομή) και καταχωρούμε σε αυτά έναν μεγαλύτερο αριθμό συχνοτήτων. Και στις δύο περιπτώσεις όμως η τεχνική FCA στηρίζεται στην υπόθεση οτι η συνδρομητική κίνηση παραμένει σταθερή και δεν παρουσιάζει διακυμάνσεις. Έτσι σε μία αύξηση του συνδρομητικού φορτίου όταν σε ένα κύτταρο όλοι οι πόροι θα είναι δεσμευμένοι οι επιπλέον χρήστες που θα επιχειρήσουν να αποκτήσουν πρόσβαση στο δίκτυο δεν θα μπορούν να εξυπηρετηθούν ακόμα και αν υπάρχουν αρκετά διαθέσιμα κανάλια σε γειτονικά κύτταρα. Το μειονέκτημα αυτό της συγκεκριμένης τεχνικής δημιουργεί ανομοιομορφία στον βαθμό εξυπηρέτησης (GoS) του δικτύου αφού θα υπάρχουν κύτταρα όπου λόγω αυξημένης συνδρομητικής κίνησης αλλά και του περιορισμού της FCA τεχνικής θα παρουσιάζουν υψηλότερη συμφόρηση από αυτή που ορίστηκε από τις προδιαγραφές στη σχεδίαση Δυναμική καταχώρηση συχνοτήτων (Dynamic Channel Assignment-DCA) Η τεχνική της δυναμικής καταχώρησης των συχνοτήτων (DCA) αναπτύχθηκε προκειμένου να επιλυθούν τα προβλήματα που προέκυπταν λόγω της μεταβαλλόμενης συνδρομητικής κίνησης, της ανομοιογένειας της χωρητικότητας και της πολυεπίπεδης σχεδίασης των κυτταρικών δικτύων. Με βάση την τεχνική DCA ο τρόπος καταχώρησης των καναλιών δεν είναι στατικός αλλά δυναμικός. Πλέον τα διαθέσιμα κανάλια δεν αντιστοιχούν σε συγκεκριμένους σταθμούς βάσης αλλά κάθε σταθμός μπορεί θεωρητικώς να τα χρησιμοποιήσει όλα. Η καταχώρηση πραγματοποιείται με τη χρήση καθορισμένων αλγορίθμων. Πιο συγκεκριμένα όλες οι διαθέσιμες συχνότητες (κανάλια) βρίσκονται σε μία βάση δεδομένων. Όταν απαιτηθεί η χρήση κάποιου καναλιού, με βάση συγκεκριμένα κριτήρια, επιλέγεται η πρώτη διαθέσιμη συχνότητα για καταχώρηση στην κυψέλη εξυπηρέτησης. Με την τεχνική αυτή επιτυγχάνεται αποτελεσματικότερη διαχείριση του φάσματος των συχνοτήτων σε σχέση με την τεχνική FCA, ιδίως όταν υπάρχει ανομοιόμορφη κατανομή του προσφερόμενου συνδρομητικού φορτίου. Και στην περίπτωση της συγκεκριμένης τεχνικής θα πρέπει η καταχώρηση των συχνοτήτων να εξασφαλίζει την τήρηση του κριτηρίου που διέπει την επαναχρησιμοποίηση των πόρων. Ωστόσο η μέθοδος DCA έχει δύο σημαντικά μειονεκτήματα: 73

74 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Οι τεχνικές DCA εμφανίζουν έναν βαθμό τυχαιότητας με συνέπεια να μην επιτυγχάνεται πάντα η μεγιστοποίηση της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων σε σχέση με την FCA. Η DCA τεχνική απαιτεί για την υλοποίησή της πολύπλοκους αλγορίθμους και μεγάλη υπολογιστική ισχύ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία αντίστοιχης καθυστέρησης ως προς την διάθεση του ζητούμενου καναλιού για την εξυπηρέτηση του συνδρομητή Υβριδική καταχώρηση συχνοτήτων (Hybrid Channel Assignment-HCA) Η τεχνική της υβριδικής καταχώρησης των συχνοτήτων συνδυάζει τα χαρακτηριστικά των τεχνικών FCA και DCA. Στο πλαίσιο της αποτελεσματικής εξυπηρέτησης των συνδρομητών και της υψηλής απόδοσης λειτουργίας του δικτύου από το πλήθος των διαθέσιμων καναλιών ένα μέρος τους καταχωρείται με βάση την τεχνική FCA και τα υπόλοιπα διατίθενται προς χρήση με δυναμικό τρόπο όπως ορίζει η τεχνική DCA. Για παράδειγμα μεγάλα κινητά δίκτυα που χρησιμοποιούν την μέθοδο HCA δεσμεύουν σταθερές συχνότητες για συνδρομητές με αυξημένες επικοινωνιακές ανάγκες ούτως ώστε να μην τίθενται εκτός δικτύου λόγω συμφόρησης αλλά να έχουν τις υπηρεσίες οποιαδήποτε χρονική στιγμή κριθεί αναγκαίο ενώ οι υπόλοιπες διαθέσιμες συχνότητες ανατίθενται δυναμικά στους υπόλοιπους συνδρομητές του παρόχου ανάλογα με την προτεραιότητα που έχει τεθεί στα συμβόλαια παροχής υπηρεσιών. Μία περίπτωση υβριδικής καταχώρησης είναι ο δανεισμός καναλιών (Channel Borrowing). Σύμφωνα με την τεχνική του δανεισμού τα κανάλια εκχωρούνται στα κύτταρα όπως ορίζει η τεχνική FCA. Όταν απαιτηθεί χρήση επιπλέον καναλιού (όταν παρουσιαστεί συμφόρηση στο συγκεκριμένο κύτταρο) τότε διερευνάται η περίπτωση δανεισμού του από μία γειτονική κυψέλη στην οποία ενδεχομένως να υπάρχουν ελεύθερα κανάλια την συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Μετά το πέρας της εξυπηρέτησης του συνδρομητή το δανεισθέν κανάλι επιστρέφει στην κυψέλη από την οποία προήλθε. Υπάρχουν δύο παραλλαγές της τεχνικής του δανεισμού καναλιών: Ήπιος δανεισμός (Soft Borrowing) Εξαναγκασμένος δανεισμός (Forced Borrowing) Στην περίπτωση του ήπιου δανεισμού ισχύουν όλα όσα αναφέραμε στην τεχνική HCA για τον δανεισμό καναλιού. Όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο κανάλι για χρήση σε κάποια από τις γειτονικές κυψέλες μοιραία οδηγούμαστε σε διακοπή της επικοινωνίας. Στην περίπτωση του εξαναγκασμένου δανεισμού καθοριστικό ρόλο διαδραματίζει η προτεραιότητα που έχουν οι συνδρομητές στην παροχή των υπηρεσιών (π.χ. ανάλογα με το πάγιο). Ας υποθέσουμε για παράδειγμα οτι κάποιος χρήστης με υψηλή 74

75 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών προτεραιότητα απαιτεί διαθέσιμο κανάλι, είτε για να εκκινήσει μία συνομιλία είτε στην περίπτωση της μεταγωγής, όμως στο κύτταρο όπου βρίσκεται επικρατεί συμφόρηση. Εάν υπάρχει ελεύθερο κανάλι σε κάποια γειτονική κυψέλη το κανάλι αυτό δανείζεται για την εξυπηρέτησή του. Σε περίπτωση τώρα που δεν υπάρχει ελεύθερο κανάλι τότε το δίκτυο εξαναγκάζει το σταθμό βάσης κάποιου γειτονικού κυττάρου να διακόψει την παροχή υπηρεσιών σε κάποιον χρήστη με μικρότερη προτεραιότητα και να δανείσει το κανάλι αυτό στον συνδρομητή με την υψηλότερη προτεραιότητα που το απαίτησε. Όπως και στις προηγούμενες τεχνικές έτσι και σε αυτήν την περίπτωση ο δανεισμός των καναλιών θα πρέπει να είναι συνεπής με τα κριτήρια της επαναχρησιμοποίησης των πόρων και να διασφαλίζεται η ελαχιστοποίησης των παρεμβολών και της πιθανότητας των αποτυχημένων κλήσεων Θεμελιώδεις αρχές των τεχνικών καταχώρησης συχνοτήτων Όλες οι μέθοδοι καταχώρησης (FCA, DCA, HCA, Channel Borrowing) αποσκοπούν στη βέλτιστη διαχείριση του περιορισμένου φάσματος των συχνοτήτων με την κάθε μία να διέπεται από τα δικά της χαρακτηριστικά. Ωστόσο άπαντες θα πρέπει να τηρούν κάποιες θεμελιώδεις αρχές για την καταχώρηση των συχνοτήτων. Οι αρχές αυτές είναι οι εξής: 1. Οι μέθοδοι καταχώρησης δεν θα πρέπει να διαταράσσουν τις συνθήκες για την ελάχιστη απόσταση της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. 2. Οι μέθοδοι αυτές θα πρέπει να προσαρμόζονται με τις συνθήκες αλλαγών και τις μεταβολές του προσφερόμενου συνδρομητικού φορτίου. 3. Οι τεχνικές καταχώρησης θα πρέπει να διασφαλίζουν την καλύτερη και όσο το δυνατόν αποδοτικότερη αξιοποίηση και διαχείριση των περιορισμένων πόρων του δικτύου και την υψηλή απόδοσή του. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η απόδοση της κάθε τεχνικής ως προς το GoS και το προσφερόμενο φορτίο κίνησης. Είναι χαρακτηριστικό ότι η μέθοδος FCA εκτινάσσει το Blocking Probability (GoS) ακόμα και για μικρό φορτίο κίνησης. Αντίθετα οι τεχνικές HCA και ιδίως η HCA με forced borrowing χαρακτηρίζονται από πολύ μικρό GoS για μεγάλο συνδρομητικό φορτίο. 75

76 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.13 Σύγκριση μεταξύ των τεχνικών καταχώρησης συχνοτήτων 2.6 Πρόσβαση στα κυτταρικά δίκτυα κινητών επικοινωνιών Τεχνική Duplexing Στη διάρκεια της χρήσης της φορητής μας συσκευής θα έχουμε παρατηρήσει οτι κατά τη συνομιλία μας μπορούμε να ακούμε τον συνομιλητή μας και ταυτόχρονα να του μιλάμε. Η δυνατότητα της ταυτόχρονης αποστολής και λήψης πληροφοριών είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό που προσφέρουν τα σύγχρονα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών. Η τεχνολογία αυτή ονομάζεται duplexing και υλοποιείται με δύο τεχνικές: Τεχνική φασματικής διαίρεσης (Frequency Division Duplex-FDD) Τεχνική χρονικού διαμοιρασμού (Time Division Duplex-TDD) Τεχνική φασματικής διαίρεσης (Frequency Division Duplex-FDD) Σύμφωνα με την τεχνική της φασματικής διαίρεσης (FDD) στον κάθε συνδρομητή παραχωρούνται δύο ξεχωριστές ζώνες συχνοτήτων. Η μία ζώνη ονομάζεται άνω ή ανερχόμενη ζεύξη (uplink) και χρησιμοποιείται για την επικοινωνία της φορητής συσκευής με το σταθμό βάσης και η άλλη ζώνη ονομάζεται κάτω ή κατερχόμενη ζεύξη (downlink) για την επικοινωνία του σταθμού βάσης με τη φορητή συσκευή. Μεταξύ των δύο αυτών ζωνών συχνοτήτων παρεμβάλλεται μία ζώνη ασφαλείας (guard band) στο φάσμα για την απομόνωση του uplink και του downlink. Στην κάθε ζεύξη το κανάλι που χρησιμοποιεί ο χρήστης είναι μονής κατευθύνσεως. Για την λειτουργία της τεχνικής FDD απαιτείται συσκευή που ονομάζεται duplexer στην φορητή συσκευή και στον σταθμό βάσης για την επίτευξη ταυτόχρονης αποστολής και λήψης των πληροφοριών. 76

77 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Τεχνική χρονικού διαμοιρασμού (Time Division Duplex-TDD) Στην τεχνική του χρονικού διαμοιρασμού (TDD) για την διάκριση μεταξύ της ανερχόμενης και κατερχόμενης ζεύξης χρησιμοποιείται ο χρόνος και πιο συγκεκριμένα οι χρονοθυρίδες (timeslots) αντί της συχνότητας που είχαμε στην FDD. Η τεχνική αυτή μπορεί να υλοποιηθεί και χωρίς τη χρήση των duplexers αρκεί μεταξύ των χρονοθυρίδων που χρησιμοποιούνται για εκπομπή και λήψη να εισάγουμε μία χρονική διαφορά η οποία βέβαια δεν γίνεται αντιληπτή από τον συνδρομητή Συστήματα κινητών επικοινωνιών Στα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών παρέχεται η δυνατότητα σε περισσότερους από έναν συνδρομητές να έχουν πρόσβαση και να χρησιμοποιούν το κοινό μέσοκανάλι για την μετάδοση των σημάτων τους. Ωστόσο θα πρέπει τα αντίστοιχα σήματα να μπορούν να διακρίνονται μεταξύ τους έτσι ώστε να καθίσταται εφικτή η επικοινωνία και η ελαχιστοποίηση των παρεμβολών. Η πολλαπλή πρόσβαση των συνδρομητών στο κινητό δίκτυο και η διάκριση των σημάτων τους επιτυγχάνεται με τη χρήση των τεχνικών πολλαπλής πρόσβασης. Υπάρχουν τρείς κύριες τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης που επιτρέπουν στους χρήστες να μεταδίδουν ταυτόχρονα: Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση συχνότητας (Frequency Division Multiple Access-FDMA) Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiple Access-TDMA) Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση κώδικα (Code Division Multiple Access-CDMA) Ανάλογα με την τεχνική πρόσβασης που χρησιμοποιείται για να μοιραστεί το διαθέσιμο εύρος ζώνης του συστήματος τα συστήματα διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Συστήματα περιορισμένης ζώνης (Νarrow Band systems) Συστήματα ευρείας ζώνης (Wide Band systems) Θα ξεκινήσουμε την ανάλυση από τις δύο κατηγορίες των συστημάτων και εν συνεχεία θα αναφερθούμε και στις τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης Συστήματα περιορισμένης ζώνης (Νarrow Band systems) Στα συστήματα περιορισμένης ζώνης το διαθέσιμο φάσμα διαιρείται σε ένα μεγάλο αριθμό από ραδιοδιαύλους με στενό εύρος ζώνης ο καθένας από αυτούς. Η χρήση στενοζωνικών ραδιοδιαύλων αυξάνει τον αριθμό των διαθέσιμων συχνοτήτων για επικοινωνία αφού όσο πιο στενό το εύρος της κάθε συχνότητας τόσο μεγαλύτερος θα είναι και ο αριθμός τους για μία συγκεκριμένη περιοχή φάσματος. Όμως στα 77

78 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών συστήματα αυτά εμφανίζονται αρκετά προβλήματα παρεμβολών που έχουν αντίκτυπο στην ποιότητα της επικοινωνίας και στην απόδοση του συστήματος. Οι τεχνικές πρόσβασης που χρησιμοποιούνται στα συστήματα αυτά είναι οι FDMA και TDMA οι οποίες σε συνδυασμό με την τεχνικές duplexing δημιουργούν τα εξής συστήματα: Συστήματα περιορισμένης ζώνης FDMA/FDD Συστήματα περιορισμένης ζώνης FDMA/TDD Συστήματα περιορισμένης ζώνης TDMA/FDD Συστήματα περιορισμένης ζώνης TDMA/TDD Συστήματα ευρείας ζώνης (Wide Band systems) Στα συστήματα ευρείας ζώνης ή αλλιώς διασποράς φάσματος προκαλείται στο εκπεμπόμενο σήμα διασπορά (ή διάχυση) σε μία ευρεία ζώνη συχνοτήτων η οποία είναι πολύ ευρύτερη από το ελάχιστο εύρος ζώνης που απαιτείται για τη μετάδοση του σήματος. Η διαδικασία αυτή επιτυγχάνεται διαμορφώνοντας την υπό μετάδοση πληροφορία με ένα κωδικοποιημένο σήμα ευρείας ζώνης. Με την τεχνική της διασποράς φάσματος επιτυγχάνουμε αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου, μείωση της εξασθένισης του σήματος λόγω του φαινομένου της πολυόδευσης, μεγαλύτερη προστασία από τις παρεμβολές και βελτίωση της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών (QoS). Η τεχνική πρόσβασης που χρησιμοποιείται στα συστήματα ευρείας ζώνης είναι η CDMA Τεχνικές πρόσβασης Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση συχνότητας (Frequency Division Multiple Access-FDMA) Στην τεχνική πρόσβασης FDMA το διαθέσιμο φάσμα για την λειτουργία του συστήματος διαιρείται σε έναν αριθμό από στενοζωνικές φέρουσες συχνότητες. Όταν κάποιος χρήστης απαιτήσει πρόσβαση στο σύστημα τότε του ανατίθεται προς αποκλειστική χρήση ένα μοναδικό φάσμα από το συνολικό διαθέσιμο δηλαδή δεσμεύει μία συχνότητα. Η δέσμευση της συγκεκριμένης συχνότητας διατηρείται καθ όλη τη χρονική διάρκεια της εξυπηρέτησης του συνδρομητή και αφορά μόνο τον συγκεκριμένο συνδρομητή. Οι χρήστες που χρησιμοποιούν το κοινό κανάλι ταυτόχρονα διαχωρίζονται μεταξύ τους στο πεδίο της συχνότητας. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνεται ένα FDMA σύστημα με τρείς χρήστες. 78

79 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.14 Τεχνική FDMA Ο αριθμός των ταυτόχρονων συνδρομητών που μπορεί να εξυπηρετήσει το σύστημα ισούται με τον συνολικό αριθμό των συχνοτήτων του. Αυτό σημαίνει οτι εάν θέλουμε να αυξήσουμε τη χωρητικότητα του συστήματος θα πρέπει να διαιρέσουμε το διαθέσιμο φάσμα σε όσο το δυνατόν πιο στενές και πιο πολλές φέρουσες συχνότητες ή οτι θα πρέπει να διαθέσουμε μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Από την άλλη όταν μία συχνότητα-κανάλι δεν αξιοποιείται δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει το ρυθμό μετάδοσης ή να βοηθήσει το σύστημα αλλά παραμένει ένας ανενεργός πόρος ο οποίος σπαταλάται στο μεγαλύτερο χρονικό διάστημα της επικοινωνίας. Επομένως οι περιορισμένοι διαθέσιμοι πόροι αλλά και ο τρόπος διαχείρισής τους με την τεχνική FDMA οδηγούν το σύστημα γρήγορα στον κορεσμό και θέτουν πολύ χαμηλό όριο στην χωρητικότητα. Τα πλεονεκτήματα της τεχνικής FDMA είναι η χαμηλού κόστους υλοποίηση για τις φορητές συσκευές και το γεγονός οτι δεν απαιτεί ιδιαίτερα κυκλώματα συγχρονισμού μεταξύ των σταθμών βάσης και των φορητών μονάδων όπως η τεχνική TDMA. Αντίθετα το κόστος του σταθμού βάσης είναι υψηλό αφού απαιτούνται τόσοι πομποί και δέκτες όσες είναι και οι συχνότητες που διαχειρίζεται ο σταθμός βάσης καθώς και πολύ καλά και αποτελεσματικά φίλτρα για την αποβολή της περιβάλλουσας από γειτονικές φέρουσες συχνότητες. Ένα ακόμα μειονέκτημα είναι η υψηλή κατανάλωση ισχύος. Η FDMA τεχνική χρησιμοποιήθηκε στα παλιά αναλογικά συστήματα κινητών επικοινωνιών Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiple Access- TDMA) Στην τεχνική πρόσβασης TDMA το διαθέσιμο φάσμα διαιρείται σε χρονικά τμήματα που ονομάζονται χρονοθυρίδες (timeslots). Όταν κάποιος χρήστης απαιτήσει πρόσβαση στο δίκτυο για αποστολή ή λήψη δεδομένων καταλαμβάνει μία συγκεκριμένη χρονοθυρίδα στην οποία του επιτρέπεται να μεταδώσει. Οι 79

80 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών χρονοθυρίδες έχουν πολύ μικρή χρονική διάρκεια και επαναλαμβάνονται συνεχώς με κυκλικό τρόπο. Αυτό σημαίνει οτι η κάθε φορητή συσκευή αναμένει μέχρι να έρθει η σειρά της να εκπέμψει, περιμένοντας όλους τους άλλους χρήστες να εκπέμψουν τα δικά τους σήματα. Όταν έρθει η σειρά του χρήστη μεταδίδει για όσο χρόνο διαρκεί η χρονοθυρίδα και εν συνεχεία διακόπτεται πάλι η μετάδοση μέχρις ότου επανέλθει η σειρά της χρονοθυρίδας του. Στην τεχνική TDMA επομένως η μετάδοση των δεδομένων του συνδρομητή δεν είναι συνεχής αλλά διακοπτόμενη και πραγματοποιείται υπό μορφή διακριτών ριπών (χρονοθυρίδων). Ωστόσο ο χρήστης δεν αντιλαμβάνεται την διακοπή αυτή διότι οι εναλλαγές των χρονοθυρίδων πραγματοποιούνται σε πολύ γρήγορο ρυθμό με αποτέλεσμα η μετάδοση να φαίνεται συνεχής. Ο τρόπος αυτός μετάδοσης επιτυγχάνει μικρή κατανάλωση των μπαταριών των φορητών συσκευών και παρέχει τη δυνατότητα στο σταθμό βάσης να εξυπηρετεί πολλούς χρήστες με έναν μόνο πομποδέκτη. Πολλές μαζί χρονοθυρίδες ομαδοποιούνται και δημιουργούν ένα πλαίσιο TDMA. Ο αριθμός των χρονοθυρίδων του πλαισίου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως είναι η τεχνική της διαμόρφωσης κ.α. Σε ένα TDMA πλαίσιο μπορούν να εξυπηρετηθούν ταυτόχρονα τόσοι συνδρομητές όσες είναι και οι χρονοθυρίδες του πλαισίου. Ο ρυθμός της κάθε χρονοθυρίδας υποβιβάζεται κατά τον αριθμό των χρονοθυρίδων του πλαισίου. Για παράδειγμα αν ο ρυθμός μετάδοσης της μίας χρονοθυρίδας είναι 10kbps και έχουμε Ν χρονοθυρίδες στο TDMA πλαίσιο τότε ο ρυθμός μετάδοσης του πλαισίου θα είναι 10kbps*N. Ο ρυθμός μετάδοσης δεν είναι δεσμευτικός αφού σε ένα σύστημα TDMA υπάρχει η δυνατότητα της επαύξησης του ρυθμού μετάδοσης του συνδρομητή με τη δέσμευση περισσοτέρων της μίας χρονοθυρίδων όταν αυτό απαιτηθεί, δυνατότητα η οποία δεν προσφέρεται στην FDMA τεχνική. Ο τρόπος διαχείρισης του φάσματος με την μέθοδο TDMA οδηγεί σε συστήματα με υψηλή χωρητικότητα και φασματική απόδοση γι αυτό και η τεχνική αυτή αξιοποιείται ευρέως στα ψηφιακά δίκτυα κινητών επικοινωνιών. Μειονέκτημα αποτελεί το γεγονός οτι απαιτούνται ιδιαίτερα κυκλώματα πομποδεκτών με πολύ καλό συγχρονισμό ώστε λόγω της ασυνέχειας στη μετάδοση να υπάρχει σωστή τήρηση των χρονοθυρίδων και διάβασμα των δεδομένων τους. Συνήθως η τεχνική TDMA χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με την FDMA. Στα συστήματα FDMA/TDMA το διαθέσιμο φάσμα διαιρείται σε έναν αριθμό από στενοζωνικές φέρουσες συχνότητες και έπειτα κάθε συχνότητα διαιρείται σε ένα αριθμό από χρονοθυρίδες. Με αυτόν τον τρόπο πολλοί χρήστες έχουν την δυνατότητα να χρησιμοποιούν το κοινό μέσο στην ίδια συχνότητα αλλά να διαχωρίζονται μεταξύ τους στο πεδίο του χρόνου. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνεται ένα σύστημα FDMA/TDMA. 80

81 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.15 Τεχνική FDMΑ/TDMA Αξίζει να παρατηρήσουμε οτι με την τεχνική FDMA μπορούσαμε να εξυπηρετήσουμε μόνο τρείς συνδρομητές ταυτόχρονα (Σχήμα 2.14) ενώ με την τεχνική FDMA/TDMA (Σχήμα 2.15) επιτυγχάνουμε αυξάνουμε την χωρητικότητα του συστήματος κατά τρείς φορές Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση κώδικα (Code Division Multiple Access-CDMA) Στην τεχνική πρόσβασης CDMA το εύρος των συχνοτήτων είναι κοινό για όλους τους χρήστες. Οι συνδρομητές μπορούν να χρησιμοποιούν ταυτόχρονα το κοινό μέσο τόσο στο πεδίο της συχνότητας όσο και στο πεδίο του χρόνου. Ο διαχωρισμός μεταξύ τους επιτυγχάνεται μέσω ενός κωδικού πρόσβασης. Ο κάθε χρήστης κωδικοποιεί τα σήματά του με έναν μοναδικό κωδικό. Οι κωδικοί αυτοί είναι προσεχτικά σχεδιασμένοι και χαρακτηρίζονται από την ιδιότητα της ορθογωνιότητας. Η πολύ βασική αυτή ιδιότητα των κωδικών επιτρέπει στα σήματα από διαφορετικούς χρήστες να παραμένουν ανεξάρτητα μεταξύ τους. Αυτό δίνει τη δυνατότητα στον δέκτη εφαρμόζοντας τον μοναδικό του κωδικό να αποκωδικοποιεί τα σήματα ενός μόνο χρήστη και να εξαλείφει τα σήματα όλων των υπόλοιπων χρηστών. Στα κυτταρικά δίκτυα κινητών επικοινωνιών που χρησιμοποιούν την τεχνική CDMA για πρόσβαση όλα τα κύτταρα μπορούν να χρησιμοποιούν όλες οι διαθέσιμες συχνότητες και το μέγεθος του υπερκυττάρου να είναι Ν=1. Αυτό δεν επιτρεπόταν στις τεχνικές FDMA και TDMA όπου η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων απαιτεί μία επαρκή απόσταση μεταξύ των ομοκαναλικών κυττάρων για την ελαχιστοποίησης της ομοκαναλικής παρεμβολής. Με την χρήση της CDMA επιτυγχάνεται προστασία από παρεμβολές λόγω πολλαπλών διαδρομών του σήματος και δεν τίθεται ουσιαστικά όριο στη χωρητικότητα του δικτύου. Αυτό συνεπάγεται οτι δεν υπάρχει περιορισμός στον αριθμό των συνδρομητών που μπορούν να εξυπηρετηθούν από το δίκτυο. Τα μειονεκτήματα της CDMA μεθόδου αφορούν την 81

82 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών πολυπλοκότητα στην εφαρμογή αλλά και την ανάγκη για έλεγχο της ισχύος. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνεται η εφαρμογή της τεχνικής CDMA. Σχήμα 2.16 Τεχνική CDMA Δύο ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα που αξιοποιούν την τεχνική CDMA είναι τα εξής: CDMA ευθείας ακολουθίας (Direct Sequence CDMA-DS/CDMA) CDMA με μεταπήδηση συχνότητας (Frequency Hopping CDMA-FH/CDMA) CDMA ευθείας ακολουθίας (Direct Sequence CDMA-DS/CDMA) Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούμε την τεχνική της φασματικής εξάπλωσης άμεσης ή ευθείας ακολουθίας (Direct Sequence Spread Spectrum-DSSS). Η διαμόρφωση της φασματικής εξάπλωσης αποτελεί μία τεχνική μετάδοσης στην οποία ένας ψευδοτυχαίος και ανεξάρτητος από σήμα πληροφοριών κώδικας εφαρμόζεται ως κυματομορφή διαμόρφωσης και προκαλεί την εξάπλωση του σήματος σε ένα εύρος ζώνης πολύ μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης του σήματος που θέλουμε να μεταδώσουμε. Στο σύστημα DS/CDMA κάθε ζεύγος πομπού και δέκτη χρησιμοποιούν την ίδια ψευδοτυχαία ακολουθία. Στην μεριά του πομπού το σήμα πολλαπλασιάζεται με την ψευδοτυχαία ακολουθία η οποία είναι μεγαλύτερης συχνότητας και το φάσμα του εξαπλώνεται. Στη συνέχεια ο δέκτης πολλαπλασιάζει το λαμβανόμενο σήμα με την ίδια ψευδοτυχαία ακολουθία (ή κώδικα). Το αποτέλεσμα που προκύπτει είναι λόγω της ορθογωνιότητας των κωδικών της CDMA τεχνικής για την ζητούμενη πληροφορία το φάσμα συρρικνώνεται ενώ για τους υπόλοιπους κωδικούς μηδενίζεται. Η προστασία επομένως από τις παρεμβολές εξασφαλίζεται χρησιμοποιώντας τη θεωρία της κωδικοποίησης όπου κάθε bit υποδιαιρείται σε v chips. Για το bit 1 εκπέμπεται ο κώδικας μετάδοσης ενώ για το bit 0 το συμπλήρωμα του κώδικα. Με την τεχνική αυτή ο κάθε χρήστης μεταδίδει πάνω 82

83 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών από όλο το διαθέσιμο φάσμα. Στα σχήματα που ακολουθούν φαίνεται η διαδικασία της συμπίεσης και της αποσυμπίεσης του σήματος, η δυνατότητα της πολλαπλής πρόσβασης χρησιμοποιώντας όλο το διαθέσιμο φάσμα και η προστασία από την παρεμβολή. Σχήμα 2.17 Διαδικασία συμπίεσης και αποσυμπίεσης του σήματος Σχήμα 2.18 Δυνατότητα πολλαπλής πρόσβασης Σχήμα 2.19 Προστασία του σήματος από την παρεμβολή 83

84 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών CDMA με μεταπήδηση συχνότητας (Frequency Hopping CDMA- FH/CDMA) Το σύστημα FH/CDMA χρησιμοποιεί την τεχνική της φασματικής εξάπλωσης με αναπήδηση συχνότητας. (Frequency Hopping Spread Spectrum- FHSS). Στην περίπτωση αυτή το διαθέσιμο εύρος ζώνης για τη λειτουργία του συστήματος διαιρείται σε έναν αριθμό από συχνότητες. Στη συνέχεια το σήμα μεταπηδά από συχνότητα σε συχνότητα όπου στην κάθε συχνότητα παραμένει για κάποιο χρονικό διάστημα. Ο ι μεταπηδήσεις των συχνοτήτων πραγματοποιούνται σύμφωνα με μία ψευδοτυχαία ακολουθία και ενώ ο πομπός βρίσκεται σε συγχρονισμό με το δέκτη. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται ένα σύστημα FH/CDMA. Σχήμα 2.20 Σύστημα FH/CDMA 2.7 Παρεμβολές στα κυτταρικά δίκτυα Το περιβάλλον στο οποίο λειτουργεί ένα κινητό δίκτυο χαρακτηρίζεται εχθρικό ως προς τη διάδοση του εκπεμπόμενου σήματος. Το μεταδιδόμενο σήμα υπόκειται σε σημαντική εξασθένιση εξαιτίας των απωλειών λόγω της διάδοσής του (Free Space Propagation Loss) αλλά και του φαινομένου της πολυόδευσης. Πέραν όμως αυτών των προβλημάτων που αντιμετωπίζονται ή ελαχιστοποιούνται με διάφορες τεχνικές το μεταδιδόμενο σήμα εκτίθεται και σε διάφορους τύπους παρεμβολών. Ως παρεμβολές ορίζονται τα ανεπιθύμητα σήματα που λαμβάνονται στον δέκτη και αλλοιώνουν τις πληροφορίες του επιθυμητού σήματος. Η ύπαρξη των παρεμβολών υποβαθμίζει την λειτουργία του συστήματος και περιορίζει σημαντικά την απόδοση του και την ποιότητα εξυπηρέτησης. Πηγές των παρεμβολών μπορεί να αποτελεί το 84

85 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών ίδιο το κυτταρικό σύστημα (για παράδειγμα η ταυτόχρονη εξυπηρέτηση των συνδρομητών που ανήκουν στο ίδιο ή γειτονικά κύτταρα) ή άλλα κυτταρικά συστήματα τα οποία συνυπάρχουν και λειτουργούν σε κοντινές φασματικά συχνότητες ή ακόμα και μη κυτταρικά συστήματα τα οποία ενδέχεται να παρεμβαίνουν μέσω αρμονικών συνιστωσών στο φάσμα λειτουργίας του συστήματος. Οι κυριότεροι τύποι παρεμβολών είναι οι εξής: Ομοκαναλική παρεμβολή (Co-Channel Interference) Παρεμβολή γειτονικού καναλιού (Adjacent Channel Interference) Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης (Intermodulation Interference) Ομοκαναλική παρεμβολή (Co-Channel Interference) Όπως έχουμε αναφέρει μία από τις βασικές έννοιες των κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών είναι η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων. Η επαναχρησιμοποίηση είναι αναγκαία γιατί καλύπτουμε τις αυξημένες ανάγκες για επικοινωνία των συνδρομητών και για σηματοδοσία και έλεγχο του δικτύου. Η παρεμβολή που προκαλείται από την επαναχρησιμοποίηση των ραδιοδιαύλων που έχουν την ίδια ονομαστική συχνότητα αλλά βρίσκονται καταχωρημένοι σε διαφορετικά κύτταρα του δικτύου ονομάζεται ομοκαναλική παρεμβολή. Η ομοκαναλική παρεμβολή αποτελεί την πιο ουσιαστική και σημαντική ηλεκτρομαγνητική διαταραχή στα κυτταρικά συστήματα. Παρατηρείται ανάμεσα σε σταθμούς βάσης αλλά και φορητές συσκευές που εκπέμπουν ή λαμβάνουν σήματα στις ίδιες ονομαστικές συχνότητες. Ας θωρήσουμε για παράδειγμα την πιο απλή περίπτωση ομοκαναλικής παρεμβολής όπου ένας συνδρομητής κινείται μέσα στο δίκτυο και λαμβάνει ταυτόχρονα δύο σήματα από δύο αντίστοιχους σταθμούς βάσης. Το ένα σήμα προέρχεται από το σταθμό βάσης στου οποίου το κύτταρο ευρίσκεται και εξυπηρετείται ενώ το δεύτερο σήμα προέρχεται από έναν σταθμό βάσης ο οποίος εκπέμπει στην ίδια φέρουσα συχνότητα, εξυπηρετεί κάποιον άλλον συνδρομητή και βρίσκεται σε κάποιο απομακρυσμένο κύτταρο. Στην κατάσταση αυτή το σήμα από τον μακρινό σταθμό βάσης παρεμβάλλεται και επιφέρει αλλοίωση στο επιθυμητό λαμβανόμενο σήμα υποβαθμίζοντας την ποιότητα της επικοινωνίας. Στο σχήμα που ακολουθεί σκιαγραφείται η περίπτωση που μόλις περιγράψαμε και δείχνεται με γραφικό τρόπο η έννοια της ομοκαναλικής παρεμβολής. 85

86 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.21 Δημιουργία ομοκαναλικής παρεμβολής Προκειμένου να αντιμετωπίσουμε την ομοκαναλική παρεμβολή θα μπορούσαμε να αυξήσουμε την ισχύ εκπομπής του σταθμού βάσης ούτως ώστε να επιτευχθεί αύξηση της ισχύος του λαμβανομένου σήματος έναντι της ισχύος της παρεμβολής. Η αύξηση της εκπεμπόμενης ισχύος όμως θα οδηγούσε και σε ταυτόχρονη ενίσχυση αφενός μεν των κυματικών φαινομένων (ανάκλαση,περίθλαση,πολυόδευση,διάθλαση) και αφετέρου της ισχύος της ομοκαναλικής παρεμβολής και της παρεμβολής γειτονικού καναλιού. Το αποτέλεσμα επομένως δεν θα ήταν το επιθυμητό. Η προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή και ο περιορισμός της σε αποδεκτά σύμφωνα με τις προδιαγραφές επίπεδα επιτυγχάνεται μέσα από την αυστηρή τήρηση του κριτηρίου της ελάχιστης απόστασης. Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό τα κύτταρα τα οποία χρησιμοποιούν τις ίδιες ονομαστικές συχνότητες πρέπει να απέχουν μεταξύ τους μία ελάχιστη απόσταση η οποία ονομάζεται απόσταση επαναχρησιμοποίησης (frequency reuse distance). Για ένα κυτταρικό σύστημα που χρησιμοποιεί εξαγωνικά κύτταρα με ακτίνα R για την κάλυψή του και το μέγεθος του υπερκυττάρου του είναι Ν αποδεικνύεται οτι η απόσταση επαναχρησιμοποίησης δίνεται από τον παρακάτω τύπο: 86

87 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.22 Απόσταση επαναχρησιμοποίησης (Re-use distance) με παράγοντα επαναχρησιμοποίησης 1/9 Μία άλλη πολύ σημαντική παράμετρος που λαμβάνεται πολύ σοβαρά υπόψην στην κυτταρική σχεδίαση και προκύπτει από την σχέση 2.4 είναι ο ομοκαναλικός λόγος ή αλλιώς λόγος ομοκαναλικής επαναχρησιμοποίησης ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο της απόστασης επαναχρησιμοποίησης D προς την ακτίνα του εξαγωνικού κυττάρου R. Το ομοκαναλικό πηλίκο Q είναι άμεσα συνυφασμένο με την ομοκαναλική παρεμβολή και πολλές φορές συνηθίζεται να αποκαλείται και παράγοντας μείωσης της ομοκαναλικής παρεμβολής. Από τον τύπο 2.5 παρατηρούμε οτι Q εξαρτάται άμεσα από το μέγεθος Ν του υπερκυττάρου. Διαφορετική τιμή του Ν μας δίνει έναν διαφορετικό λόγο Q. Καθώς το μέγεθος Ν του cluster μεγαλώνει η τιμή του ομοκαναλικού λόγου Q αυξάνεται. Στη συνέχεια της παρούσας ενότητας θα αποδείξουμε την επίδραση του ομοκαναλικού λόγου και του μεγέθους Ν του κυτταρικού συγκροτήματος στην στάθμη της ομοκαναλικής παρεμβολής που θα επηρεάσει το δίκτυο. Για να είμαστε σε θέση να εκτιμήσουμε το ποσοστό της επιτυχίας της κυτταρικής σχεδίασης ως προς την ρύθμιση της ομοκαναλικής παρεμβολής θα πρέπει να υπολογίσουμε το λόγο της ισχύος της φέρουσας συχνότητας (C) προς την παρεμβολή (I) C/I στην χειρότερη περίπτωση δηλαδή όταν η φορητή συσκευή βρίσκεται στα όρια του κυττάρου. Ο συνδρομητής εκτός από το επιθυμητό σήμα θα λαμβάνει ταυτόχρονα και ανεπιθύμητα σήματα από τα ομοκαναλικά κύτταρα που ευρίσκονται 87

88 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών γύρω από το κύτταρο αναφοράς στο οποίο υπολογίζουμε το λόγο C/I. Ο προσδιορισμός των ομοκαναλικών κυττάρων περιγράφηκε στην ενότητα της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. Σύμφωνα με αυτόν γύρω από κάθε κύτταρο αναφοράς υπάρχουν έξι ομοκαναλικά κύτταρα. Έχοντας ως αναφορά το σχήμα 2.23 θα υπολογίσουμε το λόγο C/I σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο. Σχήμα 2.23 Υπολογισμός του λόγου C/I υπό την επίδραση έξι ομοκαναλικών κυττάρων. όπου C είναι η ισχύς του επιθυμητού σήματος και Co κ κοστό ομοκαναλικό κύτταρο. το σήμα παρεμβολής από το Από την ασύρματη διάδοση γνωρίζουμε οτι η ελάττωση της ισχύος σε συνάρτηση με την απόσταση είναι της μορφής: 88

89 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Όπου: C: η ισχύς που λαμβάνεται από τη φορητή συσκευή P: η ισχύς που εκπέμπεται από το σταθμό βάσης d: η απόσταση ανάμεσα στη φορητή συσκευή και το σταθμό βάσης v: εκθέτης απωλειών Η τιμή του εκθέτη απωλειών (v) κυμαίνεται στο διάστημα 2<=v<=5. Για διάδοση στον ελεύθερο χώρο το v=2 ενώ για αστικό περιβάλλον πόλης επιλέγουμε v=4. Αντικαθιστούμε την σχέση 2.7 στον τύπο 2.6 και λαμβάνουμε τον παρακάτω τύπο: Στον τύπο 2.8 το Po είναι η ισχύς εκπομπής του κυττάρου αναφοράς στο οποίο υπολογίζουμε το λόγο C/I, το Pκ είναι η ισχύς εκπομπής του κάθε ενός από τα έξι ομοκαναλικού κυττάρου, do είναι η απόσταση της φορητής συσκευής από το σταθμό βάσης του κυττάρου εξυπηρέτησης και dκ οι αποστάσεις της φορητής συσκευής από τους σταθμούς βάσης των ομοκαναλικών κυττάρων. Εν συνεχεία για να απλοποιηθεί ο υπολογισμός του λόγου C/I της σχέσης 2.8 δεχόμαστε τις εξής υποθέσεις: 1. Όλοι οι σταθμοί βάσης εκπέμπουν με την ίδια ισχύ, δηλαδή Po=Pκ=P. 2. Οι αποστάσεις της φορητής συσκευής από το κάθε ομοκαναλικό κύτταρο είναι ίσες, δηλαδή dκ=d. 3. Η απόσταση της φορητής συσκευής από το σταθμό εξυπηρέτησης είναι ίση με την ακτίνα του κυττάρου δηλαδή do=r. Οι υποθέσεις 2. και 3. δεν θα επηρεάσουν δυσμενώς την ακρίβεια του υπολογισμού του λόγου C/I αφού σχεδόν πάντα ισχύει οτι D>>R. Εφαρμόζοντας αυτές τις τρείς υποθέσεις ο τύπος 2.8 τροποποιείται ως εξής: Στην γενική περίπτωση όπου γύρω από το κύτταρο αναφοράς έχουμε n ομοκαναλικά κύτταρα η σχέση 2.8 διαμορφώνεται ως εξής: 89

90 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Στην σχέση 2.10 παρατηρούμε την αλληλεπίδραση μεταξύ του λόγου σήματος προς παρεμβολή (C/I), του ομοκαναλικού πηλίκου Q και του μεγέθους Ν του κυτταρικού συγκροτήματος (cluster size). Για διαφορετικές τιμές του Ν ο λόγος Q μεταβάλλεται και παράλληλα τροποποιείται και το C/I. Όταν το μέγεθος του υπερκυττάρου αυξάνεται τότε το ομοκαναλικό πηλίκο σύμφωνα με την σχέση 2.5 μεγαλώνει. Το Q και το Ν όμως συνδέονται άμεσα όπως αποδείχθηκε στην σχέση 2.9 με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται αύξηση και του λόγου σήματος προς παρεμβολή C/I. Αυτό συμβαίνει διότι ανατρέχοντας στην σχέση 2.4 θα δούμε ότι όσο αυξάνει το μέγεθος του υπερκυττάρου η απόσταση μεταξύ των ομοκαναλικών κυττάρων μεγαλώνει και η ομοκαναλική παρεμβολή μειώνεται διασφαλίζοντας έτσι καλύτερη ποιότητα μετάδοσης. Γι αυτό το λόγο και το πηλίκο Q καλείται και παράγοντας μείωσης της ομοκαναλικής παρεμβολής. Στην αντίθετη περίπτωση εάν μικρύνουμε το μέγεθος του κυτταρικού συγκροτήματος τότε το ομοκαναλικό πηλίκο θα μειωθεί και ως συνέπεια ο λόγος C/I θα χειροτερεύσει. Αυτό συμβαίνει διότι στην προκειμένη περίπτωση η μείωση του Ν οδηγεί σε μείωση της απόστασης επαναχρησιμοποίησης, τα ομοκαναλικά κύτταρα έρχονται πιο κοντά και η στάθμη της ομοκαναλικής παρεμβολής αυξάνεται. Διαπιστώνουμε επομένως οτι η επιλογή του αριθμού Ν των κυττάρων που θα δομήσουν το κυτταρικό συγκρότημα ρυθμίζει και θέτει έναν περιορισμό στην στάθμη της ομοκαναλικής παρεμβολής που θα επηρεάσει το δίκτυο. Δηλαδή με δεδομένο κάποιο αποδεκτό κατώτατο όριο (Τ) του λόγου C/I που επιθυμούμε να έχει το δίκτυο ( δηλαδή 10*log(C/I)>T ) επιλέγουμε και το κατάλληλο μέγεθος Ν του κυτταρικού συγκροτήματος. Στον πίνακα που ακολουθεί παρατίθενται οι τιμές που λαμβάνει το ομοκαναλικό πηλίκο Q και ο λόγος C/I για διάφορα μεγέθη του υπερκυττάρου. Για τον υπολογισμό των τιμών του πίνακα χρησιμοποιήσαμε τον τύπο 2.9 με εκθέτη απωλειών v=4. Μέγεθος cluster (N) Q=D/R C/I (db) Πίνακας 2.2 Υπολογισμός C/I και Q για διάφορες τιμές του Ν 90

91 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Με βάση τις τιμές του πίνακα επαληθεύεται η βελτίωση της ποιότητας της επικοινωνίας και η ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής καθώς αυξάνεται το ομοκαναλικό πηλίκο Q. Εάν για τον υπολογισμό του λόγου C/I δεν λάβουμε υπόψην μας τις τρείς υποθέσεις που αναφέρθηκαν τότε εξάγεται ένας γενικότερος τύπος ο οποίος για την περίπτωση 6 ομοκαναλικών κυττάρων και Ν=7 είναι ο εξής: Η σχέση 2.11 μπορεί να επαναδιατυπωθεί με βάση τον ομοκαναλικό λόγο Q: Στο σημείο αυτό θα πρέπει να επισημάνουμε οτι για τον υπολογισμό του λόγου της φέρουσας συχνότητας προς την παρεμβολή (C/I) στον παρονομαστή του κλάσματος παραλείψαμε τον όρο εκείνο που αντιπροσωπεύει την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Αυτό έγινε λόγω της μεγάλης επιλεκτικότητας των σημερινών χρησιμοποιούμενων δεκτών. Επίσης για την εξαγωγή των σχέσεων 2.9, 2.12 και τον υπολογισμό του C/I λάβαμε υπόψην μας τις ομοκαναλικές παρεμβολές που προκαλούνται από τα ομοκαναλικά κύτταρα του πρώτου δακτυλίου αγνοώντας την επιρροή των υπόλοιπων δακτυλίων (2 ου,3 ου ) αφού η ομοκαναλική παρεμβολή που προκαλούν θεωρείται αμελητέα. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η ομοκαναλική παρεμβολή που προκαλείται στο κύτταρο αναφοράς στην περίπτωση υπερκυττάρου με Ν=12. 91

92 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.24 Ομοκαναλική παρεμβολή σε κυτταρικό συγκρότημα με Ν=12 Πέραν βέβαια της τήρησης της απόστασης επαναχρησιμοποίησης D στην μείωση και την προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή συμβάλλουν η χρήση κατευθυντικών κεραιών στους σταθμούς βάσης καθώς επίσης και ο έλεγχος των εκπεμπόμενων ισχύων για την σωστή κάλυψη των κυττάρων. Τέλος με βάση την ανάλυση που προηγήθηκε συμπεραίνουμε οτι η στάθμη ισχύος της ομοκαναλικής παρεμβολής θα επηρεάσει το μέγεθος του κυτταρικού συγκροτήματος, την επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων και την χωρητικότητα του δικτύου. Θα πρέπει επομένως να βρεθεί μία συμβιβαστική λύση μεταξύ της ομοκαναλικής παρεμβολής και της συχνότητας επαναχρησιμοποίησης προκειμένου να επιτευχθεί εγγυημένη και αξιόπιστη ποιότητα εξυπηρέτησης Παρεμβολή γειτονικού καναλιού (Adjacent Channel Interference) Στα κυτταρικά συστήματα το διαθέσιμο φάσμα λειτουργίας διαιρείται σε έναν αριθμό από φέρουσες συχνότητες. Η κάθε συχνότητα απέχει από τις γειτονικές της κάποια σταθερή φασματική απόσταση. Για παράδειγμα στο κινητό δίκτυο GSM η κάθε συχνότητα απέχει από τη διπλανή της απόσταση 200kHz. Οι αποστάσεις αυτές χρειάζονται για να μην παρεμβαίνει το φασματικό περιεχόμενο μίας συχνότητας στις γειτονικές της. Για τη λήψη του σήματος, στη φορητή συσκευή και στον σταθμό βάσης χρησιμοποιούνται φίλτρα με κάποια συγκεκριμένη συνάρτηση μεταφοράς. Τα φίλτρα αυτά συντονίζονται στο εύρος ζώνης της φέρουσας συχνότητας του επιθυμητού σήματος και αποκόπτουν το φασματικό περιεχόμενο των υπόλοιπων συχνοτήτων που λαμβάνονται ταυτόχρονα ως παρεμβολές. 92

93 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Το πρόβλημα δημιουργείται όταν στο ίδιο κύτταρο ή σε γειτονικά κύτταρα έχουν καταχωρηθεί και χρησιμοποιούνται γειτονικές συχνότητες όπως για παράδειγμα f1=910 MHz f2=910.2 MHz. Στην περίπτωση αυτή επειδή οι συχνότητες είναι πολύ κοντά φασματικά και επειδή τα χρησιμοποιούμενα φίλτρα δεν είναι ιδανικά και δεν διαθέτουν απότομη χαρακτηριστική μεταφοράς τα φάσματα των γειτονικών συχνοτήτων εισχωρούν στην ζώνη διέλευσης του φίλτρου μαζί με το επιθυμητό σήμα προκαλώντας παραμόρφωση και υποβαθμίζοντας την ποιότητα της λήψης. Για το παράδειγμα των συχνοτήτων f1 και f2 θα παρατηρήσουμε οτι στην λήψη της συχνότητας f1 θα παρεμβάλλεται και φασματικό περιεχόμενο της συχνότητας f2. Το σχήμα που ακολουθεί φαίνεται το πρόβλημα της διαρροής ενέργειας γειτονικών συχνοτήτων εντός της ζώνης διέλευσης του φίλτρου. Σχήμα 2.25 Παρεμβολή γειτονικού καναλιού Η παρεμβολή που δημιουργείται όταν δύο πομποδέκτες λειτουργούν σε γειτονικές συχνότητες και βρίσκονται σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους ονομάζεται παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Η προστασία και η ελαχιστοποίηση της παρεμβολής γειτονικού καναλιού επιτυγχάνεται με τη χρήση φίλτρων η κατασκευή των οποίων διέπεται από αυστηρές προδιαγραφές για κάθε συχνότητα εκπομπής. Όμως καθοριστικό ρόλο διαδραματίζει η κατάλληλη διαχείριση των διαθέσιμου φάσματος των συχνοτήτων. Η καταχώρηση των συχνοτήτων στα κύτταρα κατά τη διάρκεια της κυτταρικής σχεδίασης πρέπει να πραγματοποιείται με βάση έναν αυστηρό περιορισμό. Σύμφωνα με αυτόν απαγορεύεται να εκχωρηθούν κοντινές φασματικά συχνότητες εντός του ίδιου κυττάρου ή σε γειτονικά κύτταρα. Ο περιορισμός αυτό εξασφαλίζει τη μέγιστη δυνατή φασματική απόσταση μεταξύ των γειτονικών φερουσών συχνοτήτων και προστατεύει το δίκτυο από την αλόγιστη αύξηση της παρεμβολής γειτονικού καναλιού. Παράλληλα με τον τρόπο αυτό καταχώρησης μειώνεται το οικονομικό κόστος υλοποίησης του δικτύου αφού πλέον δεν απαιτούνται ειδικά σχεδιασμένα και ακριβά φίλτρα με υψηλή διακριτική ικανότητα αλλά μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε 93

94 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών πιο φθηνά φίλτρα, με χαμηλή διακριτική ικανότητα διασφαλίζοντας όμως ταυτόχρονα την αξιόπιστη λήψη και ροή της πληροφορίας. Οι παρεμβολές ομοκαναλική και γειτονικού καναλιού πηγάζουν από το ίδιο το κυτταρικό δίκτυο και τον τρόπο λειτουργίας του. Η σωστή διαχείριση των πόρων, ο τρόπος καταχώρησής τους και η επαναχρησιμοποίησης τηρώντας αυστηρά τα κριτήρια αποτελούν το κλειδί για την ελαχιστοποίηση των δύο αυτών τύπων παρεμβολής, την παροχή αξιόπιστων υπηρεσιών και την επίτευξη χαμηλού κόστους υλοποίησης του δικτύου Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης (Intermodulation Interference) O τρίτος τύπος παρεμβολής που εμφανίζεται στα κυτταρικά δίκτυα κινητών επικοινωνιών είναι η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης προκαλείται όταν δύο ή περισσότερα σήματα διέρχονται από μία μη γραμμική διάταξη. Η διέλευση από το μη γραμμικό στοιχείο προκαλεί παραμόρφωση η οποία ονομάζεται μη γραμμική παραμόρφωση και παράγει ανεπιθύμητους όρους που είναι γνωστοί ως προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης. Αυτός ο τύπος παρεμβολής εμφανίζεται στα κυκλώματα εξόδου των πομπών και στα κυκλώματα εισόδου των δεκτών. Είναι ένα φαινόμενο προβλέψιμο που πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψην στη σχεδίαση των κυτταρικών συστημάτων καθώς υποβαθμίζει την ποιότητα εξυπηρέτησης (QoS) και περιορίζει την απόδοση του δικτύου. Ο σταθμός βάσης ο οποίος καλύπτει ηλεκτρομαγνητικά και εξυπηρετεί την χωρητικότητα του κυττάρου διαθέτει έναν αριθμό από πομποδέκτες ο οποίος ισούται με τον αριθμό των συχνοτήτων που διαχειρίζεται και μία κεραία για εκπομπή και λήψη η οποία αποτελείται από μία σειρά διπόλων κατάλληλα τροφοδοτούμενων για την δημιουργία του επιθυμητού διαγράμματος ακτινοβολίας. Οι πομποί συνδέονται στην κεραία για εκπομπή μέσω μίας διάταξης που ονομάζεται συνδυαστής (combiner). Aντίστοιχα οι δέκτες συνδέονται και αυτοί μέσω μίας άλλης διάταξης που ονομάζεται deplexer. Ο combiner είναι μη γραμμική διάταξη που διαθέτει πολλές εισόδους και μία έξοδο ενώ ο deplexer μη γραμμική διάταξη με μία είσοδο και πολλές εξόδους. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η σύνδεση δύο πομπών με ονομαστικές συχνότητες f1 και f2 στο κεραιοσύστημα μέσω ενός combiner. 94

95 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.26 Σύνδεση δύο πομπών στο κεραιοσύστημα με τη χρήση combiner. Ένα στοιχείο το οποίο χαρακτηρίζεται από μη γραμμικότητα περιγράφεται από μία πολυωνυμική συνάρτηση μεταφοράς της μορφής: Vo=k1*Vi+k2*Vi²+k3*Vi³+.+kn*Vi n (2.13) Όπου Vo: η τάση εξόδου του combiner Vi: η τάση εισόδου ki: σταθεροί συντελεστές με i=1..n Η είσοδος Vi στο μη γραμμικό στοιχείο είναι μία υπέρθεση ημιτονοειδών σημάτων της μορφής: Vi=A1*sin(ω1t)+A2 *sin(ω2t)+a3* sin(ω3t)+ +An *sin(ωnt) (2.14) Στο σχήμα 2.26 το Vi θα αποτελείται μόνο από δύο ημιτονοειδή σήματα με ονομαστικές συχνότητες f1 και f2. Όταν το σήμα εισόδου Vi εισέλθει στο μη γραμμικό στοιχείο (combiner) εκτός από τις εκπεμπόμενες συχνότητες f1 και f2 θα δημιουργηθούν και σήματα σε νέες συχνότητες οι οποίες είναι τα αθροίσματα και οι διαφορές των αρχικών σημάτων εισόδου (f1 και f2) ή των αρμονικών τους. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης (Intermodulation Interference) και οι παράγωγες συχνότητες προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης (intermodulation products). Ο γενικός τύπος που δίνει τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης είναι ο εξής: fκ=n*fi+m*fj fκ=n*fi-m*fj (2.15) 95

96 Κεφάλαιο 2 ο όπου fκ : η συχνότητα εξόδου από το μη γραμμικό στοιχείο fi, fj : οι συχνότητες εισόδου στο μη γραμμικό στοιχείο n,m : θετικοί ακέραιοι Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Οι θετικού ακέραιοι n,m ορίζουν την τάξη των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης ως την απόλυτη τιμή του αθροίσματός τους: Τάξη προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης= n+m (2.16) Η ισχύς των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης ελαττώνεται καθώς η τάξη τους αυξάνεται. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η ισχύς τους συναρτήσει της τάξης τους. Σχήμα 2.27 Ισχύς των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης συναρτήσει της τάξης τους. Ανάλογα με τις τιμές που λαμβάνουν οι ακέραιοι n και m προκύπτουν προϊόντα 2 ης τάξης, 3 ης τάξης, 4 ης, 5 ης κ.ο.κ. Αξίζει να αναφέρουμε οτι γενικά τα προϊόντα άρτιας τάξης είναι συχνότητες οι οποίες κατανέμονται εκτός του ενεργού φάσματος λειτουργίας του κυτταρικού δικτύου. Αντίθετα τα προϊόντα περιττής τάξης διαδραματίζουν βασικό ρόλο στην υποβάθμιση του λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR) καθώς αντιστοιχούν σε συχνότητες εντός της ζώνης των συχνοτήτων που λειτουργεί το δίκτυο. Γενικά η κατανομή των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης εντός και εκτός του ενεργού φάσματος λειτουργίας εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως για παράδειγμα ο βαθμός μη γραμμικότητας των χρησιμοποιούμενων διατάξεων, η τάξη των προϊόντων, ο αριθμός των κατειλημμένων καναλιών μία συγκεκριμένη χρονική στιγμή κ.α.. Στον σχεδιασμό και τη διαχείριση των συχνοτήτων ασχολούμαστε με τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης περιττής τάξης. Ιδίως τα προϊόντα 3 ης και 5 ης τάξης είναι αυτά που χρήζουν σοβαρής αντιμετώπισης διότι πλήττουν την απόδοση του συστήματος. 96

97 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης δεν αντιμετωπίζονται με την χρήση ειδικά σχεδιασμένων φίλτρων. Μία λύση είναι να επέμβουμε στα κυκλώματα εισόδου των δεκτών και στα κυκλώματα εξόδου των πομπών και να περιορίσουμε το βαθμό της μη γραμμικότητάς τους. Συγκεκριμένα επεμβαίνοντας προσπαθούμε να μειώσουμε τους συντελεστές της μη γραμμικότητας ki της σχέσης 2.13 οι οποίοι πολλαπλασιάζουν τα πλάτη των εισερχόμενων σημάτων. Οι συντελεστές ki καθορίζουν την ισχύ των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης. Έτσι μειώνοντας τους συντελεστές αυτούς θα επιτύχουμε μείωση τους πλάτους των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης και θα ελαχιστοποιήσουμε την ισχύ τους. Επίσης είναι σημαντικό να μη χρησιμοποιούνται combiners με περισσότερες από τρείς εισόδους καθώς όσοι περισσότεροι πομποί συνδέονται τόσο πιο πολύ αυξάνεται η ισχύς της παρεμβολής ενδοδιαμόρφωσης. Ένας άλλος τρόπος αντιμετώπισης της συγκεκριμένης παρεμβολής είναι η χρήση μαθηματικών τύπων και διαδικασιών. Μέσα από τους μαθηματικούς τύπους και τους αλγορίθμους υλοποίησής τους μπορούμε να εξαλείψουμε πλήρως τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης. Οι μαθηματικοί τύποι λαμβάνουν ως είσοδο τους μία λίστα με τις διαθέσιμες συχνότητες για τη λειτουργία του δικτύου (συμπεριλαμβανομένων όλων των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης) και μετά από επεξεργασία εξάγουν μία νέα λίστα με τις συχνότητες οι οποίες είναι απαλλαγμένες από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης και μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Το τίμημα που πληρώνουμε ωστόσο είναι η μη χρησιμοποίηση συγκεκριμένων συχνοτήτων με αποτέλεσμα ο τελικός αριθμός των διαθέσιμων συχνοτήτων να έχει συρρικνωθεί αρκετά. Τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης και 5 ης τάξης προκαλούν σοβαρή υποβάθμιση στο SNR. Για την πλήρη απαλλαγή από τα προϊόντα 3 ης τάξης χρησιμοποιούμε τον μαθηματικό τύπο του Mifsud. Ο κατάλογος των απαλλαγμένων συχνοτήτων προκύπτει μέσα από μία επαναληπτική διαδικασία η οποία υπαγορεύεται από την εξής μαθηματική σχέση: Fψ+ω=2*Fω+ε ω-1 *F1 (2.17) Όπου ε ω-1 *F1=Fω- F1 Fψ, Fω, F1 : ακέραιοι αριθμοί συχνοτήτων ω,ψ : ακέραιοι αριθμοί Οι συντελεστές ω και ψ είναι θετικοί ακέραιοι για τους οποίους ισχύει: 1<=ω<=ψ. Εάν επιδιώκουμε να απαλλαγούμε και από τα προϊόντα 5 ης τάξης τότε ο αριθμός των τελικών διαθέσιμων συχνοτήτων θα μειωθεί αισθητά. Αυτό βέβαια είναι το κόστος που πληρώνουμε προκειμένου να προφυλάξουμε το SNR και τη λειτουργία του δικτύου μας από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. 97

98 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών 2.8 Μεταγωγή (Handover ή Handoff) Η δυνατότητα που καθιστά τα κυτταρικά δίκτυα κινητών επικοινωνιών ιδιαίτερα ελκυστικά είναι η κινητικότητα του χρήστη. Το δίκτυο θα πρέπει όμως να είναι σε θέση να μπορεί να την υποστηρίξει. Όταν ένας συνδρομητής πραγματοποιεί μία κλήση και ταυτόχρονα κινείται αλλάζει διαδοχικά κύτταρα και σταθμούς βάσης καθ όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας του. Στα κυτταρικά συστήματα όμως τα γειτονικά κύτταρα διαθέτουν για εξυπηρέτηση και λειτουργούν με διαφορετικές ομάδες συχνοτήτων. Εάν δεν έχει προβλεφθεί εξ αρχής στον σχεδιασμό να πραγματοποιείται η διαδικασία αλλαγής συχνοτήτων τότε θα πρέπει η κλήση να διακοπεί και εν συνεχεία να εκκινήσει πάλι από το νέο κύτταρο με τους πόρους που διαθέτει. Κάτι τέτοιο βέβαια αντιβαίνει στη φιλοσοφία των κινητών δικτύων. Η διαδικασία της αυτόματης μεταφοράς του ελέγχου, της εκπομπής και της λήψης των μεταδιδόμενων πληροφοριών από τον έναν σταθμό βάσης στον άλλον καλείται μεταγωγή (handover ή handoff). Χάρη στην μεταγωγή εξασφαλίζεται η αδιάλειπτη παροχή των υπηρεσιών και η κινητικότητα του χρήστη από κύτταρο σε κύτταρο. Η μεταγωγή θα πρέπει να είναι γρήγορη ώστε να μην διακόπτεται η κλήση και να μην γίνεται αντιληπτή από τον χρήστη. Όμως όπως αναφέρθηκε και στην ενότητα της κυτταρικής κάλυψης η πραγματική δομή του κυττάρου είναι άμορφη και δεν ακολουθεί το γεωμετρικό σχήμα του κανονικού εξαγώνου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ύπαρξη περιοχών του δικτύου οι οποίες επικαλύπτονται από περισσότερα του ενός κύτταρα. Επομένως αφού στην πραγματικότητα δεν μπορούμε να εντοπίσουμε τα όρια της έκτασης του κυττάρου δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε και επακριβώς την περιοχή όπου θα πρέπει να πραγματοποιηθεί η μεταγωγή. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να επισημάνουμε ότι ένας σταθμός βάσης δεν βλέπει το κύτταρο όπως φαίνεται από την σκοπιά του σχεδιαστή του δικτύου, δηλαδή ως μία περιοχή με εξαγωνικό σχήμα. Ο σταθμός βάσης αντιλαμβάνεται την έννοια του κυττάρου μέσα από τις παραμέτρους που έχουν οριστεί στο στάδιο της κυτταρικής σχεδίασης καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αυτές μεταβάλλονται. Η διαδικασία της μεταγωγής υλοποιείται μέσα από συγκεκριμένους αλγορίθμους οι οποίοι αποφασίζουν με βάση κάποια κριτήρια για τον αν θα γίνει ή όχι μεταγωγή και πότε θα συμβεί. Θα πρέπει να τονίσουμε οτι πριν την τελική απόφαση για την πραγματοποίηση της μεταγωγής προηγείται η διαδικασία του εντοπισμού. Ο εντοπισμός δεν θα πρέπει να συγχέεται με την διαδικασία που πραγματοποιεί το δίκτυο για την αναγνώρισης της θέσης της φορητής συσκευής με σκοπό την αποκατάσταση μίας κλήσης. Η διαδικασία του εντοπισμού αποσκοπεί στον προσδιορισμό του κατάλληλου σταθμού βάσης όσον αφορά τη στάθμη και την ποιότητα του λαμβανομένου σήματος προκειμένου να εξασφαλίζεται η 98

99 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών βελτιστοποίηση της επικοινωνιακής σύνδεσης. Μετά το πέρας του εντοπισμού πραγματοποιείται η μεταγωγή. Η διαδικασία της μεταγωγής βασίζεται στην ύπαρξη ενός κατωφλίου που ονομάζεται κατώφλι μεταγωγής. Το κατώφλι μεταγωγής ορίζεται από τους σχεδιαστές του δικτύου. Όταν η στάθμη του σήματος λήψης ελαττωθεί και πέσει κάτω από το κατώφλι μεταγωγής τότε αρχίζει η διαδικασία του εντοπισμού για την ανεύρεση του κατάλληλου σταθμού βάσης που θα δεχθεί την κλήση μετά την μεταγωγή. Η τιμή του ορίου θα πρέπει να επιλεχθεί να είναι τέτοια ώστε να πραγματοποιούνται επιτυχημένες μεταγωγές στο σωστό χρόνο. Εάν επιλεχθεί μεγάλη τιμή τότε θα προκαλούνται αρκετές μεταγωγές χωρίς λόγο ενώ αν το όριο είναι χαμηλό και συγκρίσιμο με την στάθμη ευαισθησίας της φορητής συσκευής τότε η διαδικασία της μεταγωγής δεν θα έχει τον απαιτούμενο χρόνο να ολοκληρωθεί επιτυχώς. Στο σχήμα που ακολουθεί εμφανίζονται δύο περιπτώσεις μεταγωγής μίας κλήσης στο όριο δύο κυττάρων. Στην πρώτη περίπτωση η μεταγωγή δεν προλαβαίνει να ολοκληρωθεί ενώ στην δεύτερη πραγματοποιείται επιτυχώς. Σχήμα 2.28 Διαδικασία μεταγωγής στο όριο δύο κυττάρων Η φορητή συσκευή παίζει ενεργό ρόλο στην διαδικασία της μεταγωγής. Στην ενεργή κατάσταση πραγματοποιεί μετρήσεις στην ισχύ λήψης και μετρήσεις ποιότητας στην ανερχόμενη και κατερχόμενη ζεύξη του κυττάρου εξυπηρέτησης καθώς επίσης και μετρήσεις ισχύος λήψης στα γειτονικά κύτταρα. Από την άλλη ο σταθμός βάσης πραγματοποιεί και αυτός τις δικές του μετρήσεις. Οι μετρήσεις της φορητής συσκευής και του σταθμού βάσης αποστέλλονται στον ελεγκτή του σταθμού βάσης όπου ο αλγόριθμος με βάση αυτές υπολογίζει την κατάσταση στην οποία βρίσκονται τα γειτονικά κύτταρα κατατάσσοντας τα σε μία αξιολογική λίστα. Εάν με βάση το κριτήριο που έχει επιλεγεί το κύτταρο εξυπηρέτησης της φορητής συσκευής είναι πρώτο στη λίστα τότε δεν συντρέχει λόγος μεταγωγής. Αν κάποια χρονική στιγμή στην πρώτη θέση της λίστας βρεθεί κάποιο άλλο κύτταρο τότε σημαίνει οτι το 99

100 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών κύτταρο αυτό είναι το καλύτερο ως προς την εξυπηρέτηση και επομένως εκκινείται η μεταγωγή της κλήσης σε αυτό. Οι αλγόριθμοι επομένως που πραγματοποιούν τη διαδικασία της μεταγωγής θα πρέπει να είναι σε θέση να μπορούν να εκτιμήσουν υπολογιστικά την κατάσταση των γειτονικών κυττάρων, να υπολογίσουν ποια κύτταρα μπορούν να δεχθούν την κλήση μετά την μεταγωγή και να τα τοποθετούν σε μία σειρά προτεραιότητας ξεκινώντας από το πρώτο υποψήφιο κύτταρο με την καλύτερη εξυπηρέτηση. Έπειτα θα πρέπει να αποφασίζουν ποιές φορητές συσκευές είναι υποψήφιες για μεταγωγή. Τα κριτήρια με βάση τα οποία οι αλγόριθμοι αποφασίζουν για την πραγματοποίηση της μεταγωγής είναι τα εξής: Μέτρηση του λόγου σήματος φέρουσας προς παρεμβολή Ο κανόνας απόφασης για την εκκίνηση της μεταγωγής είναι ο λόγος της έντασης του φορέα προς την παρεμβολή ή γενικότερα τον θόρυβο C/I. Η μείωση του λόγου αυτού μπορεί να επιτευχθεί για δύο λόγους: Είτε ο χρήστης ο οποίος βρίσκεται εν μέσω μίας συνομιλίας απομακρύνεται από τον σταθμό βάσης που τον εξυπηρετεί με αποτέλεσμα η ένταση του σήματος θα αρχίσει να μειώνεται, είτε στην περιοχή όπου κινείται ο συνδρομητής παρατηρείται ισχυρή παρεμβολή. Και στις δύο αυτές περιπτώσεις ο αλγόριθμος θα αποφανθεί οτι πρέπει να πραγματοποιηθεί μεταγωγή της κλήσης όταν ο λόγος C/I γίνει μικρότερος από το κατώφλι μεταγωγής που έχει οριστεί. Μέτρηση της έντασης του εκπεμπόμενου σήματος Οι σταθμοί βάσης πραγματοποιούν συνεχώς μετρήσεις της έντασης του σήματος που λαμβάνουν από την φορητή συσκευή και ακολουθεί σύγκριση αυτών με κάποιο καθορισμένο όριο. Με βάση το συγκεκριμένο κριτήριο επιλέγεται ο σταθμός βάσης που λαμβάνει το ισχυρότερο σήμα από τη φορητή συσκευή. Προκειμένου να μην επιβαρύνονται οι σταθμοί βάσης και τα ψηφιακά κέντρα με την συνεχή επεξεργασία, οι μετρήσεις αρχίζουν να πραγματοποιούνται μόλις η ένταση του σήματος μίας κλήσης μειωθεί κάτω από κάποιο όριο. Ωστόσο ελλοχεύει ο κίνδυνος να μην πραγματοποιηθεί η μεταγωγή όταν το όριο αυτό δεν ξεπεραστεί ακόμη και όταν ο συνδρομητής έχει εγκαταλείψει την περιοχή εξυπηρέτησης του συγκεκριμένου σταθμού βάσης δημιουργώντας παράλληλα παρεμβολές σε άλλες φορητές μονάδες άλλων κυττάρων. Το κριτήριο αυτό υιοθετήθηκε χάρη στην ευκολία της μέτρησης της έντασης του σήματος. Όμως δεν χαρακτηρίζεται από αξιοπιστία αφού λόγω του περιβάλλοντος διάδοσης και των παρεμβολών παρατηρούνται αρκετές διακυμάνσεις στη στάθμη του μετρούμενου σήματος. Μέτρηση της απόστασης Σύμφωνα με το συγκεκριμένο κριτήριο κατά τη μεταγωγή επιλέγεται ο σταθμός βάσης που βρίσκεται πιο κοντά στην φορητή συσκευή. Ο κανόνας απόφασης εδώ 100

101 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών στηρίζεται στις συγκρίσεις που πραγματοποιούνται στις καθυστερήσεις στη μετάδοση των σημάτων που δέχονται οι γειτονικοί σταθμοί βάσης. Είναι πολύ βασικό οτι με αυτό το κριτήριο οι μεταγωγές επιτυγχάνονται στα όρια των κυττάρων. Συμφόρηση Στις περιπτώσεις όπου επιδιώκεται επίτευξη ισορροπίας του συνδρομητικού φορτίου στο δίκτυο ή αποφόρτιση ενός κυττάρου με υψηλή χωρητικότητα ενεργοποιείται η διαδικασία της μεταγωγής. Η μεταγωγή αυτή ονομάζεται κατευθυνόμενη και πραγματοποιείται για λόγους που επιβάλλει η κατανομή της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Κριτήρια ποιότητας Οι μετρήσεις ποιότητας έχουν μεγαλύτερη προτεραιότητα από τις μετρήσεις της έντασης του σήματος. Με βάση την ποιότητα αξιολογούνται το κύτταρο εξυπηρέτησης και τα υποψήφια για μεταγωγή γειτονικά κύτταρα και ο αλγόριθμος καλείται να αποφασίσει ποιο κύτταρο είναι καλύτερο ως προς την ποιότητα της εξυπηρέτησης. Προτεραιότητα κυττάρων Σε ένα κινητό δίκτυο το οποίο δομείται με βάση την πολυεπίπεδη κυτταρική αρχιτεκτονική η διαδικασία της μεταγωγής εκκινείται με βάση την προτεραιότητα του κυττάρου. Πολλές φορές εξαιτίας του φαινομένου των διαλείψεων (fast fading, slow fading) η στάθμη του σήματος παρουσιάζει γρήγορες διακυμάνσεις και αρκετά βυθίσματα. Τα βυθίσματα αυτά είναι ικανά να προκαλέσουν λανθασμένη μεταγωγή ακόμα και αν ο συνδρομητής βρίσκεται εντός της περιοχής εξυπηρέτησης του κυττάρου. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα αυτό για τον καθορισμό της λαμβανόμενης ισχύος πραγματοποιούνται πολλές μετρήσεις και στη συνέχεια υπολογίζεται η μέση τιμή τους. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα δημιουργείται όταν η φορητή συσκευή πλησιάζει προς το όριο μεταξύ δύο κυττάρων. Στην περίπτωση αυτή η συσκευή λαμβάνει την ισχύ από τον σταθμό βάσης που εξυπηρετείται και ταυτόχρονα λαμβάνει και την ισχύ από το γειτονικό κύτταρο. Στο όριο όμως οι τιμές των δύο σημάτων είναι ίσες με αποτέλεσμα να προκαλείται το φαινόμενο ping-pong. Σύμφωνα με το φαινόμενο ping-pong η συσκευή εκτελεί διαδοχικές μεταγωγές. Για να εμποδίσουμε να εκτελεστεί μία μεταγωγή αμέσως μετά από μία επιτυχή μεταγωγή (ping-pong effect) χρησιμοποιούμε ειδικούς αλγορίθμους με ποιο αντικειμενικά κριτήρια για την εκκίνηση μεταγωγής. Μία πολύ βασική παράμετρος που πρέπει να γνωρίζουμε ή να εκτιμήσουμε με ακρίβεια είναι ο χρόνος παραμονής δηλαδή η διάρκεια κατά την οποία ένας συνδρομητής επικοινωνεί με έναν συγκεκριμένο σταθμό βάσης. Ο χρόνος παραμονής είναι μία στατιστική παράμετρος και η γνώση του συμβάλλει καθοριστικά στην δημιουργία επιτυχημένων αλγορίθμων μεταγωγής. Εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως το μέγεθος του κυττάρου, η ταχύτητα των συνδρομητών κ.α.. Το 101

102 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών μέγεθος του κυττάρου, η διάρκεια των κλήσεων και η ταχύτητα των συνδρομητών επηρεάζουν τη συχνότητα της πραγματοποίησης των μεταγωγών. Μικρά κύτταρα, μεγάλη διάρκεια κλήσης και υψηλή ταχύτητα αυξάνουν τον αριθμό των μεταγωγών. Σε ένα κινητό δίκτυο οι συνδρομητές ταξινομούνται ανάλογα με την ταχύτητα κίνησής τους σε: Αργά κινούμενους συνδρομητές (πεζοί) Ταχέως κινούμενους συνδρομητές (ταχύτητα < 80km/h) Υπερταχέως κινούμενους συνδρομητές (ταχύτητα > 80km/h) Η ταχύτητα κίνησης έχει σημαντική επίπτωση στον αριθμό των μεταγωγών. Όσο αυξάνεται η ταχύτητα των συνδρομητών αυξάνεται και η συχνότητα της μεταγωγής των κλήσεων. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα των συχνών μεταγωγών των ταχέων και υπερταχέων συνδρομητών (ειδικά στα μικροκυτταρικά δίκτυα) χρησιμοποιούμε κύτταρα ομπρέλες. Τα κύτταρα αυτά καλύπτουν μία μεγάλη επιφάνεια υπερκαλύπτοντας τις υπόλοιπες και μικρότερες κυψέλες που βρίσκονται στην ίδια περιοχή. Οι συνδρομητές που κινούνται με υψηλές ταχύτητες εξυπηρετούνται από τα κύτταρα ομπρέλες στο πλαίσιο της μείωσης της συχνότητας των μεταγωγών τους. Σχήμα 2.29 Υλοποίηση κυττάρου ομπρέλας Σε κάποιες περιπτώσεις αν και κρίνεται απαραίτητο να πραγματοποιηθεί η διαδικασία της μεταγωγής λόγω έλλειψης διαθέσιμων καναλιών επικοινωνίας στο γειτονικό κύτταρο, που θα κληθεί να αναλάβει την κλήση μετά την μεταγωγή, η κλήση αναγκάζεται να διακοπεί. Θα πρέπει να κατανοήσουμε οτι μέσα σε ένα κινητό δίκτυο υπάρχουν δύο ειδών κλήσεις: οι νέες κλήσεις, οι οποίες είναι αιτήσεις για πρόσβαση στο δίκτυο και παροχή υπηρεσιών, και οι κλήσεις μεταγωγής. Τα κυτταρικά συστήματα διαχειρίζονται με διαφορετικό τρόπο και στρατηγικές το καθένα τις κλήσεις μεταγωγής. Σε κάποια οι αιτήσεις για μεταγωγή χρήζουν ίδιας μεταχείρισης με τις νέες κλήσεις. Σε αυτά τα συστήματα η πιθανότητα να μην μπορέσει η μεταγωγή να ολοκληρωθεί επιτυχώς λόγω έλλειψης ελεύθερων πόρων είναι ίση με την πιθανότητα απόρριψης μίας νέας κλήσης λόγω συμφόρησης. Σε άλλα πάλι συστήματα υιοθετείται η στρατηγική της δέσμευσης κάποιων καναλιών 102

103 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών αποκλειστικά αφιερωμένων για την εξυπηρέτηση της μεταγωγής. Έτσι μία κλήση η οποία απαιτείται να μεταφερθεί από το ένα κύτταρο στο άλλο μπορεί να χρησιμοποιήσει τα κανάλια αυτά για τη μεταγωγή της ακόμα και αν υπάρχει συμφόρηση στο νέο κύτταρο. Επιπλέον παρέχεται η δυνατότητα οι μεταγωγές που δεν μπορούν να εξυπηρετηθούν τη συγκεκριμένη χρονική στιγμή να τίθενται σε μία ουρά αναμονής. Ωστόσο όποια στρατηγική και αν ακολουθείται στα διάφορα κινητά δίκτυα για την διαχείριση των κλήσεων μεταγωγής θα πρέπει να διασφαλίζεται η ελαχιστοποίηση της πιθανότητας αποτυχίας της μεταγωγής λόγω συμφόρησης, η εξισορρόπηση του συνολικού συνδρομητικού φορτίου και η αδιάλειπτη παροχή υπηρεσιών Κατηγορίες μεταγωγής Ολοκληρώνοντας την ενότητα θα αναφέρουμε τις βασικές κατηγορίες μεταγωγής. 1. Intra system handover Η μεταγωγή πραγματοποιείται μεταξύ διαφορετικών συστημάτων (π.χ. από το GSM στο UMTS) 2. Inter system handover Η μεταγωγή πραγματοποιείται μέσα στο ίδιο σύστημα. Η κατηγορία αυτή χωρίζεται σε τέσσερις υποκατηγορίες. 2.1 Ενδο-κυψελωτή μεταγωγή (Intra cell handover) Σε αυτήν την περίπτωση οι αναγκαίες διασυνδέσεις μεταφέρονται σε άλλον ραδιοδίαυλο του ίδιου κυττάρου. 2.2 Εγκλεισμένη έσω-κυψελωτή μεταγωγή (Inter cell handover) Στην περίπτωση αυτή η φορητή συσκευή αλλάζει σταθμό βάσης όμως ο παλιός αλλά και ο νέος σταθμός βάσης βρίσκονται στον έλεγχο του ίδιου BSC. 2.3 Εγκλεισμένη μεταγωγή σε επίπεδο ψηφιακού κέντρου (MSC intern handover) Η διασύνδεση στην προκειμένη περίπτωση μεταφέρεται μεταξύ σταθμών βάσης οι οποίοι όμως ανήκουν σε διαφορετικούς BSCs υπό τον έλεγχο όμως του ίδιου ψηφιακού κέντρου. 2.4 Εξωτερική μεταγωγή σε επίπεδο ψηφιακού κέντρου (MSC extern handover) Η διασύνδεση εδώ μεταφέρεται μεταξύ σταθμών βάσης οι οποίοι ελέγχονται από διαφορετικά ψηφιακά κέντρα. Στις περιπτώσεις 2.1 και 2.2 ο ελεγκτής του σταθμού βάσης είναι αυτός που αποφασίζει και εκκινεί τη διαδικασία της μεταγωγής με το ψηφιακό κέντρο απλώς να 103

104 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών ενημερώνεται για την πραγματοποίησής της. Αυτό αποσκοπεί στην αποφυγή υπερφόρτωσης του ψηφιακού κέντρου με περιττές πληροφορίες σηματοδοσίας. 2.9 Τηλεπικοινωνιακή κίνηση στα κυτταρικά δίκτυα Τα κυτταρικά δίκτυα βασίζονται στην θεωρία της τηλεπικοινωνιακής κίνησης για την εκτίμηση και την μελέτη της συνδρομητικής κίνησης που αναμένεται να διαχειριστούν. Η θεωρία αυτή αποτελεί τη μαθηματική βάση για την επίτευξη ενός βέλτιστου και οικονομικού σχεδιασμού του τηλεπικοινωνιακού δικτύου ώστε να πληρούνται οι προδιαγραφές της ποιότητας εξυπηρέτησης (Quality of Service-QoS) των συνδρομητών αλλά και για να αξιολογείται η λειτουργία του δικτύου Φορτίο κίνησης (Traffic Load) Ως τηλεπικοινωνιακή κίνηση ή φορτίο κίνησης (traffic load) στα κινητά δίκτυα ορίζεται η συνολική διάρκεια όλων των κλήσεων ενός χρονικού διαστήματος που λαμβάνεται ως μονάδα. Για να προσδιορίσουμε την κίνηση που αναμένεται να εξυπηρετήσει το δίκτυο θα πρέπει να γνωρίζουμε κάποιους σημαντικούς παράγοντες όπως: O ρυθμός αύξησης των κλήσεων (calls/sec): είναι η μέση τιμή του πλήθους των κλήσεων στη μονάδα του χρόνου. Συμβολίζεται με το γράμμα λ και εξαρτάται από τη μονάδα χρόνου που χρησιμοποιούμε ως αναφορά. Διάρκεια κλήσης (sec): ορίζεται ως το χρονικό διάστημα που διαρκεί μία κλήση και δεσμεύει έναν ραδιοδίαυλο για την εξυπηρέτησή της. Συμβολίζεται με h και αναφέρεται και ως χρόνος εξυπηρέτησης. O συνολικός αριθμός των διαθέσιμων ραδιοδιαύλων. Η πιθανότητα μπλοκαρίσματος (Blocking Probability): εκφράζει την πιθανότητα μία αίτηση αποκατάστασης μία νέας κλήσης να απορριφθεί λόγω συμφόρησης του δικτύου. Η πιθανότατα απώλειας κλήσης: εκφράζει την πιθανότητα μία αίτηση για κλήση μεταγωγής να απορριφθεί λόγω συμφόρησης του δικτύου. Η πολιτική που ακολουθείται για την αντιμετώπιση των ανεπιτυχών ή αποκλειόμενων κλήσεων. Με βάση τον ορισμό της τηλεπικοινωνιακής κίνησης προκύπτει οτι η κίνηση είναι αδιάστατο μέγεθος. Ωστόσο χρησιμοποιούμε ως μονάδα μέτρησης το Erlang (erl) προς τιμήν του Δανού μαθηματικού Α.Κ.Εrlang ο οποίος υπήρξε ο ιδρυτής της 104

105 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών θεωρίας της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. 1 erlang αντιπροσωπεύει την κίνηση που μεταφέρεται από ένα κανάλι το οποίο είναι πλήρως κατειλημμένο (1 ώρα κατάληψης ανά ώρα ή 1 λεπτό κατάληψης ανά λεπτό ανάλογα τη μονάδα του χρόνου που έχουμε ως βάση). Δηλαδή το φορτίο κίνησης εκφράζει το ποσοστό του χρόνου που μία γραμμή κανάλι είναι κατειλημμένη. Για παράδειγμα αν ένας συνδρομητής πραγματοποιεί μία κλήση με διάρκεια 30 λεπτά τότε η κίνηση που παράγει είναι 0.5erl και δεσμεύει το κανάλι για το 50% της ώρας. Επομένως μία γραμμή δεν μπορεί να μεταφέρει φορτίο κίνησης μεγαλύτερο του 1erlang. Εκτός από το Erlang ως μονάδα μέτρησης χρησιμοποιείται και το CCS (Centrum Call Seconds) με βάση το οποίο μετράμε πόσες εκατοντάδες δευτερόλεπτα είναι κατειλημμένη μία γραμμή. 1Erlang ισοδυναμεί με 36 CCS. Εάν γνωρίζουμε τον ρυθμό άφιξης λ (calls/sec) των κλήσεων που πραγματοποιεί ένας συνδρομητής και τη χρονική διάρκεια (h) τους τότε μπορούμε να υπολογίσουμε το φορτίο κίνησης που παράγει από την παρακάτω σχέση: Αu=λ*h (erl) (2.18) Για ένα σύστημα που εξυπηρετεί Ν συνδρομητές το συνολικό φορτίο κίνησης που παράγεται από αυτούς είναι: AΝ=Ν* Αu=Ν* λ*h (erl) (2.19) Εάν το σύστημα διαθέτει C κανάλια για την εξυπηρέτηση των Ν συνδρομητών τότε η κίνηση που μεταφέρεται από το κάθε κανάλι είναι: H σχέση 2.20 είναι απόρροια μίας ιδιότητας του φορτίου κίνησης σύμφωνα με την οποία το φορτίο κίνησης που διεκπεραιώνεται από μία δέσμη γραμμών είναι ισοδύναμο με το μέσο αριθμό των κατειλημμένων γραμμών της δέσμης. Βέβαια το ανώτατο όριο στην μέγιστη μεταφερόμενη κίνηση είναι ο συνολικός αριθμός των καναλιών C σε μονάδες erlang Συγκέντρωση καναλιών (Trunking) Εάν επιθυμούσαμε το δίκτυο κινητών επικοινωνιών να εξυπηρετεί ανά πάσα χρονική στιγμή τη μέγιστη δυνατή προσφερόμενη κίνηση θα έπρεπε να διαθέτει τόσα κανάλια για εξυπηρέτηση όσες είναι και οι κλήσεις. Όμως η σχεδίαση αυτή κρίνεται αντιοικονομική αφού θα απαιτούσε πάρα πολλούς πόρους για χρήση ενώ το δίκτυο θα υπολειτουργούσε στο μεγαλύτερο ποσοστό του χρόνου όπου η κίνηση δεν θα ήταν η μέγιστη. Τα κυτταρικά συστήματα βασίζονται στη θεωρία της συγκέντρωσης (trunking theory) δηλαδή στη δυνατότητα της ομαδοποίησης των ραδιοδιαύλων (ή trunks) σε μία κοινή δέσμη. Η φορητή συσκευή προκειμένου να εξυπηρετηθεί μπορεί να 105

106 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών συνδεθεί σε οποιονδήποτε ελεύθερο ραδιοδίαυλο της δέσμης. Με την θεωρία της συγκέντρωσης είναι δυνατόν να εξυπηρετηθεί ένας μεγάλος αριθμός συνδρομητών με περιορισμένο και σταθερό αριθμό καναλιών που διαθέτει το σύστημα. Για την επίτευξη του στόχου αυτού η θεωρία της συγκέντρωσης εκμεταλλεύεται και αξιοποιεί την στατιστική συμπεριφορά των συνδρομητών δηλαδή το γεγονός οτι η πιθανότητα όλοι οι συνδρομητές να απαιτήσουν πρόσβαση στις υπηρεσίες του δικτύου είναι αμελητέα. Με αυτή τη λογική με σταθερούς διαθέσιμους πόρους εξυπηρετούμε τις μεγάλες απαιτήσεις σε χωρητικότητα του δικτύου. Στα κυτταρικά συστήματα με συγκέντρωση το φαινόμενο που συμβαίνει συνήθως είναι η συμφόρηση (congestion). Η συμφόρηση αποτελεί μία κατάσταση του συστήματος κατά την οποία όλοι οι ραδιοδίαυλοι (trunks) είναι κατειλημμένοι και το σύστημα δεν μπορεί να δεχθεί προς εξυπηρέτηση καμία άλλη κλήση. Σε κατάσταση συμφόρησης οι κλήσεις χάνονται και γίνεται διάκριση μεταξύ της προσφερόμενης κίνησης (offered traffic) και της διεκπεραιούμενης κίνησης (carried traffic). Με την έννοια της προσφερόμενης κίνησης ορίζουμε την κίνηση που δημιουργείται από το σύνολο των κλήσεων που φθάνουν στο σύστημα ανεξάρτητα από την μετέπειτα τύχη τους, δηλαδή το αν θα βρούν ή όχι διαθέσιμο κανάλι εξυπηρέτησης. Με τον όρο διεκπεραιούμενη κίνηση ορίζουμε την που μπορεί να εξυπηρετήσει το σύστημα με βάση το συνολικό αριθμό των καναλιών που διαθέτει. Η διεκπεραιούμενη κίνηση είναι μικρότερη από την προσφερόμενη κατά το ποσό των απωλειών. Οι απώλειες αναφέρονται στις κλήσεις οι οποίες δεν μπορούν να εξυπηρετηθούν. Σε κατάσταση συμφόρησης ισχύει η παρακάτω σχέση: Διεκπεραιούμενη κίνηση= Προσφερόμενη κίνηση Απώλειες Οι κλήσεις που βρίσκουν το σύστημα πλήρως κατειλημμένο είτε μπλοκάρονται και εγκαταλείπουν το σύστημα είτε περιμένουν σε μία ουρά αναμονής ανάλογα με την πολιτική αντιμετώπισης που ακολουθείται. Στο σημείο αυτό πρέπει να ορίσουμε μία πολύ βασική παράμετρο αλλά και μέτρο απόδοσης του συστήματος με συγκέντρωση, τον βαθμό εξυπηρέτησης. Ο βαθμός εξυπηρέτησης (Grade of Service-GoS) ορίζεται ως το ποσοστό των κλήσεων που χάνονται ή καθυστερούν να διεκπεραιωθούν λόγω της συμφόρησης στο σύστημα. Ο βαθμός εξυπηρέτησης είναι ένας δείκτης της ποιότητας εξυπηρέτησης που παρέχεται από το σύστημα και καθορίζει την πιθανότητα κάποιος χρήστης να δεσμεύσει κάποιον ραδιοδίαυλο για την πρόσβαση, με δεδομένο των αριθμό των ραδιοδιαύλων που είναι διαθέσιμοι στο σύστημα. Για παράδειγμα εάν στο κυτταρικό σύστημα προσφερθεί κίνηση α erlangs τότε με GoS=Β δεδομένο οι απώλειες θα είναι α*β και η διεκπεραιούμενη κίνηση α*(1-β). Με δεδομένη επομένως την κίνηση (α) που προσφέρεται στο κυτταρικό δίκτυο και τον βαθμό εξυπηρέτησης του (Β) με τη διαδικασία της συγκέντρωσης θα υπολογίσουμε τον αριθμό των καναλιών που απαιτούνται για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητας του δικτύου ή του κυττάρου. Είναι σημαντικό να προσπαθήσουμε να αυξήσουμε την απόδοση της συγκέντρωσης (trunking efficiency) δηλαδή τον 106

107 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών αριθμό των χρηστών στους οποίους μπορεί να προσφερθεί ένα συγκεκριμένο GoS με δεδομένη διάταξη των καναλιών. Μάλιστα ο τρόπος ομαδοποίησης των καναλιών μπορεί να διαφοροποιήσει σημαντικά τον αριθμό των συνδρομητών που θα εξυπηρετηθούν από το σύστημα Ταξινόμηση συστημάτων Με βάση τη θεωρία της συγκέντρωσης και την πολιτική που ακολουθείται για την αντιμετώπιση των κλήσεων που βρίσκουν το σύστημα σε συμφόρηση διακρίνονται δύο μεγάλες κατηγορίες συστημάτων: Συστήματα απωλειών (loss system) Συστήματα αναμονής (delay system) Για τη μοντελοποίηση των συστημάτων χρησιμοποιούμε μία πεπερασμένη Μαρκοβιανή διαδικασία γέννησης και θανάτου (Finite Markov Birth and Death Process) σύμφωνα με την οποία το σύστημα αποτελείται από ένα σύνολο καταστάσεων και η μετάβαση από τη μία κατάσταση στην άλλη γίνεται κατά ένα βήμα τη φορά και επιτρέπεται μόνο προς τις γειτονικές καταστάσεις. Δηλαδή εάν είμαστε στην κατάσταση Sv επιτρέπεται η μετάβαση είτε προς την κατάσταση Sv-1 είτε προς την κατάσταση Sv+1. Μετάβαση πραγματοποιείται κάθε φορά που μία κλήση φθάνει στο σύστημα ή εξυπηρετείται από αυτό. Κάθε μία από τις δύο κατηγορίες των συστημάτων χαρακτηρίζεται από τη δικιά της ανάλυση και μαθηματική μοντελοποίηση Σύστημα απωλειών (loss system) Σε ένα σύστημα απωλειών ο αριθμός των χρηστών είναι αρκετά μεγάλος (θεωρητικά άπειρος) και οι κλήσεις που παράγονται είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους. Η κατανομή της άφιξης των κλήσεων είναι η Poisson και ο ρυθμός άφιξης λ(calls/sec). Ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών είναι C και ο χρόνος εξυπηρέτησης των κλήσεων ακολουθεί την εκθετική κατανομή με μέση τιμή 1/μ όπου μ είναι ο ρυθμός εξυπηρέτησης (calls/sec). Στο σύστημα απωλειών οι κλήσεις οι οποίες βρίσκουν ελεύθερο κανάλι εξυπηρετούνται αμέσως, ενώ οι κλήσεις που βρίσκουν πλήρως κατειλημμένο το σύστημα μπλοκάρονται και το εγκαταλείπουν. Επομένως ο αριθμός των κλήσεων που εξυπηρετούνται από το σύστημα ισούται με τον αριθμό των δεσμευμένων καναλιών. Ο βαθμός εξυπηρέτησης σε αυτήν την περίπτωση είναι η πιθανότητα μία κλήση να μπλοκαριστεί και να εγκαταλείψει το σύστημα. Το σύστημα απωλειών συμβολίζεται και ως Μ/Μ/ s(0) σύμφωνα με το συμβολισμό του Kendall (Kendall notation). Το σύστημα απωλειών θεωρώντας οτι βρίσκεται σε στατιστική ισορροπία μοντελοποιείται με το παρακάτω διάγραμμα καταστάσεων όπου κάθε κατάσταση δηλώνει τον αριθμό των κλήσεων που εξυπηρετούνται από το σύστημα. 107

108 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.30 Διάγραμμα καταστάσεων ενός συστήματος απωλειών Ο τύπος που υπολογίζει την πιθανότητα μία κλήση να μπλοκαριστεί και να αποχωρήσει από το σύστημα ονομάζεται Erlang B formula και ορίζεται ως εξής: Όπου Α: το προσφερόμενο φορτίο κίνησης C: ο αριθμός των καναλιών του συστήματος Μπορούμε να υπολογίζουμε το GoS κάνοντας χρήση και του αναδρομικού τύπου Erlang B formula: ή χρησιμοποιώντας καμπύλες φορτίου ή πίνακες Erlang B όπου με δεδομένο τον αριθμό των καναλιών C του συστήματος και το φορτίο κίνησης Α υπολογίζουμε το Β=GoS. Το μοντέλο Erlang B αποτελεί το κυρίαρχο μοντέλο σε συστήματα μετάδοσης φωνής όπου σύμφωνα με τη θεωρία QoS απαιτείται ο ελάχιστος χρόνος σύνδεσης οπότε η αναμονή κρίνεται ακατάλληλη Σύστημα αναμονής (delay system) Σε ένα σύστημα αναμονής ισχύουν οι ίδιες υποθέσεις με το σύστημα απωλειών. Η κατανομή της άφιξης των κλήσεων είναι η Poisson και ο ρυθμός άφιξης λ(calls/sec). Ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών είναι C και ο χρόνος εξυπηρέτησης των 108

109 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών κλήσεων ακολουθεί την εκθετική κατανομή με μέση τιμή 1/μ όπου μ είναι ο ρυθμός εξυπηρέτησης (calls/sec). Στο σύστημα αναμονής αν μία εισερχόμενη κλήση δεν βρει ελεύθερο κανάλι για εξυπηρέτηση τότε δεν εγκαταλείπει το σύστημα αλλά τοποθετείται στην ουρά αναμονής. Οι κλήσεις εξυπηρετούνται με τη σειρά που αφίχθηκαν στο σύστημα και η ουρά αναμονής υποθέτουμε οτι έχει άπειρες θέσεις αναμονής. Ο βαθμός εξυπηρέτησης στην περίπτωση αυτή είναι η πιθανότητα μία κλήση να εγκαταλείψει το σύστημα αφού περιμένει στην ουρά αναμονής για ένα προκαθορισμένο διάστημα. Το σύστημα αναμονής συμβολίζεται και ως Μ/Μ/s(m) σύμφωνα με το συμβολισμό του Kendall. Το διάγραμμα καταστάσεων ενός συστήματος αναμονής δείχνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Σχήμα 2.31 Διάγραμμα καταστάσεων ενός συστήματος αναμονής Σε ένα σύστημα αναμονής η πιθανότητα μία κλήση να αναμείνει στην ουρά αναμονής δίνεται από τον τύπο: Ο τύπος 2.23 ονομάζεται Erlang C formula. Μπορούμε να υπολογίσουμε την ίδια πιθανότητα με τον αναδρομικό τύπο του Erlang C formula. Άλλες ενδιαφέρουσες παράμετροι που μπορούμε να υπολογίσουμε για ένα σύστημα αναμονής είναι η μέση τιμή των κλήσεων αναμονής καθώς και το μέσο χρόνο αναμονής στην ουρά αναμονής με βάση τους παρακάτω τύπους: 109

110 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Εάν η κλήση δεν βρεί διαθέσιμο κανάλι για να εξυπηρετηθεί έγκαιρα τότε η πιθανότητα να περιμένει στην ουρά αναμονής για χρόνο περοσσότερο από t δευτερόλεπτα υπολογίζεται από τον τύπο: Και στην περίπτωση των συστημάτων αναμονής υπάρχουν καμπύλες φόρτισης και πίνακες Erlang C που δείχνουν τη σχέση μεταξύ του προσφερόμενου φορτίου (α), του αριθμού των καναλιών (C) και του βαθμού εξυπηρέτησης (GoS). Έχοντας ως δεδομένα δύο παραμέτρους μπορούμε να βρούμε την τιμή της τρίτης. Τα συστήματα αναμονής χρησιμοποιούνται σε υπηρεσίες των κινητών επικοινωνιών Βελτίωση της χωρητικότητας στα κυτταρικά δίκτυα Η σημερινή μορφή των δικτύων κινητών επικοινωνιών και η ευελιξία που παρέχουν οδηγούν σε μία ολοένα και αυξανόμενη χρήση των υποδομών τους. Οι πάροχοι καλούνται να ικανοποιήσουν τις πολυάριθμες αιτήσεις για πρόσβαση στις υπηρεσίες των δικτύων και να αντιμετωπίσουν την συνεχή αύξηση της χωρητικότητας. Η βελτίωση της χωρητικότητας του δικτύου είναι επιτακτική ανάγκη και αποτελεί μία πρόκληση για τον κυτταρικό σχεδιασμό αφού ο περιορισμένος αριθμός των διαθέσιμων πόρων και η πυκνότερη επαναχρησιμοποίηση οδηγεί στην αύξηση των παρεμβολών. Στην ενότητα αυτή παραθέτουμε μερικές από τις μεθόδους για την βελτίωση της χωρητικότητας του δικτύου που είναι οι εξής: Αγορά νέου φάσματος Διάσπαση κυττάρου (cell splitting) Δημιουργία τομέων (cell sectoring) Μεταπήδηση συχνότητας (frequency hopping) Ζωνικές μικροκυψέλες 110

111 Κεφάλαιο 2 ο Αγορά νέου φάσματος Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Η πρώτη λύση που θα μπορούσαμε να εφαρμόσουμε για την αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου είναι η αγορά νέου φάσματος συχνοτήτων. Έτσι θα έχουμε τη δυνατότητα να καταχωρήσουμε μεγαλύτερο αριθμό καναλιών σε κύτταρα με αυξημένη συνδρομητική κίνηση αυξάνοντας τη χωρητικότητά τους και αποφορτίζοντας τα. Όμως η λύση αυτή δεν ενδείκνυται αφού όπως έχουμε αναφέρει το διαθέσιμο φάσμα είναι πολύ περιορισμένο και ο κάθε πάροχος δικαιούται καθορισμένο αριθμό καναλιών. Αυτό συνεπάγεται οτι έχοντας εξαντλήσει το κομμάτι του φάσματος που διατίθεται για την λειτουργία του δικτύου θα πρέπει να στραφούμε στην σωστή και αποτελεσματική διαχείρισή του Διάσπαση κυττάρου (cell splitting) Η τεχνική της διάσπασης κυττάρων πραγματοποιείται όταν παρατηρείται αύξηση της συνδρομητικής κίνησης η οποία δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί από κάποιο κύτταρο σύμφωνα με τον αρχικό σχεδιασμό. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή το αρχικό κύτταρο διασπάται σε έναν αριθμό από μικρότερου μεγέθους κύτταρα. Σε κάθε ένα από αυτά τοποθετείται ένας νέος σταθμός βάσης και καταχωρείται ένα σύνολο συχνοτήτων. Με τον τρόπο αυτό ναι μεν επιτυγχάνεται κάλυψη της ίδιας γεωγραφικής περιοχής από περισσότερα και μικρότερα κύτταρα όμως λόγω της πυκνότερης επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων αυξάνεται εκπληκτικά η χωρητικότητα χωρίς την απαίτηση μεγαλύτερου φάσματος. Η διαδικασία της κυτταρικής διάσπασης συνεχίζεται μέχρις ότου η γεωγραφική περιοχή καλυφθεί επαρκώς και ικανοποιούνται οι απαιτήσεις ως προς την αύξηση της χωρητικότητας. Η βασική ιδέα πίσω από την υλοποίηση της κυτταρικής διάσπασης είναι οτι εάν μειώσουμε την ακτίνα του αρχικού κυττάρου κατά έναν παράγοντα κ τότε αυξάνεται ο αριθμός των κυττάρων κατά έναν παράγοντα κ². Αυτό οδηγεί στο να έχουμε τον ίδιο αριθμό καναλιών ανά κυψέλη αλλά με κ² περισσότερα κανάλια ανα km². Ωστόσο για την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη της περιοχής του κάθε νέου κυττάρου θα πρέπει η ισχύς εκπομπής να μειωθεί κατά κ n όπου n ο εκθέτης που υποδεικνύει τη μεταβολή της ισχύος συναρτήσει της απόστασης. Θεωρητικά μειώνοντας συνεχώς το μέγεθος των κυττάρων και επαναχρησιμοποιώντας της ίδιες συχνότητες μπορούμε να αυξάνουμε διαρκώς τη χωρητικότητα του δικτύου. Θα πρέπει ωστόσο στο βήμα της καταχώρησης των συχνοτήτων να μην παραβιάζονται τα κριτήρια για την ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής και της παρεμβολής γειτονικού καναλιού. Ένα από τα μειονεκτήματα της κυτταρικής διάσπασης είναι η απαίτηση για εγκατάσταση νέων σταθμών βάσης που οδηγεί σε αύξηση του κόστους υποδομής. Επίσης όσο μικραίνει η έκταση των κυττάρων αυξάνει ο αριθμός των μεταγωγών ενώ λόγω της πυκνότερης επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων αυξάνεται και η στάθμη της ομοκαναλικής παρεμβολής. Αντιλαμβανόμαστε επομένως οτι η κυτταρική διάσπαση αν και αποτελεί ισχυρό όπλο στα χέρια των σχεδιαστών των 111

112 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών κινητών δικτύων θα πρέπει να πραγματοποιείται με μεγάλη προσοχή και μόνο σε περιοχές όπου η χωρητικότητα τους βρίσκεται στα όρια και όχι σε ολόκληρη την γεωγραφική περιοχή του δικτύου. Με την διάσπαση των κυττάρων δίνεται η δυνατότητα της προσαρμογής στο κυτταρικό δίκτυο ως προς την κατανομή της συνδρομητικής κίνησης και των απαιτήσεων της χωρητικότητας. Σε περίπτωση όπου δεν υπάρχει η δυνατότητα της εγκατάστασης πολλών νέων σταθμών βάσης υπάρχει η λύση της κυτταρικής διάσπασης σε συνδυασμό με τη δημιουργία επικαλυπτόμενων κυττάρων με διαφορετικό μέγεθος για την αντιμετώπιση της αύξησης της χωρητικότητας. Τα κύτταρα που θα δημιουργηθούν από την διαδικασία της κυτταρικής διάσπασης θα καλύπτονται από τον υπάρχον σταθμό βάσης πριν τη διάσπαση. Απαιτείται όμως ιδιαίτερη προσοχή στο σχεδιασμό των συχνοτήτων για την αποφυγή της αύξησης των παρεμβολών. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κυτταρική διάσπαση σε συνδυασμό με τη δημιουργία επικαλυπτόμενων κυττάρων. Σχήμα 2.32 Διαδικασία κυτταρικής διάσπασης. Συμπερασματικά η κυτταρική διάσπαση και η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων αποτελούν τα βασικά εργαλεία για την αντιμετώπιση της αύξησης της συνδρομητικής κίνησης Δημιουργία τομέων (cell sectoring) Μία άλλη μέθοδος η οποία χρησιμοποιείται για την αύξηση της χωρητικότητας είναι η δημιουργία τομέων. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή μία κυψέλη διαιρείται σε έναν αριθμό από τομείς (sectors). Για την κάλυψη των τομέων χρησιμοποιούνται κατευθυντικές κεραίες οι οποίες τοποθετούνται στις παρυφές των τομέων. Κάθε τομέας αποτελεί στην πραγματικότητα ένα νέο κύτταρο και διαθέτει τη δική του ομάδα συχνοτήτων. Τα σύγχρονα κυτταρικά δίκτυα χρησιμοποιούν τομείς των 120 ο ή των 60 ο οπότε ο αριθμός των καναλιών μοιράζεται σε 3 ή 6 διαφορετικές ομάδες 112

113 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών αντίστοιχα. Με την τομεοποίηση το μέγεθος του υπερκυττάρου μπορεί να μειωθεί επιτρέποντας μεγαλύτερη επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων επιτυγχάνοντας αύξηση της χωρητικότητας. Επιπλέον η ομοκαναλική παρεμβολή μειώνεται διότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ακολουθεί την κατεύθυνση του τομέα και δεν προκαλεί παρεμβολή σε ομοκαναλικά κύτταρα που βρίσκονται σε διαφορετική κατεύθυνση από αυτή τη τομέα. Το τίμημα που πληρώνουμε είναι η αύξηση των μεταγωγών αφού ο κάθε τομέας αποτελεί ένα νέο κύτταρο, η αύξηση της πολυπλοκότητας του κυτταρικού συστήματος και η μείωση της απόδοσης της συγκέντρωσης των καναλιών λόγω του χωρισμού των καναλιών του σταθμού βάσης σε ομάδες. Σχήμα 2.33 Δημιουργία τομέων α) 120 Ο sectoring β) 60 ο sectoring Μεταπήδηση συχνότητας (frequency hopping) Η μεταπήδηση συχνότητας είναι μία λειτουργία που υποστηρίζεται από τα σύγχρονα κινητά δίκτυα. Με την τεχνική αυτή ένας πομποδέκτης δεν χρησιμοποιεί αποκλειστικά μία συχνότητα αλλά έχει τη δυνατότητα να εκπέμπει και να λαμβάνει σε διαφορετικές συχνότητες επιλέγοντας από μία βάση συχνοτήτων. Οι συχνότητες ομαδοποιούνται και η επιλογή της συχνότητας που θα χρησιμοποιήσει ο πομποδέκτης καθορίζεται από μία ψευδοτυχαία ακολουθία. Η μεταπήδηση συχνότητας σε συνδυασμό με τις τεχνικές καταχώρησης επιτρέπει μεγαλύτερη επαναχρησιμοποίηση και βελτιώνει αισθητά τη χωρητικότητα του δικτύου. Παράλληλα επιτυγχάνεται μείωση των παρεμβολών και προστασία του σηματοθορυβικού λόγου (SNR) από το φαινόμενο των διαλείψεων αφού η εκπομπή και λήψη σε μία συγκεκριμένη συχνότητα πραγματοποιείται για μικρό χρονικό διάστημα Ζωνικές μικροκυψέλες Οι ζωνικές μικροκυψέλες αποτελούν μία άλλη λύση στην αντιμετώπιση της αυξημένης συνδρομητικής κίνησης. Η δομή τους παρουσιάζεται στο σχήμα που ακολουθεί. 113

114 Κεφάλαιο 2 ο Αρχές κυτταρικών δικτύων κινητών επικοινωνιών Σχήμα 2.34 Δημιουργία ζωνικών μικροκυψελών Με την τεχνική αυτή τα κανάλια δεν χρειάζεται να μοιραστούν ανά κεραία και επομένως δεν απαιτούνται μεταγωγές εντός του κυττάρου ενώ δεν παρατηρείται μείωση της απόδοσης της συγκέντρωσης. Σημαντικό ωστόσο μειονέκτημα είναι το γεγονός οτι ο σταθμός βάσης για την υλοποίησης της συγκεκριμένης τεχνικής πρέπει να είναι κατανεμημένος ενώ απαιτούνται και επιπλέον ζεύξεις Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό αναλύσαμε τις βασικές έννοιες και τις τεχνικές παραμέτρους που εμπλέκονται στον κυτταρικό σχεδιασμό των κινητών δικτύων. Γνωρίσαμε τις θεμελιώδεις αρχές της κυτταρικής κάλυψης και της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων, οι οποίες οδήγησαν στην αλλαγή της αρχιτεκτονικής και της λειτουργίας των κινητών δικτύων. Χάρη στις τεχνικές καταχώρησης των συχνοτήτων και στις μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης έχουμε τη δυνατότητα της βέλτιστης διαχείρισης του περιορισμένου διαθέσιμου φάσματος οι οποίες σε συνδυασμό με την τήρηση των απαιτούμενων κριτηρίων περιορίζουν την ισχύ των παρεμβολών σε αποδεκτά σύμφωνα με τις προδιαγραφές όρια προστατεύοντας τον λόγο C/I και διασφαλίζοντας υψηλή ποιότητα εξυπηρέτησης (QoS) και παρεχομένων υπηρεσιών. Επιπλέον μπορέσαμε να μοντελοποιήσουμε την πολυπλοκότητα των κινητών δικτύων με τη πολύτιμη βοήθεια της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και της θεωρίας της συγκέντρωσης και να εξυπηρετήσουμε την συνεχώς αυξανόμενη χωρητικότητα με τη χρήση βασικών τεχνικών όπως η κυτταρική διάσπαση, η τομεοποίηση και η μεταπήδηση συχνοτήτων. 114

115 Κεφάλαιο 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Υλοποίηση κυτταρικού σχεδιασμού δικτύου κινητών επικοινωνιών στην περιοχή των Πατρών-Σενάριο FCA 3.1 Εισαγωγή Το τρίτο κεφάλαιο περιγράφει τη διαδικασία του κυτταρικού σχεδιασμού (cell planning) της γεωγραφικής περιοχής των Πατρών. Στα πλαίσια του συγκεκριμένου κεφαλαίου εφαρμόζοντας στην πράξη τα βασικά στάδια της κυτταρικής σχεδίασης που περιγράφησαν στο πρώτο κεφάλαιο, μελετώντας τις εμπλεκόμενες τεχνικές παραμέτρους και αξιοποιώντας τις θεμελιώδεις αρχές που δομούν τα κυτταρικά συστήματα θα υλοποιήσουμε το επίπεδο του ραδιοδικτύου ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών. Στόχος μας είναι η δημιουργία ενός πλάνου κυττάρων το οποίο θα απεικονίζεται πάνω στο χάρτη και θα παρέχει επαρκή κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής της Πάτρας καθώς επίσης και ο σχεδιασμός των συχνοτήτων ο οποίος θα πρέπει να ανταποκρίνεται στις ανάγκες της χωρητικότητας και στην ελαχιστοποίηση των παρεμβολών του δικτύου. 3.2 Γεωγραφική περιοχή κυτταρικού σχεδιασμού. Η γεωγραφική περιοχή που επιλέξαμε για τον κυτταρικό σχεδιασμό του δικτύου κινητών επικοινωνιών είναι η Πάτρα. Πριν ξεκινήσουμε την όλη διαδικασία είναι απαραίτητο να πραγματοποιήσουμε μία διερεύνηση της περιοχής και να συλλέξουμε κάποια πολύτιμα στοιχεία σχετικά με την πληθυσμιακή κατανομή, τον γεωγραφικό προσδιορισμό της περιοχής, το ανάγλυφο και τις ιδιαιτερότητες του περιβάλλοντος της σχεδίασης. Η Πάτρα είναι η πρωτεύουσα του νομού Αχαΐας και ένα από τα μεγαλύτερα αστικά κέντρα της Ελλάδος. Βρίσκεται στα βόρεια παράλια της Πελοποννήσου και βρέχεται από τον Πατραϊκό κόλπο. Βόρεια της βρίσκεται ο δήμος του Ρίου, νότια συνορεύει με του δήμους Παραλίας και Μεσσάτιδας ενώ στα ανατολικά της εκτείνεται το Παναχαϊκό όρος. Ο πληθυσμός της σύμφωνα με την απογραφή του 2011 ανέρχεται στις κατοίκους. Το γεωγραφικό της ανάγλυφο δεν είναι ομοιόμορφο. Κινούμενοι από τα παράλια προς το Παναχαϊκό όρος το υψόμετρο κυμαίνεται από μηδέν έως τα 1790 μέτρα στις κορυφές του όρους. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η περιοχή της Πάτρας και το γεωγραφικό της ανάγλυφο. Η περιοχή στην οποία θα πραγματοποιηθεί ο κυτταρικός σχεδιασμός οριοθετείται από την πράσινη γραμμή. Η συνολική έκταση της οριοθετημένης περιοχής είναι km 2 και μετρήθηκε με το λογισμικό πρόγραμμα Google Earth. 115

116 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Εικόνα 3.1 Γεωγραφική περιοχή κυτταρικού σχεδιασμού Η επόμενη φωτογραφία επιδεικνύει την μορφολογία του εδάφους και την υψομετρική διαφορά μέχρι το Παναχαϊκό όρος. Εικόνα 3.2 Πλάγια όψη της γεωγραφικής περιοχής του κυτταρικού σχεδιασμού. 116

117 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Στα πλαίσια ενός ορθότερου και πιο πραγματικού κυτταρικού σχεδιασμού η περιοχή της Πάτρας διαιρέθηκε σε τέσσερις μικρότερες περιοχές (υποπεριοχές). Η κάθε μία από αυτές χαρακτηρίζεται από τις δικές της σχεδιαστικές παραμέτρους όπως είναι η κατανομή του πληθυσμού, το προφίλ των συνδρομητών, η κατανομή και η ποσότητα της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά κ.λ.π. Εντός της κάθε περιοχής υποθέτουμε ότι η πληθυσμιακή κατανομή είναι ομοιόμορφη. Αυτό συμβαίνει διότι ο συνολικός πληθυσμός της περιοχής δεν κατανέμεται ομοιόμορφα και το ανάγλυφο χαρακτηρίζεται από μία ποικιλομορφία. Οι περιοχές που προκύπτουν από την διάσπαση είναι η αστική, η ημιαστική, η ορεινή και το όρος Παναχαϊκό. Στον πίνακα που ακολουθεί αναγράφεται η κατανομή του πληθυσμού και η έκταση της κάθε περιοχής. Περιοχές Πληθυσμός Έκταση (km 2 ) Αστική Ημιαστική Ορεινή Όρος Παναχαϊκό - 78 Σύνολο Πληθυσμού/Έκτασης Πίνακας 3.1 Κατανομή του πληθυσμού και έκταση των περιοχών του δικτύου. Για την δημιουργία του παραπάνω πίνακα ισχύουν οι εξής υποθέσεις: 1. Το 70% του συνολικού πληθυσμού συγκεντρώνεται στην αστική περιοχή. 2. Το 27.5% του συνολικού πληθυσμού συγκεντρώνεται στην ημιαστική περιοχή. 3. Το 2.5% του συνολικού πληθυσμού συγκεντρώνεται στην ορεινή περιοχή. 4. Στο όρος Παναχαϊκό δεν θεωρήσαμε κάποιο ποσοστό κατοίκων και ο σχεδιασμός του δικτύου στο τμήμα αυτό βασίστηκε στην υπόθεση των εποχούμενων συνδρομητών. Με βάση την παραπάνω στρατηγική θα πρέπει η κυτταρική σχεδίαση της κάθε περιοχής να διέπεται από τα χαρακτηριστικά, τις γεωγραφικές ιδιαιτερότητές της και της απαιτήσεις της ως προς την συνδρομητική κίνηση. Αφού μελετήσουμε την κάθε περιοχή ξεχωριστά στη συνέχεια ο τελικός κυτταρικός σχεδιασμός θα προκύψει από το συνδυασμό των επιμέρους σχεδιάσεων. Στο υπόλοιπο μέρος παρατίθεται ο κυτταρικός σχεδιασμός όλων των περιοχών καθώς και η τελική υλοποίηση του επιπέδου του ραδιοδικτύου του δικτύου κινητών επικοινωνιών. Επιπλέον η τεχνολογία που θα χρησιμοποιηθεί στο κυψελωτό δίκτυο κινητών επικοινωνιών της Πάτρας είναι το GSM. Η συχνότητα λειτουργίας του GSM είναι τα 900 MHz και το μέγεθος του κυτταρικού συγκροτήματος (cluster size) είναι Ν=12. Για την υλοποίηση του δικτύου θα χρησιμοποιηθούν μόνο οι 60 από τις 124 συχνότητες του ραδιοφάσματος της τεχνολογίας GSM. Αυτό συνεπάγεται οτι ανάλογα με τις τηλεπικοινωνιακές ανάγκες της κάθε περιοχής θα πρέπει να 117

118 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA διαχειριστούμε και να κατανείμουμε τις διαθέσιμες συχνότητες κατάλληλα και σύμφωνα πάντα με τα κριτήρια της επαναχρησιμοποίησης και τις προδιαγραφές της ποιότητας εξυπηρέτησης. Στην εικόνα που ακολουθεί δείχνονται οι τέσσερις υποπεριοχές του δικτύου. Με κίτρινο χρώμα απεικονίζεται η αστική περιοχή, με γαλάζιο η ημιαστική περιοχή, με πορτοκαλί η ορεινή και με άσπρο το Παναχαϊκό όρος. Εικόνα 3.3 Υποπεριοχές του δικτύου κινητών επικοινωνιών Αστική περιοχή Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα. Η αστική περιοχή είναι η πιο πυκνοκατοικημένη περιοχή του δικτύου. Συγκεντρώνει το 70% του συνολικού πληθυσμού δηλαδή κατοίκους και έχει έκταση μόλις 15 km 2. Οι κάτοικοι της αστικής περιοχής θεωρούμε οτι κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλη την έκταση της. Η πυκνότητα των κατοίκων είναι κάτοικοι/ km 2. Λόγω της υψηλής συγκέντρωσης του πληθυσμού αναμένουμε να παράγεται μεγάλη τηλεπικοινωνιακή κίνηση κατά τη διάρκεια της ώρας αιχμής. Για να μπορέσουμε να υπολογίσουμε την συνδρομητική κίνηση που αναμένεται να διαχειριστεί το δίκτυο στη συγκεκριμένη περιοχή υποθέτουμε οτι από το σύνολο του 118

119 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA πληθυσμού της αστικής περιοχής μόνο το 70% δηλαδή συνδρομητές πραγματοποιούν κλήσεις κατά τη διάρκεια της ώρας αιχμής με ρυθμό λ=1.2κλήσεις/ώρα και χρονική διάρκεια h=84sec. Χρησιμοποιώντας τον τύπο 2.18 υπολογίζουμε οτι η κίνηση που παράγει ένας συνδρομητής είναι: Ac=λ*h=(1.2*84)/3600=0.028 erl. Εφόσον οι συνδρομητές την ώρα αιχμής είναι η συνολική συνδρομητική κίνηση της αστικής περιοχής την ώρα αιχμής είναι : Atotal=N*Ac=105146*0.028= erl Παρατηρούμε οτι η αστική περιοχή εμφανίζει αυξημένη τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Από την άλλη πλευρά για την εξυπηρέτηση των συνδρομητών διαθέτουμε μόνο 60 συχνότητες. Υποθέτοντας ομοιόμορφη την κατανομή της συνδρομητικής κίνησης των erl αποφασίζουμε να καταχωρήσουμε τις 60 συχνότητες στα 12 κύτταρα του υπερκυττάρου. Με την καταχώρηση αυτή το κάθε κύτταρο διαθέτει για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητάς του 60/12=5 συχνότητες. Χρησιμοποιώντας την τεχνική πρόσβασης FDMA/TDMA και αφού το TDMA πλαίσιο της τεχνολογίας GSM διαθέτει 8 χρονοθυρίδες (timeslots) το κάθε κύτταρο θα διαθέτει τελικώς 5*8=40 κανάλια για την επικοινωνιακή κάλυψη των συνδρομητών του. Το επόμενο πολύ σημαντικό βήμα είναι η επιλογή του βαθμού εξυπηρέτησης (GoS) των συνδρομητών την ώρα αιχμής. Θα πρέπει να επισημάνουμε οτι το σύστημα που θα υλοποιήσουμε με βάση τη θεωρία της τηλεπικοινωνιακής κίνησης ανήκει στην κατηγορία των συστημάτων απωλειών. Για να προσδιορίσουμε επομένως την πιθανότητα μπλοκαρίσματος και απώλειας μίας κλήσης θα χρησιμοποιούμε τον τύπο 2.21 Erlang B-formula. Με δεδομένο τον αριθμό των καναλιών σε κάθε κύτταρο το συνδρομητικό φορτίο κίνησης της κυψέλης διαφοροποιείται ανάλογα με το βαθμό εξυπηρέτησης που θα επιλεγεί. Στην παρούσα φάση θα πραγματοποιήσουμε διερεύνηση για τρείς τιμές του GoS, για 2%, 3% και 5%. Για να υπολογίσουμε την κίνηση που παράγεται σε κάθε κύτταρο την ώρα αιχμής θα χρησιμοποιήσουμε τον τύπο Erlang B-formula (2.21) ή μπορούμε να ανατρέξουμε σε πίνακες που συνδυάζουν το GoS, τον αριθμό των καναλιών και το φορτίο κίνησης. Με βάση τους πίνακες Erlang B προσδιορίζουμε οτι το φορτίο κίνησης της κυψέλης για 40 κανάλια και GoS 2%, 3% και 5% είναι 31 erl, 32.4 erl και 34.6 erl αντίστοιχα. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνεται ένας πίνακας Erlang B και υποδεικνύεται η διαδικασία προσδιορισμού του φορτίου κίνησης της αστικής περιοχής για 40 κανάλια και GoS 2% και 5%. 119

120 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.1 Πίνακας Erlang B Η στήλη C αναγράφει τον αριθμό των καναλιών, η πρώτη οριζόντια γραμμή την πιθανότητα απώλειας της κλήσης (GoS) και οι υπόλοιπες γραμμές του πίνακα αναγράφουν το φορτίο κίνησης για δεδομένο C και GoS. Ωστόσο ο κυτταρικός σχεδιασμός της αστικής περιοχής και γενικά της περιοχής της Πάτρας θα πραγματοποιηθεί για GoS=2%. Έχοντας υπολογίσει το φορτίο κίνησης του κυττάρου για GoS=2% το επόμενο στάδιο είναι ο προσδιορισμός της έκτασης και της ακτίνας του. Για να το επιτύχουμε αυτό θα πρέπει να γνωρίζουμε τη χωρητικότητα του δηλαδή των αριθμό των συνδρομητών που εξυπηρετεί. Διαιρώντας το φορτίο κίνησης της κυψέλης με την κίνηση που παράγει ένας συνδρομητής υπολογίζουμε τη χωρητικότητα της κυψέλης η οποία είναι η εξής: 120

121 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Συνδρομητές κυψέλης= 31erl / 0.028erl = 1107 Εφόσον γνωρίζουμε οτι συνδρομητές κατανέμονται ομοιόμορφα σε 15 km 2 οι 1107 συνδρομητές κατανέμονται σε km 2 που είναι το εμβαδόν της κυψέλης. Στη συνέχεια από τον τύπο του εμβαδού του κανονικού εξαγώνου Ε=2.598*R 2 αντικαθιστώντας όπου Ε= προσδιορίζουμε οτι η ακτίνα του κυττάρου είναι R=0.247 km. Με γνωστό πλέον το εμβαδόν του κάθε κυττάρου και δεδομένη την έκταση της αστικής περιοχής υπολογίζουμε τον αριθμό των κυττάρων που απαιτούνται για την επαρκή κάλυψή της: Αριθμός κυττάρων αστικής περιοχής=εαστικής περιοχής/εκυττάρου=15 km 2 / km 2 = 95 Την ίδια διαδικασία εφαρμόζουμε και για GoS=3% και GoS=5% για την εύρεση της χωρητικότητας, της έκτασης και της ακτίνας του κάθε κυττάρου καθώς και το συνολικό αριθμό των κυττάρων για επαρκή κάλυψη της αστικής περιοχής. Όλα τα αποτελέσματα από το στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα για GoS=2%,3% και 5% παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Αστική περιοχή Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Αριθμός καναλιών κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης κυψέλης Τιμές Παραμέτρων (GoS=2%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=3%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=5%) κλήσεις/ώρα 1.2 κλήσεις/ώρα 1.2 κλήσεις/ώρα 84 sec 84 sec 84 sec erl erl erl erl erl erl 40 / 5 40 / 5 40 / 5 31 erl 32.4 erl 34.6 erl 121

122 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Εμβαδόν km km km 2 κυψέλης Ακτίνα κυψέλης 0.247km 0.252km 0.260km Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα 7009/ km / km / km 2 συνδρομητών Πυκνότητα erl/ km erl/ km erl/ km 2 φορτίου κίνησης Αριθμός 95 (8*12=96) 91 (8*12=96) 86 (8*12=96) κυψελών Αριθμός cluster Απόδοση 77.5% 81% 86.5% καναλιού Ισχύς εκπομπής dBm dBm dBm Πίνακας 3.2 Διαστασιολόγηση της αστικής περιοχής Αξιολογώντας τα δεδομένα του πίνακα θα παρατηρήσουμε οτι η αστική περιοχή καλύπτεται από αρκετά και μικρά κύτταρα. Η μικροκυτταρική αυτή δομή κρίνεται επιβεβλημένη λόγω της υψηλής συνδρομητικής κίνησης και χωρητικότητας της συγκεκριμένης περιοχής. Η απόφαση για την εκχώρηση 5 συχνοτήτων σε κάθε κύτταρο αποτελεί όχι μόνο μία λύση για την εξυπηρέτηση του μεγάλου αριθμού των συνδρομητών αλλά και ένα συμβιβασμό σχετικά με το κόστος υλοποίησης του δικτύου. Εάν είχαμε καταχωρήσει μικρότερο αριθμό καναλιών στο κάθε κύτταρο τότε θα απαιτούνταν πολύ μεγαλύτερος αριθμός κυττάρων για την κάλυψη της περιοχής και επομένως και μεγάλος αριθμός σταθμών βάσης επιβαρύνοντας οικονομικά την υλοποίηση. Από την άλλη μεριά διαπιστώνουμε οτι αυξάνοντας το βαθμό εξυπηρέτησης (GoS) μειώνεται ο αριθμός των κυττάρων που απαιτούνται για την κάλυψη της αστικής περιοχής. Αυτό οδηγεί και πάλι σε εξοικονόμηση των σταθμών βάσης που θα χρειαστούν για την εξυπηρέτηση των κυττάρων. Ωστόσο επειδή η αστική περιοχή είναι πυκνοκατοικημένη και με αυξημένες επικοινωνιακές ανάγκες υιοθετούμε μία πολιτική που αποσκοπεί στη όσο το δυνατόν καλύτερη εξυπηρέτηση των συνδρομητών επιλέγοντας έτσι GoS=2% Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Τα δεδομένα που υπολογίσαμε στην ενότητα προκύπτουν από τη διαστασιολόγηση του δικτύου για την αστική περιοχή με βάση τη χωρητικότητα και την εκτίμηση της συνδρομητικής κίνησης. Στο στάδιο της διαστασιολόγησης ως προς την κάλυψη θα πρέπει να πραγματοποιήσουμε τον ισολογισμό ισχύος και να 122

123 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA αξιολογήσουμε αν τα δεδομένα αυτά είναι επαρκή και λογικά για την κάλυψη της αστικής περιοχής. Η αστική περιοχή της Πάτρας χαρακτηρίζεται από πυκνή κτιριακή δόμηση και μεγάλο πλήθος τεχνητών εμποδίων. Επομένως το περιβάλλον διάδοσης θα λέγαμε οτι καθίσταται εχθρικό και η λήψη σήματος προβληματική λόγω των ισχυρών κυματικών φαινομένων. Πέραν των απωλειών ελευθέρου χώρου που οφείλονται στην απομάκρυνση από την κεραία εκπομπής και τη συχνότητα έχουμε και επιπρόσθετη εξασθένηση του σήματος λόγω των ταχέων και βραδέων διαλείψεων. Το περιβάλλον γύρω από τη γεωγραφική θέση του συνδρομητή προκαλεί πολλαπλές ανακλάσεις εντείνοντας το φαινόμενο της πολυόδευσης και προκαλώντας έντονες διακυμάνσεις στην ισχύ του λαμβανομένου σήματος ακόμα και όταν ο συνδρομητής παραμένει ακίνητος. Από την άλλη η ύπαρξη πολλών και μεγάλων τεχνητών εμποδίων όπως τα ψηλά κτίρια έχουν ως συνέπεια της απόκρυψη της οπτικής επαφής της κεραίας του σταθμού βάσης και της φορητής συσκευής και την παραβίαση της πρώτης ζώνης Fresnel. Το φαινόμενο της σκίασης λοιπόν οδηγεί σε απότομες βυθίσεις της στάθμης του σήματος καθιστώντας προβληματική την επικοινωνία των συνδρομητών. Τα κυματικά φαινόμενα και οι απώλειες που προκαλούν θα πρέπει να συμπεριληφθούν στους υπολογισμούς μας. Η επίδραση των φαινομένων αυτών εμπεριέχεται μέσα στα μοντέλα ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης καθώς και στην αύξηση της στάθμης ευαισθησίας των φορητών συσκευών που θα αναλύσουμε παρακάτω. Για να υπολογίσουμε τις απώλειες που θα υφίσταται το εκπεμπόμενο σήμα κατά τη διάδοσή του στη γεωγραφική περιοχή κάλυψης του κυττάρου θα χρησιμοποιήσουμε τα μοντέλα ελευθέρου χώρου (Free Space Loss-FSL) και Cost231-Walfish- Ikegami. Το Free Space Loss μοντέλο το χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε τις απώλειες λόγω της απόστασης και της συχνότητας (η συχνότητα λειτουργίας είναι τα 900MHz). Το μοντέλο Cost231-Walfish-Ikegami χρησιμοποιείται λόγω του περιβάλλοντος διάδοσης και του γεγονότος οτι δίνει πιο ακριβή αποτελέσματα σε σχέση με το μοντέλο Okumura-Hata για κύτταρα με πολύ μικρή ακτίνα R<<1km όπως η ακτίνα των 0.247km που υπολογίσαμε στην προκειμένη περίπτωση. Τα δύο μοντέλα είναι τα εξής: FSL= *log10 (d)+20*log10(f) Όπου d: η απόσταση σε km f: η συχνότητα σε MHz Cost231-Walfish-Ikegami για τα 900MHz L_wi= *log10(d)-18*log10(Hbts-17) Όπου d: η απόσταση σε km Hbts: ύψος τοποθέτησης του οικίσκου του σταθμού βάσης Κατά τη σχεδίαση θα πρέπει να προσέξουμε να υπάρχει επαρκής κάλυψη σε όλη την έκταση του κυττάρου. Η πιο δυσμενής περίπτωση όσον αφορά τη λήψη του σήματος 123

124 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA είναι όταν ο συνδρομητής κινείται στα όρια του κυττάρου. Η στάθμη ευαισθησίας της φορητής συσκευής διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στο μέγεθος του κυττάρου. Για τη σχεδίαση της αστικής περιοχής αλλά και για τη συνολική σχεδίαση της περιοχής των Πατρών θεωρούμε οτι η στάθμη ευαισθησίας (sensitivity level) των φορητών συσκευών είναι SSM=-102 dbm. Ωστόσο για να είμαστε πιο ακριβείς θα πρέπει να συμπεριλάβουμε στους υπολογισμούς μας και τις απώλειες των κυματικών φαινομένων. Οι απώλειες αυτές ονομάζονται περιθώρια (margins) και επιδρούν στην στάθμη του λαμβανομένου σήματος. Η επίδραση τους έχει ως αποτέλεσμα την τροποποίηση της παραμέτρου SSM. Τα περιθώρια που θα λάβουμε υπόψην μας είναι τα εξή: Περιθώριο Rayleigh (Rmarg) διαλείψεων: το περιθώριο αυτό λαμβάνεται υπόψην λόγω του φαινομένου των πολλαπλών ανακλάσεων και προσομοιώνει τις απώλειες λόγω της πολυόδευσης του σήματος. Περιθώριο παρεμβολών (Imarg): το περιθώριο αυτό αντιπροσωπεύει τις απώλειες λόγω της ομοκαναλικής παρεμβολής και της παρεμβολής γειτονικού καναλιού που προκαλούνται από την επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων. Περιθώριο απωλειών απορρόφησης ανθρωπίνων ιστών (Bmarg) : αντιπροσωπεύει τις απώλειες που προκύπτουν από την απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τους ανθρώπινους ιστούς. Για την σχεδίαση της αστικής περιοχής τα περιθώρια αυτά λαμβάνουν τις εξής τιμές: Rmarg = 3 db Imarg = 2 db Bmarg = 1dB Εάν συμπεριλάβουμε τα εν λόγω περιθώρια η ισχύς του λαμβανομένου σήματος στα όρια του κυττάρου θα είναι: Pr=SSM+ Rmarg+Imarg+Bmarg= =-96 dbm Έχοντας ως δεδομένα εισόδου την ακτίνα του κυττάρου, τις απώλειες διάδοσης και την ισχύ του λαμβανομένου σήματος στα όρια της κυψέλης πραγματοποιώντας το ισοζύγιο ισχύος (link budget) θα υπολογίσουμε την ισχύ που απαιτείται να εκπέμπει ο σταθμός βάσης για την πλήρη κάλυψη. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο κώδικας σε Matlab υπολογισμού της εκπεμπόμενης ισχύος στον οποίο αναγράφονται οι τιμές των αναφερθέντων παραμέτρων και επεξηγείται η χρήση της κάθε παραμέτρου. /*******************************************************************************************/ Gt=10; %dbi Κέρδος κεραίας εκπομπής του σταθμού βάσης Gr=1; %dbi Κέρδος κεραίας της φορητής συσκευής SSM=-102; %dbm Κατώφλι ευαισθησίας του κινήτου Cable_losses=3.6; %db Απώλειες ομοαξονικού καλωδίου τύπου Aircom plus Hbts=30; %Ύψος BTS σε μέτρα (m) Hms =1.65; %Ύψος του κινητού σε μέτρα (m) (του ανθρώπου που φέρει τη φορητή συσκευή ) Rmarg=3; %dbm Περιθώριο Rayleigh διαλείψεων IFmarg=2; %dbm Περιθώριο παρεμβολών 124

125 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Bmarg=1; %dbm Περιθώριο απωλειών απορρόφησης ανθρώπινων ιστών d=0.247; %km Ακτίνα κυψέλης f=900; %MHz Pr=SSM+Rmarg+IFmarg+Bmarg %dbm Στάθμη λήψης πρασαυξημένη με περιθώρια απωλειών L_fsl= *log10(d)+20*log10(f) %db Απώλειες ελευθέρου χώρου d(km) και f(mhz) L_wi=143+38*log10(d)-18*log(Hbts-17) %db Απώλειες του μοντέλου Cost231-Walfish-Ikegami Pt=Pr-Gt-Gr+L_fsl+L_wi %dbm Ισχύς εκπομπής του BTS Ptotal=Pt+Cable_losses %dbm Αρχική ισχύς του BTS(συμπεριλαμβανομένων των απωλειών του ομοαξονικού) /**********************************************************************************************/ Εκτελώντας τον παραπάνω κώδικα λαμβάνουμε τα εξής αποτελέσματα: Pr=-96 dbm (Λαμβανόμενη ισχύς στα όρια του κυττάρου) L_fsl= db (Απώλειες από το μοντέλο ελευθέρου χώρου) L_wi= db (Απώλειες από το μοντέλο Walfish-Ikegami) Pt= dbm (Ισχύς εκπομπής συμπεριλαμβανομένων των απωλειών καλωδίων) Ptotal= dbm (Αρχική ισχύς εκπομπής χωρίς απώλειες καλωδίων) Από τα αποτελέσματα παρατηρούμε οτι η ισχύς εκπομπής Pt= ή Watt του σταθμού βάσης είναι λογική και η τιμή της εμπίπτει εντός των επιτρεπτών ορίων εκπομπής. Αυτό συνεπάγεται οτι η ακτίνα και κατ επέκταση η έκταση του κυττάρου που υπολογίστηκαν με βάση τη χωρητικότητα είναι συνεπείς με τη διαστασιολόγηση ως προς την κάλυψη. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνονται οι γραφικές παραστάσεις της λαμβανόμενης ισχύος Pr και οι απώλειες σε συνάρτηση με την απόσταση από το σταθμό βάσης μέχρι τα όρια του κυττάρου. 125

126 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.2 Λαμβανόμενη ισχύς Pr και απώλειες συναρτήσει της απόστασης μέχρι τα όρια του κυττάρου. Για τον υπολογισμό της αρχικής ισχύος Ptotal συμπεριλάβαμε τις απώλειες του ομοαξονικού καλωδίου Aircom Plus το οποίο εισάγει εξασθένηση 12dB/100m. Επειδή η απόσταση μέχρι το κεραιοσύστημα είναι Ηbts=30m οι απώλειες για την συγκεκριμένη περίπτωση είναι 3.6dB. Πέραν της ισχύος εκπομπής στην καλύτερη κάλυψη της αστικής περιοχής θα βοηθούσε και μία μικρή κλίση της κεραίας εκπομπής προς τα κάτω. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουμε τη δημιουργία μικρών κυττάρων (μικροκυτταρική δομή), καλύτερη ποιότητα επικοινωνίας εφόσον έχουμε ισχυρό σήμα ακόμα και σε περιοχές που υφίστανται επισκιάσεις, υψηλή πυκνότητα συνδρομητών και προστασία από τις παρεμβολές γειτονικού καναλιού Σχεδιασμός κυττάρων Από το βήμα της διαστασιολόγησης του δικτύου υπολογίστηκε οτι το κάθε κύτταρο για GoS=2% έχει ακτίνα R=0.247 km και εμβαδόν Ecell= km 2 και για την πλήρη κάλυψη της αστικής περιοχής απαιτούνται 95 κύτταρα. Επομένως θα πρέπει να επαναλάβουμε το κυτταρικό συγκρότημα των 12 κυττάρων 8 φορές αφού 8*12=96. Η δομή του κυττάρου που θα σχεδιάσουμε πάνω στο χάρτη για την αστική περιοχή είναι το κανονικό εξάγωνο αφού είναι το καταλληλότερο από σχεδιαστική άποψη γεωμετρικό σχήμα. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κυτταρική κάλυψη της αστικής περιοχής με τα 95 κύτταρα. Η σχεδίαση των κυττάρων πάνω στο χάρτη έχει υλοποιηθεί σε πραγματική κλίμακα. 126

127 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.3 Κυτταρική κάλυψη αστικής περιοχής Με πράσινο χρώμα διαγράφονται τα όρια της αστικής περιοχής. Τα σημεία τα οποία δεν καλύπτονται από κάποιο κύτταρο δεν σημαίνει οτι αποτελούν ακάλυπτες περιοχές στην κάλυψη του δικτύου αφού θα επικαλυφθούν από τα γειτονικά κύτταρα. Ας μην ξεχνάμε οτι το σχήμα 3.3 αποτελεί σχεδιαστική λύση και διαφέρει από το πραγματικό σχέδιο κάλυψης εφόσον η δομή του κυττάρου είναι άμορφη και απέχει αρκετά από αυτήν του κανονικού εξαγώνου Σχεδιασμός συχνοτήτων Το επόμενο και καθοριστικό βήμα για την σωστή λειτουργία και υψηλή απόδοση του δικτύου είναι ο σχεδιασμός των συχνοτήτων. Στο στάδιο αυτό καλούμαστε να διαχειριστούμε τις διαθέσιμες συχνότητες και να τις καταχωρήσουμε στα κύτταρα της αστικής περιοχής τηρώντας τα κριτήρια της επαναχρησιμοποίησης και εξασφαλίζοντας τον περιορισμό των παρεμβολών εντός των αποδεκτών ορίων. Πριν ξεκινήσουμε το σχεδιασμό των συχνοτήτων για την αστική περιοχή θα αναφερθούμε στο φάσμα των συχνοτήτων που διαθέτουμε προς αξιοποίηση. Η τεχνολογία που θα χρησιμοποιηθεί στο κυψελωτό δίκτυο κινητών επικοινωνιών της Πάτρας είναι το GSM. Η συχνότητα λειτουργίας του GSM είναι τα 900 MHz και το cluster size είναι το 4/12. Το φασματικό περιεχόμενο που θα χρησιμοποιηθεί για την άνω και κάτω ζεύξη παρουσιάζεται στους πίνακες που ακολουθούν. Στο δίκτυο αυτό θα χρησιμοποιήσουμε μόνο τις 60 από τις 124 συχνότητες του ραδιοφάσματος της τεχνολογίας GSM, περιορισμός που ισχύει και στην πραγματικότητα. Η φασματική απόσταση ανάμεσα στην άνω και στην κάτω ζεύξη είναι 33.2 MHz. 127

128 Κεφάλαιο 3 ο Πίνακας συχνοτήτων GSM 900 Κάτω ζεύξη (MHz) Συχνότητα εκκίνησης : 935 MHz Εύρος καναλιού : 200 KHz Τιμή ARFCN Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Συχνότητα (MHz) Τιμή ARFCN Συχνότητα (MHz) Τιμή ARFCN Συχνότητα (MHz) Τιμή ARFCN Πίνακας 3.3 Διαθέσιμες συχνότητες για την κάτω ζεύξη (downlink) Συχνότητα (MHz) Πίνακας συχνοτήτων GSM 900 Άνω ζεύξη (MHz) Συχνότητα εκκίνησης : 890 MHz Εύρος καναλιού : 200 KHz Τιμή ARFCN Συχνότητα (MHz) Τιμή ARFCN Συχνότητα (MHz) Τιμή ARFCN Συχνότητα (MHz) Τιμή ARFCN Συχνότητα (MHz) 128

129 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Πίνακας 3.4 Διαθέσιμες συχνότητες για την άνω ζεύξη (uplink) Θα μπορούσαμε να είχαμε επιλέξει για χρησιμοποίηση το υπόλοιπο μισό του φάσματος του GSM δηλαδή τις συχνότητες από (61) έως και (124) για την κάτω ζεύξη και τις συχνότητες από (61) έως και (124) για την άνω ζεύξη. Στους πίνακες με το φασματικό περιεχόμενο του GSM για την κάτω και την άνω ζεύξη για τον υπολογισμό της συχνότητας λειτουργίας των καναλιών χρησιμοποιείται η παράμετρος ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). Για να υπολογίσουμε τις παραπάνω συχνότητες σε MHz με βάση τη συγκεκριμένη παράμετρο χρησιμοποιούμε τους εξής τύπους: Κάτω ζεύξη Άνω ζεύξη *ARFCN (MHz) *ARFCN (MHz) Το σύνολο των συχνοτήτων της άνω και κάτω ζεύξης θα καταχωρηθούν στα 12 κύτταρα του κυτταρικού συγκροτήματος (cluster) σύμφωνα με την τεχνική FCA η οποία αναλύθηκε στην ενότητα Στο πλαίσιο της αποδοτικής λειτουργίας του συστήματος η καταχώρηση των συχνοτήτων θα πρέπει να γίνει με τέτοιο τρόπο ώστε να μεγιστοποιείται η παράμετρος της επαναχρησιμοποίησης των διαθέσιμων συχνοτήτων και να ελαχιστοποιείται ταυτόχρονα η ομοκαναλική παρεμβολή. Η καταχώρηση των συχνοτήτων στις κυψέλες ολόκληρου του δικτύου ξεκινάει από την αστική περιοχή και στην συνέχεια διαδοχικά τοποθετούνται οι συχνότητες και στις υπόλοιπες υποπεριοχές φροντίζοντας για την ελαχιστοποίηση των διαφόρων ειδών των παρεμβολών. Από τη διαστασιολόγηση της αστικής περιοχής και με την θεώρηση της ομοιόμορφης κατανομής της συνδρομητικής κίνησης προέκυψε οτι για κάθε ένα από τα 12 κύτταρα του cluster απαιτούνται 5 συχνότητες για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητάς του. Τα 12 κύτταρα του cluster ονομάζονται ως εξής: A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3. Ο πίνακας που ακολουθεί δείχνει την κατανομή των 60 συχνοτήτων στις 12 κυψέλες του cluster για την άνω και κάτω ζεύξη, τις οποίες μετά θα επαναχρησιμοποιήσουμε με συγκεκριμένο μοτίβο προκειμένου να καλυφθεί όλη η αστική περιοχή. Επειδή 129

130 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA χρησιμοποιούμε την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης FDMA/TDMA και την τεχνολογία GSM κάθε μία από αυτές τις συχνότητες διαχωρίζεται σε 8 χρονοθυρίδεςκανάλια. Έτσι σε κάθε κύτταρο έχουμε 5συχνότητες*8χρονοθυρίδες=40 κανάλια. Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Πίνακας 3.5 Κατανομή των συχνοτήτων για την άνω και κάτω ζεύξη (uplink - downlink) της αστικής περιοχής στα κύτταρα του cluster σύμφωνα με την ΑRFCN αρίθμηση. Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Πίνακας 3.6 Συχνότητες του cluster σε MHz για την κάτω ζεύξη (downlink) της αστικής περιοχής. Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Πίνακας 3.7 Συχνότητες του cluster σε MHz για την άνω ζεύξη (uplink) της αστικής περιοχής. Αφού έχουμε ορίσει τις 12 διαφορετικές ομάδες συχνοτήτων και έχουμε δομήσει το cluster στη συνέχεια θα το επαναχρησιμοποιήσουμε 8 φορές για να δημιουργήσουμε 95 κύτταρα και να εξυπηρετήσουμε τους συνδρομητές της αστικής περιοχής. Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων και ο τρόπος τοποθέτησης των κυτταρικών συγκροτημάτων για την αστική περιοχή φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Θα παρατηρήσουμε οτι κάθε κυψέλη χαρακτηρίζεται από έναν ακέραιο θετικό αριθμό από το 1 έως και το 95 που αποτελεί τον κωδικό του κυττάρου. 130

131 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.4 Σχεδιασμός συχνοτήτων της αστικής περιοχής της Πάτρας. Στο σχήμα 3.4 υπό μορφή βελών σημειώνονται οι θέσεις των σταθμών βάσης. Το κάθε βέλος αναπαριστά την κεραία που φωτίζει ηλεκτρομαγνητικά ένα κύτταρο. Ο κάθε σταθμός βάσης διαθέτει τρείς κεραίες και εξυπηρετεί τρία κύτταρα. Εξαίρεση αποτελεί ο σταθμός βάσης των κυττάρων με κωδικούς 1 (Α2) και 2 (Α3). Ο διαμοιρασμός των 60 συχνοτήτων στις 12 κυψέλες του cluster πραγματοποιήθηκε με βάσει τα κριτήρια τα οποία εξασφαλίζουν την ποιότητα εξυπηρέτησης (QoS) των παρεχομένων υπηρεσιών του δικτύου. Τα κριτήρια αυτά πρέπει να πληρούνται για την ελαχιστοποίηση των παρακάτω παρεμβολών : α) Παρεμβολές ενδοδιαμόρφωσης β) Ομοκαναλική παρεμβολή γ) Παρεμβολή γειτονικού καναλιού Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης περιορίζει την απόδοση λειτουργίας του δικτύου μας γι αυτό θα πρέπει να την περιορίσουμε στο ελάχιστο δυνατό. Τα πιο ισχυρά προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης με τα οποία και θα ασχοληθούμε είναι τα 3 ης τάξης καθώς κατανέμονται εντός του φάσματος λειτουργίας του δικτύου μας υποβαθμίζοντας τον σηματοθορυβικό λόγο (SNR) και την ποιότητα επικοινωνίας. Χρησιμοποιώντας τον μαθηματικό τύπο του Mifsud μπορούμε να λάβουμε έναν 131

132 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA κατάλογο συχνοτήτων οι οποίες είναι απαλλαγμένες από τα προιόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης. Στον πίνακα κατανομής των συχνοτήτων της αστικής περιοχής η τρίτη σειρά περιείχε τις εξής συχνότητες: Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του Mifsud για τον κατάλογο των 60 συχνοτήτων διαπιστώνουμε οτι οι συχνότητες αυτές δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παρέχουν υπηρεσίες επειδή υφίστανται παρεμβολές ενδοδιαμόρφωσης από τις συχνότητες των δύο πρώτων γραμμών του πίνακα. Επομένως για να εξαλείψουμε την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης δεν πρέπει να χρησιμοποιήσουμε για την παροχή υπηρεσιών τις συγκεκριμένες συχνότητες. Ωστόσο επειδή ο αριθμός των συχνοτήτων που διαθέτουμε είναι περιορισμένος και σταθερός και δεν έχουμε την δυνατότητα να σπαταλήσουμε 12 συχνότητες αλλά ούτε και να τις αντικαταστήσουμε θα πρέπει να βρούμε κάποιον τρόπο χρησιμοποίησής τους εξασφαλίζοντας παράλληλα αξιόπιστη επικοινωνία και προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Προκειμένου να αξιοποιήσουμε όλο το διαθέσιμο φάσμα οι συγκεκριμένες συχνότητες υφίστανται αντιμετάθεση λαμβάνοντας τη νέα τρίτη στήλη του πίνακα: Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Με αυτόν τον τρόπο αξιοποιούμε όλο το διαθέσιμο φάσμα των 60 συχνοτήτων και απαλλασσόμαστε από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή. Για να ελαχιστοποιήσουμε την ομοκαναλικη παρεμβολή πρέπει κατά το διαμοιρασμό και την επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων να τηρείται πάντα το κριτήριο της ελάχιστης απόστασης μεταξύ των κυττάρων που χρησιμοποιούν τις ίδιες ονομαστικές συχνότητες. Για το σύστημα GSM που χρησιμοποιούμε η απόσταση επαναχρησιμοποίησης δίνεται από τον τύπο 2.4 και είναι D=6*R για Ν=12. Για την αστική περιοχή η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των ομοκαναλικών κυττάρων είναι D=6*R=6*247=1482 m. Με βάσει την ελάχιστη απόσταση των 1482μέτρων υπολογίζουμε το λόγο C/I ο οποίος αποτελεί ένα μέτρο της ομοκαναλικής παρεμβολής. Στο σημείο αυτό πρέπει 132

133 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA να τονιστεί το γεγονός ότι η αστική περιοχή συνυπάρχει με τις υπόλοιπες 3 περιοχές του δικτύου και μοιράζεται τις ίδιες συχνότητες. Επομένως η ομοκαναλική παρεμβολή που δέχεται κάθε κυψέλη της προέρχεται από τα εξής κύτταρα: Ομοκαναλικά κύτταρα, τα οποία βρίσκονται στην αστική περιοχή και σε απόσταση D=1482m από το κύτταρο που εξετάζουμε Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στην ημιαστική περιοχή Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στην ορεινή περιοχή Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στο όρος Παναχαϊκό. Έτσι στους υπολογισμούς μας για το λόγο C/I θα πρέπει να λάβουμε υπόψην όλα τα ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία αναφέρθηκαν. Ο λόγος της ισχύος της φέρουσας του σήματος προς την ομοκαναλική παρεμβολή (C/I) υπολογίζεται από τον τύπο 2.8. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούμε στον τύπο αυτό είναι τα παρακάτω: Po=40 Watt (ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης της αστικής περιοχής) Pκ=40 Watt (ισχύς εκπομπής των σταθμών βάσης όλων των ομοκαναλικών κυττάρων ) do=r=247 m (απόσταση της φορητής συσκευής από την κεραία του κυττάρου εξυπηρέτησης) dκ= απόσταση ομοκαναλικών κυττάρων για κάθε υποπεριοχή από το κύτταρο αναφοράς που εξετάζουμε (μετρήθηκε με βάση το πρόγραμμα Google Earth και αφού είχε ολοκληρωθεί ο συνολικός σχεδιασμός συχνοτήτων για την περιοχή των Πατρών) n=4 (παράγοντας εξασθένησης της ισχύος εκπομπής) Με βάση των παραπάνω τύπο και τις αποστάσεις που μετρήσαμε από το πρόγραμμα Google Earth υπολογίζουμε τον λόγο C/I για κάθε κύτταρο της αστικής περιοχής. Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB)

134 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Πίνακας 3.8 Τιμές του λόγου C/I για την αστική περιοχή Ο λόγος C/I για το GSM και για Ν=12 πρέπει να είναι μεγαλύτερος από 12 db (χωρίς να συμβαίνει frequency hopping) προκειμένου να διασφαλίζεται καλή ποιότητα υπηρεσιών. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η γραφική παράσταση των τιμών του C/I για την αστική περιοχή. 134

135 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.5 Γραφική παράσταση των τιμών του λόγου C/I για την αστική περιοχή Παρατηρώντας τους λόγους C/I που υπολογίσαμε για την αστική περιοχή με βάση την συγκεκριμένη διάταξη των κυψελών αλλά και την ομοκαναλική παρεμβολή που δέχεται από τις υπόλοιπες περιοχές βλέπουμε ότι είναι μεγαλύτεροι από τα 12dB και επομένως ο συγκεκριμένος σχεδιασμός και η καταχώρηση των συχνοτήτων πληρούν το κριτήριο της απόστασης επαναχρησιμοποίησης και διασφαλίζουν την ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής. Ο πίνακας που ακολουθεί δείχνει ποιά θα ήταν η τιμή του λόγου C/I για κάθε ένα από τα 95 κύτταρα του ραδιοδικτύου αν η ομοκαναλική παρεμβολή προερχόταν μόνο από τα ομοκαναλικά κύτταρα της αστικής περιοχής. Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB)

136 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Πίνακας 3.9 Τιμές του λόγου C/I για την αστική περιοχή (χωρίς την παρεμβολή από τις άλλες περιοχές) Σχήμα 3.6 Γραφική παράσταση του λόγου C/I για την αστική περιοχή χωρίς την ομοκαναλική επίδραση των υπόλοιπων περιοχών 136

137 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Στο σχήμα που ακολουθεί αποτυπώνονται οι γραφικές παραστάσεις των τιμών του λόγου C/I και η σύγκριση μεταξύ των δύο περιπτώσεων. Σχήμα 3.7 Σύγκριση των τιμών των λόγων C/I για τις δύο περιπτώσεις ομοκαναλικής παρεμβολής. Στο σχήμα 3.7 με μπλε χρώμα απεικονίζεται η γραφική παράσταση του λόγου C/I για τον σχεδιασμό των συχνοτήτων της αστικής περιοχής και με πράσινο χρώμα η γραφική παράσταση των τιμών που θα λάμβανε το C/I εάν η αστική περιοχή δεν δεχόταν την ομοκαναλική παρεμβολή από τις υπόλοιπες περιοχές της Πάτρας. Παρατηρούμε ότι υπάρχουν σημαντικές διαφορές στις τιμές του λόγου C/I. Όταν θα ολοκληρωθεί η συνολική κάλυψη της περιοχής της Πάτρας θα δούμε οτι αυτό οφείλεται στην επαναχρησιμοποίηση των ίδιων συχνοτήτων από τις υπόλοιπες περιοχές του δικτύου και στην ανομοιομορφία των εκτάσεων των κυττάρων μεταξύ των περιοχών αυτών. Ο συνδυασμός αυτός οδηγεί στην παραβίαση του κριτηρίου της απόστασης επαναχρησιμοποίησης με συνέπεια την αύξηση της ομοκαναλικής παρεμβολής Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Για να ελαχιστοποιήσουμε αυτό το είδος της παρεμβολής απαιτείται σωστή καταχώρηση των συχνοτήτων στα κύτταρα του cluster και τήρηση του κριτηρίου ως προς την τοποθέτηση των κυτταρικών συγκροτημάτων (clusters). Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό απαιτείται να τοποθετηθούν με τέτοιο τρόπο οι κυψέλες ώστε να μην έχουμε πολύ κοντινά γεωγραφικά κύτταρα στα οποία έχουν αποδοθεί κοντινές 137

138 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA φασματικά συχνότητες. Για την καταχώρηση των 60 συχνοτήτων στα 12 κύτταρα του υπερκυττάρου επιλέξαμε την οριζόντια σάρωση σύμφωνα με την οποία γεμίζουμε τα κελιά του πίνακα 3.5 μετακινούμενοι οριζόντια κάθε φορά και όχι κάθετα (κάθετη σάρωση). Από το σχήμα 3.4 της αστικής περιοχής με το σχεδιασμό των συχνοτήτων και τον πίνακα 3.5 της κατανομής τους παρατηρούμε ότι χάρη στην οριζόντια σάρωση μέσα σε κάθε κύτταρο έχουμε αναθέσει συχνότητες οι οποίες απέχουν η μία από την άλλη φασματική απόσταση μεγαλύτερη των 1.2MHz. Επιπλέον θα παρατηρήσουμε ότι τα άμεσα γειτονικά κύτταρα κάποιας κυψέλης έχουν συχνότητες οι οποίες απέχουν από τις συχνότητες του κεντρικού κυττάρου κατά φασματικό εύρος μεγαλύτερο από 400KHz στην χειρότερη περίπτωση, απόσταση μεγαλύτερη από τα 200KHz τα οποία αποτελούν το εύρος κάθε συχνότητας. Ως παράδειγμα αναφερόμαστε στην κυψέλη Α1. Η κυψέλη Α1 διαθέτει προς χρήση τις συχνότητες: f1,f13, f31, f37, f49. Παρατηρούμε ότι: η f1 απέχει από τη f13 κατά 2.4 MHz η f13 απέχει από την f31 κατά 3.6 MHz η f26 απέχει από την f37 κατά 1.2 MHz η f37 απέχει από την f49 κατά 2.4 MHz η f49 απέχει από την f1 κατά 9.6 MHz Οι φασματικές αυτές διαφορές μεταξύ των συχνοτήτων του ιδίου κυττάρου ισχύουν για όλα τα κύτταρα της αστικής περιοχής χάρη στον τρόπο με τον οποίο τοποθετήθηκαν και διαμοιράστηκαν οι συχνότητες. Θεωρώντας τώρα το κύτταρο Α1 ως κεντρικό βλέπουμε ότι συνορεύει με τα κύτταρα: D1,D2,C3,A2,A3,B2. Εξετάζοντας την απόσταση κατά την οποία διαφέρουν οι συχνότητες των γειτονικών κυττάρων από το κύτταρο Α1 θα διαπιστώσουμε ότι η απόσταση αυτή έχει ένα φασματικό εύρος μεγαλύτερο από τα 600KHz το οποίο είναι 3φορές μεγαλύτερο από το φασματικό εύρος της κάθε συχνότητας του δικτύου τα 200ΚΗz. Mε βάση την παραπάνω ανάλυση και τον έλεγχο που πραγματοποιήθηκε διαπιστώνουμε ότι η τοπολογία των κυψελών με τον συγκεκριμένο σχεδιασμό και την ανάθεση των συχνοτήτων για την αστική περιοχή είναι συνεπής με τα κριτήρια τα οποία ελαχιστοποιούν την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης, την ομοκαναλική παρεμβολή και την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. 138

139 Κεφάλαιο 3 ο Ημιαστική περιοχή Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη. Η ημιαστική περιοχή αποτελεί τα προάστια της γεωγραφικής περιοχής των Πατρών και προσδιορίζεται γεωγραφικά ανάμεσα στην αστική και την ορεινή περιοχή. Η περιοχή αυτή συγκεντρώνει το 27.5% του συνολικού πληθυσμού δηλαδή κατοίκους και έχει έκταση km 2. Η πυκνότητα των κατοίκων ανέρχεται στους 1897 κατοίκους/ km 2. Παρατηρούμε οτι η πυκνότητα των συνδρομητών είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μικρότερη από την πυκνότητα της αστικής περιοχής αφού στην προκειμένη περίπτωση έχουμε μικρότερο αριθμό κατοίκων και διπλάσια έκταση περιοχής. Όπως έχει αναφερθεί και στο κεφάλαιο του κυτταρικού σχεδιασμού υπάρχουν περιοχές στις οποίες η σχεδίαση διέπεται από την κάλυψη (coverage driven areas) και άλλες στις οποίες κυρίαρχη συνιστώσα είναι η χωρητικότητα (capacity driven areas) ανάλογα πάντα με τις ιδιαιτερότητες της περιοχής και το γεωγραφικό της ανάγλυφο. Από όποια συνιστώσα (κάλυψη ή χωρητικότητα) και αν ξεκινήσουμε θα υπολογίσουμε μία ακτίνα κυττάρου η οποία όμως θα πρέπει να ικανοποιεί ταυτόχρονα τις απαιτήσεις του δικτύου ως προς την κάλυψη και τη χωρητικότητα. Με βάση τα αρχικά δεδομένα της πληθυσμιακής κατανομής και της έκτασης αποφασίζουμε να πραγματοποιήσουμε τη διαστασιολόγηση του δικτύου για την ημιαστική περιοχή αρχικά ως προς την κάλυψη και έπειτα να αξιολογήσουμε αν καλύπτονται και οι ανάγκες ως προς τη χωρητικότητα. Το περιβάλλον διάδοσης της ημιαστικής περιοχής χαρακτηρίζεται και αυτό από έντονη κτιριακή δόμηση και αρκετά τεχνητά εμπόδια. Αυτό συνεπάγεται οτι και σε αυτήν την περιοχή θα υπάρχουν ισχυρά κυματικά φαινόμενα ανάκλασης, περίθλασης, σκίασης και πολυόδευσης με συνέπεια αυξημένες απώλειες στην ισχύ του εκπεμπόμενου σήματος στη γεωγραφική περιοχή κάλυψης του κυττάρου. Τα μοντέλα που θα χρησιμοποιήσουμε για να εκτιμήσουμε τις απώλειες του εκπεμπόμενου σήματος στην γεωγραφική περιοχή του κυττάρου είναι του ελευθέρου χώρου (Free Space Loss-FSL) και του Okumura-Hata για την περίπτωση ημιαστικής περιοχής. Το μοντέλο του ελευθέρου χώρου αναλύθηκε και στην αστική περιοχή. Το μοντέλο του Okumura-Hata είναι το παρακάτω: L_OH= *log(f)-13.82*log(Hbts)-a(Hms)+( *log(Hbts))*log(d) a(hms)=3.2*[log(11.75*hms)]^ f>300mhz Kr=2*[log(f/28)]^2+5.4 L_προαστιακό=L_OH-Kr Όπου: L_OH a(hms) : Απώλειες του μοντέλου Okumura-Hata στην περίπτωση αστικής περιοχής. : παράγοντας διόρθωσης για το ύψος της κεραίας της φορητής 139

140 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA συσκευής. Kr : παράγοντας μείωσης L_προαστιακό: Απώλειες του μοντέλου Okumura-Hata στην περίπτωση ημιαστικής περιοχής. Θα πρέπει να επισημάνουμε οτι η διαστασιολόγηση ως προς την κάλυψη της ημιαστικής περιοχής διαφοροποιείται από το αντίστοιχο βήμα της αστικής περιοχής καθώς έχουμε διαφορετικά δεδομένα εισόδου στον ισολογισμό ισχύος (link budget). Στόχος μας είναι η εύρεση της ακτίνας του κυττάρου και η έκταση του. Και σε αυτήν την περίπτωση θεωρούμε οτι η στάθμη ευαισθησίας της φορητής συσκευής είναι SSM=-102 dbm στην οποία και θα συμπεριλάβουμε τα περιθώρια λόγω απωλειών οι οποίες οφείλονται στο περιβάλλον διάδοσης και τα κυματικά φαινόμενα. Τα περιθώρια που θα συμπεριλάβουμε και οι τιμές τους είναι τα εξής: Rmarg = 3 db Imarg = 2 db Bmarg = 1 db Συμπεριλαμβάνοντας τα εν λόγω περιθώρια η ισχύς του λαμβανομένου σήματος στα όρια του κυττάρου θα είναι: Pr=SSM+ Rmarg+Imarg+Bmarg= =-96 dbm ενώ παράλληλα ρυθμίζουμε την ισχύ εκπομπής του σταθμού βάσης (BTS) στα 40 Watt ή αλλιώς 46.02dBm. Εφόσον διαθέτουμε τα ηλεκτρομαγνητικά μοντέλα διάδοσης, γνωρίζουμε την ισχύ εκπομπής του σταθμού βάσης (Pt) και την ισχύ που επιθυμούμε να λαμβάνουμε στα όρια του κυττάρου πραγματοποιώντας τον ισολογισμό ισχύος έχουμε τη δυνατότητα να υπολογίσουμε την ακτίνα που απαιτείται να έχει το κύτταρο της ημιαστικής περιοχής για να πληροί τις παραπάνω προδιαγραφές. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο κώδικας σε Matlab υπολογισμού της ακτίνας της κυψέλης στον οποίο αναγράφονται οι τιμές των αναφερθέντων παραμέτρων και επεξηγείται η χρήση της κάθε παραμέτρου. /***********************************************************************************************/ Gt=59; Gr=1; SSM=-102; Hbts=30; Hms =1.65; Rmarg=3; IFmarg=2; Bmarg=1; f=900; %dbi κέρδος της κεραίας του σταθμού βάσης %dbi κέρδος της κεραίας της φορητής συσκευής %dbm Κατώφλι ευαισθησίας του κινήτου %Ύψος BTS σε μέτρα (m) %Ύψος του κινητού σε μέτρα (m) (του ανθρώπου που φέρει τη φορητή συσκευή ) %dbm Περιθώριο Rayleigh διαλείψεων %dbm Περιθώριο παρεμβολών %dbm Περιθώριο απωλειών απορρόφησης ανθρώπινων ιστών %MHz Συχνότητα λειτουργίας του GSM Pr=SSM+Rmarg+IFmarg+Bmarg %dbm Στάθμη λήψης πρασαυξημένη με περιθώρια απωλειών 140

141 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Pt=46.02; %dbm Ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης b=(pt-pr+gt+gr *log10(f)+13*log10(hbts)+3.2*(log10(11.75*hms))^2+2*(log10(f/28))^2)/( *log10(hms)); R=10^b %km Ακτίνα του κυττάρου /***********************************************************************************************/ Τα αποτελέσματα του παραπάνω κώδικα είναι τα εξής: Pr=-96 dbm R= km (Λαμβανόμενη ισχύς στα όρια του κυττάρου) (Ακτίνα του κυττάρου της ημιαστικής περιοχής) Εφόσον γνωρίζουμε την ακτίνα του κυττάρου μπορούμε να υπολογίσουμε την έκτασή του: Εμβαδόν κυττάρου= Ε=2.598*R 2 =2.598*(0.7725) 2 = km 2. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνονται οι γραφικές παραστάσεις της λαμβανόμενης ισχύος Pr και οι απώλειες για την ημιαστική περιοχή σε συνάρτηση με την απόσταση από το σταθμό βάσης μέχρι τα όρια του κυττάρου. Σχήμα 3.8 Λαμβανόμενη ισχύς Pr και απώλειες συναρτήσει της απόστασης μέχρι τα όρια του κυττάρου. 141

142 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα. Η ακτίνα κάλυψης του κυττάρου που υπολογίσαμε στο προηγούμενο βήμα θα πρέπει να ελεγχθεί για το αν ικανοποιεί και τις ανάγκες του κυττάρου ως προς τη χωρητικότητα του. Γνωρίζοντας την ακτίνα μπορούμε να υπολογίσουμε την συνδρομητική κίνηση της κυψέλης και να εκτιμήσουμε τη συνολική χωρητικότητα του δικτύου της ημιαστικής περιοχής. Για να υπολογίσουμε την συνδρομητική κίνηση που αναμένεται να διαχειριστεί το δίκτυο στην ημιαστική περιοχή υποθέτουμε οτι από το σύνολο του πληθυσμού της περιοχής μόνο το 60% δηλαδή συνδρομητές πραγματοποιούν κλήσεις κατά τη διάρκεια της ώρας αιχμής με ρυθμό λ=1κλήση/ώρα και χρονική διάρκεια h=60sec. Χρησιμοποιώντας τον τύπο 2.18 υπολογίζουμε οτι η κίνηση που παράγει ένας συνδρομητής είναι: Ac=λ*h=(1*60)/3600=0.017 erl. Εφόσον οι συνδρομητές την ώρα αιχμής είναι η συνολική συνδρομητική κίνηση της ημιαστικής περιοχής την ώρα αιχμής είναι : Atotal=N*Ac=35406*0.017=601.9 erl Εφόσον ξέρουμε οτι κάτοικοι κατανέμονται ομοιόμορφα σε km 2 τότε στα km 2 που είναι η έκταση της κυψέλης αντιστοιχούν 2941 κάτοικοι. Επειδή μόνο το 60% των κατοίκων πραγματοποιούν κλήσεις την ώρα αιχμής οι συνδρομητές του κυττάρου θα είναι 0.6*2941=1764 και το φορτίο κίνησης που θα παράγουν είναι 1764* erl. Για βαθμό εξυπηρέτησης GoS=2% και φορτίο κίνησης 30 erl ανατρέχοντας στον πίνακα Erlang B θα δούμε οτι απαιτείται το κάθε κύτταρο του cluster να διαθέτει 39 κανάλια για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητάς του. Εφόσον το TDMA πλαίσιο του GSM χωρίζεται σε 8 χρονοθυρίδες ο αριθμός των συχνοτήτων της κυψέλης είναι :39/8=4.9 συχνότητες. Επειδή θέλουμε ακέραιο αριθμό συχνοτήτων θα αναθέσουμε 5 συχνότητες σε κάθε κύτταρο. Έτσι το κάθε κύτταρο του κυτταρικού συγκροτήματος θα διαθέτει 40 κανάλια και θα μπορεί να διεκπεραιώνει τελικώς φορτίο κίνησης 31 erl. Με γνωστό πλέον το εμβαδόν του κάθε κυττάρου και δεδομένη την έκταση της ημιαστικής περιοχής υπολογίζουμε τον αριθμό των κυττάρων που απαιτούνται για την επαρκή κάλυψή της ημιαστικής περιοχής: Αριθμός κυττάρων ημιαστικής περιοχής=εημιαστικής_περιοχής/εκυττάρου= km 2 / km 2 = 21 Την ίδια διαδικασία εφαρμόζουμε και για GoS=3% και GoS=5% για την εύρεση της συνδρομητικής κίνησης, της χωρητικότητας του κάθε κυττάρου καθώς και το συνολικό αριθμό των κυττάρων για επαρκή κάλυψη της ημιαστικής περιοχής. Όλα τα 142

143 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA αποτελέσματα από το στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα για GoS=2%,3% και 5% παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Ημιαστική περιοχή Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Τιμές Παραμέτρων (GoS=2%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=3%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=5%) κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 60 sec 60 sec 60 sec erl erl erl erl erl erl Αριθμός καναλιών 39 (40) / 5 39 (40) / 5 39 (40) / 5 κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης 30 erl 32.4 erl 34.6 erl κυψέλης Εμβαδόν km km km 2 κυψέλης Ακτίνα κυψέλης km (0.803km) (0.830km) Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα 1138/ km / km / km 2 συνδρομητών Πυκνότητα erl/ km erl/ km erl/ km 2 φορτίου κίνησης Αριθμός 21 (2*12=24) 19 (2*12=24) 18 (2*12=24) κυψελών Αριθμός cluster Απόδοση 74.97% 81% 86.5% καναλιού Ισχύς εκπομπής 46.02dBm 46.36dBm 47.16dBm Πίνακας 3.10 Διαστασιολόγηση της ημιαστικής περιοχής 143

144 Κεφάλαιο 3 ο Σχεδιασμός κυττάρων Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Από το βήμα της διαστασιολόγησης του δικτύου υπολογίστηκε οτι το κάθε κύτταρο για GoS=2% έχει ακτίνα R= km, εμβαδόν Ecell= km 2 και για την πλήρη κάλυψη της ημιαστικής περιοχής απαιτούνται 23 κύτταρα. Επομένως θα πρέπει να επαναλάβουμε το κυτταρικό συγκρότημα των 12 κυττάρων 2 φορές αφού 2*12=24. Στο πλαίσιο της όσο το δυνατόν καλύτερης γεωγραφικής κάλυψης (λόγω της χρήσης του εξαγωνικού σχήματος και της μορφής της έκτασης της ημιαστικής περιοχής) τοποθετήσουμε πέραν των 21 κύτταρων που υπολογίσαμε από τη διαστασιολόγηση και δύο ακόμη. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κυτταρική κάλυψη της ημιαστικής περιοχής με 23 κύτταρα. Η σχεδίαση των κυττάρων πάνω στο χάρτη έχει υλοποιηθεί σε πραγματική κλίμακα. Σχήμα 3.9 Πλάνο κυττάρων για την ημιαστική περιοχή Σχεδιασμός συχνοτήτων Από τη διαστασιολόγηση της ημιαστικής περιοχής και με την θεώρηση της ομοιόμορφης κατανομής της συνδρομητικής κίνησης προέκυψε οτι για κάθε ένα από τα 12 κύτταρα του cluster απαιτούνται 5 συχνότητες για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητάς του. Ο πίνακας που ακολουθεί δείχνει την κατανομή των 60 συχνοτήτων στις 12 κυψέλες του cluster για την άνω και κάτω ζεύξη, τις οποίες μετά θα επαναχρησιμοποιήσουμε 144

145 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA με συγκεκριμένο μοτίβο προκειμένου να καλυφθεί όλη η ημιαστική περιοχή. Επειδή χρησιμοποιούμε την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης FDMA/TDMA και την τεχνολογία GSM κάθε μία από αυτές τις συχνότητες διαχωρίζεται σε 8 χρονοθυρίδεςκανάλια εξυπηρέτησης. Έτσι σε κάθε κύτταρο έχουμε 5συχνότητες*8χρονοθυρίδες=40 κανάλια. Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Πίνακας 3.11 Κατανομή των συχνοτήτων για την άνω και κάτω ζεύξη (uplink - downlink) της ημιαστικής περιοχής στα κύτταρα του cluster σύμφωνα με την ΑRFCN αρίθμηση. Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Πίνακας 3.12 Συχνότητες του cluster σε MHz για την κάτω ζεύξη (downlink) της ημιαστικής περιοχής. Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Πίνακας 3.13 Συχνότητες του cluster σε MHz για την άνω ζεύξη (uplink) της ημιαστικής περιοχής. Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων και ο τρόπος τοποθέτησης των κυτταρικών συγκροτημάτων για την ημιαστική περιοχή φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Κάθε κυψέλη χαρακτηρίζεται από έναν ακέραιο θετικό αριθμό από το 1 έως και το 23 που αποτελεί τον κωδικό του κυττάρου. 145

146 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.10 Σχεδιασμός συχνοτήτων της ημιαστικής περιοχής της Πάτρας Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Για να απαλλαγούμε από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης και συγκεκριμένα από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εφαρμόσαμε τον μαθηματικό τύπο του Mifsud στον κατάλογο των 60 συχνοτήτων που διαθέτουμε. Εφόσον εντοπίσαμε τις συχνότητες που υφίστανται την παρεμβολή αυτή πραγματοποιήσαμε την αντιμετάθεση που κάναμε και στην αστική περιοχή στις συχνότητες της τρίτης στήλης του πίνακα. Η κατανομή των συχνοτήτων της τρίτης στήλης στα 12 κύτταρα του cluster είναι η εξής: Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Με αυτόν τον τρόπο αξιοποιούμε όλο το διαθέσιμο φάσμα των 60 συχνοτήτων και απαλλασσόμαστε από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης. 146

147 Κεφάλαιο 3 ο Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή. Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Για την ημιαστική περιοχή η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των ομοκαναλικών κυττάρων είναι D=6*R=6*772.5=4635 m. Η ομοκαναλική παρεμβολή που δέχεται κάθε κύτταρο της ημιαστικής περιοχής προέρχεται από τα εξής κύτταρα: Ομοκαναλικά κύτταρα, τα οποία βρίσκονται στην αστική περιοχή και σε απόσταση D=1482m από το κύτταρο που εξετάζουμε. Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στην ημιαστική περιοχή και σε απόσταση D=4635 m. Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στην ορεινή περιοχή. Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στο όρος Παναχαϊκό. Στον υπολογισμό του λόγου C/I θα πρέπει να συμπεριλάβουμε την επίδραση όλων των προαναφερθέντων κυττάρων. Ο λόγος της ισχύος της φέρουσας του σήματος προς την ομοκαναλική παρεμβολή (C/I) υπολογίζεται από τον τύπο 2.8. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούμε στον τύπο αυτό είναι τα παρακάτω: Po=40 Watt (ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης της ημιαστικής περιοχής) Pκ=40 Watt (ισχύς εκπομπής των σταθμών βάσης όλων των ομοκαναλικών κυττάρων ) do=772.5 m (απόσταση της φορητής συσκευής από την κεραία του κυττάρου εξυπηρέτησης) dκ= απόσταση ομοκαναλικών κυττάρων για κάθε υποπεριοχή από το κύτταρο αναφοράς που εξετάζουμε (μετρήθηκε με βάση το πρόγραμμα Google Earth και αφού είχε ολοκληρωθεί ο συνολικός σχεδιασμός συχνοτήτων για την περιοχή των Πατρών) n=4 (παράγοντας εξασθένησης της ισχύος εκπομπής) Με βάση των παραπάνω τύπο και τις αποστάσεις που μετρήσαμε από το πρόγραμμα Google Earth υπολογίζουμε τον λόγο C/I για κάθε κύτταρο της ημιαστικής περιοχής. 147

148 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) 1 (31.13)* (31.13)* (31.13)* (31.13)* Πίνακας 3.14 Τιμές του λόγου C/I για την ημιαστική περιοχή Στα κύτταρα με κωδικούς 1,8,18 και 20 έχει τοποθετηθεί * επειδή δεν υφίστανται ομοκαναλική παρεμβολή από κανένα κύτταρο με βάση τις υποθέσεις και το σχεδιασμό συχνοτήτων που έχουμε κάνει. Για τη δημιουργία της γραφικής παράστασης θεωρούμε μία τιμή του λόγου C/I=31.13dB η οποία είναι αρκετά μεγαλύτερη από τα 12dB που απαιτούνται για να χαρακτηριστεί ως καλό το σήμα από την πλευρά της ποιότητας. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η γραφική παράσταση των τιμών του C/I για την ημιαστική περιοχή. Σχήμα 3.11 Τιμές του λόγου C/I για κάθε κύτταρο της ημιαστικής περιοχής. Η ευθεία γραμμή οριοθετεί την κατώτερη τιμή των 12 db που επιτρέπεται να λάβει ο λόγος C/I σύμφωνα με τις προδιαγραφές της σχεδίασης. Παρατήρηση Παρατηρώντας τις τιμές του λόγου της ομοκαναλικής παρεμβολής στον παραπάνω πίνακα θα δούμε ότι οι κυψέλες με κωδικό 3,4,5,9 και 11 έχουν πολύ μικρό C/I και 148

149 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA μάλιστα μικρότερο από τις προδιαγραφές του GSM δηλαδή τα 12 db. Αν κοιτάξουμε στον χάρτη με τον σχεδιασμό των κυψελών θα δούμε ότι αυτά τα κύτταρα βρίσκονται στα όρια της ημιαστικής με την αστική περιοχή. Στα σημεία επομένως αυτά υπάρχει ισχυρή ομοκαναλική παρεμβολή από τις ομοκαναλικές κυψέλες της αστικής περιοχής οι οποίες βρίσκονται σε πολύ μικρότερη απόσταση από τα 4635m που απαιτεί το κριτήριο της ομοκαναλικής παρεμβολής για την ημιαστική περιοχή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Από το σχήμα 3.10 της ημιαστικής περιοχής όπου έχουμε τοποθετήσει τις κυψέλες παρατηρούμε ότι μέσα σε κάθε κύτταρο έχουμε αναθέσει συχνότητες οι οποίες απέχουν η μία από την άλλη φασματική απόσταση μεγαλύτερη από 1.2MHz. Επιπλέον θα παρατηρήσουμε ότι τα άμεσα γειτονικά κύτταρα κάποιας κυψέλης έχουν συχνότητες οι οποίες απέχουν από τις συχνότητες του κεντρικού κυττάρου κατά φασματικό εύρος μεγαλύτερο από 400KHz στην χειρότερη περίπτωση, απόσταση μεγαλύτερη από τα 200KHz τα οποία αποτελούν το εύρος κάθε συχνότητας. Ως παράδειγμα αναφερόμαστε στην κυψέλη Α1. Η κυψέλη Α1 διαθέτει προς χρήση τις συχνότητες: f1,f13, f31, f37, f49. Παρατηρούμε ότι: η f1 απέχει από τη f13 κατά 2.4 MHz η f13 απέχει από την f31 κατά 3.6 MHz η f26 απέχει από την f37 κατά 1.2 MHz η f37 απέχει από την f49 κατά 2.4 MHz η f49 απέχει από την f1 κατά 9.6 MHz Οι φασματικές αυτές διαφορές μεταξύ των συχνοτήτων του ιδίου κυττάρου ισχύουν για όλα τα κύτταρα της αστικής περιοχής χάρη στον τρόπο με τον οποίο τοποθετήθηκαν και διαμοιράστηκαν οι συχνότητες. Θεωρώντας τώρα το κύτταρο Α1 με κωδικό 3 ως κεντρικό βλέπουμε ότι συνορεύει με τα κύτταρα: D2,C3,A2,A3,B2. Εξετάζοντας την απόσταση κατά την οποία διαφέρουν οι συχνότητες των γειτονικών κυττάρων από το κύτταρο Α1 θα διαπιστώσουμε ότι η απόσταση αυτή έχει ένα φασματικό εύρος μεγαλύτερο από τα 600KHz το οποίο είναι 3φορές μεγαλύτερο από το φασματικό εύρος της κάθε συχνότητας του δικτύου τα 200ΚΗz. Η προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού εξασφαλίζεται και ως προς τα γειτονικά κύτταρα της αστικής περιοχής και ως προς τα γειτονικά κύτταρα της ορεινής περιοχής. 149

150 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Ορεινή περιοχή Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη. Η ορεινή περιοχή σύμφωνα με την πληθυσμιακή κατανομή συγκεντρώνει το 2.5% του συνολικού πληθυσμού δηλαδή 5365 κατοίκους και έχει έκταση km 2. Μερικά από τα χωριά που περιλαμβάνει είναι ο Χάραδρος, ο Ρωμανός, η Σκιοέσσα, η Καρυά, το Κεφαλόβρυσο, η Ελικίστρα κ.α.. Το περιβάλλον διάδοσης της ορεινής περιοχής διαφέρει από τα αντίστοιχα περιβάλλοντα της αστικής και ημιαστική περιοχής. Πέραν των τεχνητών εμποδίων που υπάρχουν εντός των κατοικημένων περιοχών χαρακτηρίζεται και από αρκετά φυσικά εμπόδια. Το γεωγραφικό ανάγλυφο χαρακτηρίζεται από λόφους, υψώματα,χαράδρες και αρκετή βλάστηση σε ορισμένα σημεία. Η μορφολογία αυτή του εδάφους συνεπάγεται το φαινόμενο της περίθλασης γύρω από τους λόφους και την εμφάνιση έντονης σκίασης. Τα φαινόμενα αυτά θα προκαλέσουν περαιτέρω απώλειες στην όδευση του σήματος πέραν των απωλειών ελευθέρου χώρου που μπορούν να οδηγήσουν και σε διακοπή της επικοινωνίας εφόσον τα φυσικά εμπόδια παρεμβάλλονται στην πρώτη ζώνη Fresnel με αποτέλεσμα την απώλεια της ζεύξης οπτικής επαφής μεταξύ του σταθμού βάσης και της φορητής συσκευής. Τo μοντέλo ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης που θα χρησιμοποιήσουμε για την εκτίμηση των απωλειών και την κάλυψη της ορεινής περιοχής είναι το log-distance. Το μοντέλο του log-distance είναι το παρακάτω: Log-distance PL=PL(do)+10*n*log10(d/do)+Χσ Όπου: d: απόσταση από το σταθμό βάσης σε m. do=1000m PL: απώλειες που υπολογίζονται με βάση το μοντέλο log-distance PL(do) : απώλειες σε απόσταση do Χσ: απώλειες λόγω του φαινομένου της σκίασης Η μικρή πυκνότητα των συνδρομητών (μόλις 105 κάτοικοι/ km 2 ) και η μορφολογία του εδάφους μας οδηγεί στο να υιοθετήσουμε μία πολιτική κυτταρικής σχεδίασης που θα εστιάζει στην γρήγορη κάλυψη συνδυάζοντας όμως παράλληλα την αξιόπιστη παροχή υπηρεσιών. Στα πλαίσια μίας γρήγορης και χωρίς μεγάλο οικονομικό κόστος κάλυψης της ορεινής περιοχής (λόγω των ιδιαιτεροτήτων της) θεωρούμε μία τιμή για την ακτίνα του κυττάρου της τάξης των τριών χιλιομέτρων (R=3km). Η ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης διατηρείται στα 40 Watt (ή 46.02dBm) και η στάθμη ευαισθησίας της φορητής συσκευής είναι SSM=-102dBm. Συνυπολογίζοντας και τα περιθώρια Rmarg, Imarg και Bmarg η ισχύς του λαμβανομένου σήματος στα όρια του κυττάρου θα είναι: 150

151 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Pr=SSM+ Rmarg+Imarg+Bmarg= =-96 dbm Ωστόσο λόγω του γεωγραφικού αναγλύφου της περιοχής θα πρέπει να συμπεριλάβουμε στους υπολογισμούς μας και τις απώλειες του φαινομένου της σκίασης οι οποίες εκφράζονται μέσω της παραμέτρου Χσ του μοντέλου log-distance. Χρησιμοποιώντας τον ισολογισμό ισχύος (link budget) και εφόσον γνωρίζουμε την ισχύ εκπομπής Pt, την ισχύ λήψης Pr και τo μοντέλo διάδοσης θα υπολογίσουμε την παράμετρο Χσ για την ακτίνα του κυττάρου R=3km. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο κώδικας σε Matlab υπολογισμού της παραμέτρου Χσ για την ορεινή περιοχή στον οποίο αναγράφονται οι τιμές των αναφερθέντων παραμέτρων και επεξηγείται η χρήση της κάθε παραμέτρου. /*******************************************************************/ % Εύρεση σκίασης Χs για την ορεινή περιοχή Pr=-96; %dbm κατώφλι ευαισθησίας της φορητής συσκευής Pt=46.02; %dbm ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης Gt=10; %dbi κέρδος της κεραίας του σταθμού βάσης Gr=1; %dbi κέρδος της κεραίας της φορητής συσκευής f=900; %MHz συχνότητα λειτουργίας του δικτύου d=3000; %m ακτίνα κυψέλης ορεινής περιοχής για τον τύπο log distance loss n=4 % εκθέτης απωλειών PLOG= *n*log10(d/1000); Xs=Pt-Pr+Gt+Gr-PLOG %απώλειες από το μοντέλο log distance %συντελεστής σκίασης /*******************************************************************/ Το αποτέλεσμα για την παράμετρο της σκίασης από τον παραπάνω κώδικα είναι Χσ= db. Οι απώλειες λόγω σκίασης αυξάνουν τις συνολικές απώλειες στη διάδοση του εκπεμπόμενου σήματος. Το σχήμα που ακολουθεί δείχνονται οι γραφικές παραστάσεις της λαμβανόμενης ισχύος και των απωλειών για την ορεινή περιοχή. 151

152 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.12 Ισχύς λήψης και απώλειες συναρτήσει της απόστασης για την ορεινή περιοχή. Εφόσον η γνωρίζουμε την ακτίνα του κυττάρου μπορούμε να υπολογίσουμε την έκτασή του: Εμβαδόν κυττάρου= Ε=2.598*R 2 =2.598*(3) 2 = km 2. Στην ορεινή περιοχή όπου δεν υπάρχουν τόσα πολλά τεχνητά εμπόδια και η πληθυσμιακή πυκνότητα είναι μικρή σε σχέση με την αστική και την ημιαστική περιοχή η γρήγορη κάλυψη επιτυγχάνεται και μέσω της κλίσης της κεραίας του σταθμού βάσης. Στην περίπτωση αυτή μπορούμε να διατηρήσουμε μηδενική την κλίση ή να ρυθμίσουμε τη κεραία μας με μία μικρή κλίση προς τα πάνω. Με τον τρόπο αυτό επηρεάζουμε την εμβέλεια της κάλυψης αφού αυξάνεται το εύρος του κυττάρου Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα. Η ακτίνα κάλυψης του κυττάρου που υπολογίσαμε στο προηγούμενο βήμα θα πρέπει να ελεγχθεί για το αν ικανοποιεί και τις ανάγκες του κυττάρου ως προς τη χωρητικότητα του. Γνωρίζοντας την ακτίνα μπορούμε να υπολογίσουμε την συνδρομητική κίνηση της κυψέλης και να εκτιμήσουμε τη συνολική χωρητικότητα του δικτύου για την ορεινή περιοχή. Για να υπολογίσουμε την συνδρομητική κίνηση που αναμένεται να διαχειριστεί το δίκτυο της ορεινής περιοχής υποθέτουμε οτι από το σύνολο του πληθυσμού της περιοχής μόνο το 40% δηλαδή 2146 συνδρομητές πραγματοποιούν κλήσεις κατά τη διάρκεια της ώρας αιχμής με ρυθμό λ=1κλήση/ώρα και χρονική διάρκεια h=40sec. 152

153 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Χρησιμοποιώντας τον τύπο 2.18 υπολογίζουμε οτι η κίνηση που παράγει ένας συνδρομητής είναι: Ac=λ*h=(1*40)/3600=0.011 erl. Εφόσον οι συνδρομητές την ώρα αιχμής είναι 2146 η συνολική συνδρομητική κίνηση της ημιαστικής περιοχής την ώρα αιχμής είναι : Atotal=N*Ac=2146*0.011=23.61 erl Εφόσον ξέρουμε οτι 5365 κάτοικοι κατανέμονται ομοιόμορφα σε km 2 τότε στα km 2 που είναι η έκταση της κυψέλης αντιστοιχούν 2457 κάτοικοι. Επειδή μόνο το 40% των κατοίκων πραγματοποιούν κλήσεις την ώρα αιχμής οι συνδρομητές του κυττάρου θα είναι 0.4*2457=982 και το φορτίο κίνησης που θα παράγουν είναι 982*0.011= erl. Για βαθμό εξυπηρέτησης GoS=2% και φορτίο κίνησης erl ανατρέχοντας στον πίνακα Erlang B θα δούμε οτι απαιτείται το κάθε κύτταρο του cluster να διαθέτει 18 κανάλια για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητάς του. Εφόσον το TDMA πλαίσιο του GSM χωρίζεται σε 8 χρονοθυρίδες ο αριθμός των συχνοτήτων της κυψέλης είναι :18/8=2.25 συχνότητες. Επειδή θέλουμε ακέραιο αριθμό συχνοτήτων θα αναθέσουμε 3 συχνότητες σε κάθε κύτταρο. Έτσι το κάθε κύτταρο του κυτταρικού συγκροτήματος θα διαθέτει 24 κανάλια και θα μπορεί να διεκπεραιώνει τελικώς φορτίο κίνησης μέχρι 16.6 erl. Με γνωστό πλέον το εμβαδόν του κάθε κυττάρου και δεδομένη την έκταση της ημιαστικής περιοχής υπολογίζουμε τον αριθμό των κυττάρων που απαιτούνται για την επαρκή κάλυψή της ημιαστικής περιοχής: Αριθμός κυττάρων ημιαστικής περιοχής=εημιαστικής_περιοχής/εκυττάρου= km 2 / km 2 = 3 (θεωρούμε πάντα ακέραιο αριθμό κυττάρων) Την ίδια διαδικασία εφαρμόζουμε και για GoS=3% και GoS=5% για την εύρεση της συνδρομητικής κίνησης, της χωρητικότητας του κάθε κυττάρου καθώς και το συνολικό αριθμό των κυττάρων για επαρκή κάλυψη της ορεινής περιοχής. Όλα τα αποτελέσματα από το στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα για GoS=2%,3% και 5% παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Ορεινή περιοχή Τιμές Παραμέτρων (GoS=2%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=3%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=5%) Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης 1 κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 153

154 Κεφάλαιο 3 ο κλήσεων (λ) Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA 40 sec 40 sec 40 sec erl erl erl erl erl erl Αριθμός καναλιών κυψέλης 18 (24) / 3 18(24) / 3 18 (24) / 3 κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης (16.6)erl 12.2 erl 13.39erl κυψέλης Εμβαδόν km km km 2 κυψέλης Ακτίνα κυψέλης 3km 3km 3km Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα 42/ km 2 42/ km 2 42/ km 2 συνδρομητών Πυκνότητα 0.46 erl/ km erl/ km erl/ km 2 φορτίου κίνησης Αριθμός κυψελών Απόδοση 60 (45)% 67.8 (50.8)% (55.79)% καναλιού Ισχύς εκπομπής dbm dbm dbm Πίνακας 3.15 Διαστασιολόγηση του δικτύου της ορεινής περιοχής Σχεδιασμός κυττάρων Από το βήμα της διαστασιολόγησης του δικτύου υπολογίστηκε οτι το κάθε κύτταρο για GoS=2% έχει ακτίνα R=3 km, εμβαδόν Ecell= km 2 και για την πλήρη κάλυψη της ορεινής περιοχής απαιτούνται 3 μεγάλα κύτταρα. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κυτταρική κάλυψη της ορεινής περιοχής με 3 κύτταρα. Η σχεδίαση των κυττάρων πάνω στο χάρτη έχει υλοποιηθεί σε πραγματική κλίμακα. 154

155 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.13 Σχεδιασμός κυττάρων για την ορεινή περιοχή Σχεδιασμός συχνοτήτων Από τη διαστασιολόγηση της ορεινής περιοχής και με την θεώρηση της ομοιόμορφης κατανομής της συνδρομητικής κίνησης προέκυψε οτι για κάθε ένα από τα 3 κύτταρα της περιοχής απαιτούνται 3 συχνότητες για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητάς του. Τα κύτταρα της περιοχής είναι τα Β3, Α2 και Β1.Η ανάθεση των συγκεκριμένων συχνοτήτων δεν έγινε τυχαία αλλά πραγματοποιήθηκε με γνώμονα την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κατανομή των συχνοτήτων στα κύτταρα της περιοχής.. Επειδή χρησιμοποιούμε την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης FDMA/TDMA και την τεχνολογία GSM κάθε μία από αυτές τις συχνότητες διαχωρίζεται σε 8 χρονοθυρίδες-κανάλια εξυπηρέτησης. Έτσι σε κάθε κύτταρο έχουμε 3συχνότητες*8χρονοθυρίδες=24 κανάλια. Β3 Α2 Β Πίνακας 3.16 Κατανομή των συχνοτήτων για την άνω και κάτω ζεύξη (uplink - downlink) στα κύτταρα της ορεινής περιοχής σύμφωνα με την ΑRFCN αρίθμηση. 155

156 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Β3 Α2 Β Πίνακας 3.17 Συχνότητες του cluster σε MHz για την κάτω ζεύξη (downlink) της ορεινής περιοχής. Β3 Α2 Β Πίνακας 3.18 Συχνότητες του cluster σε MHz για την άνω ζεύξη (uplink) της ορεινής περιοχής. Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων και ο τρόπος τοποθέτησης των κυτταρικών συγκροτημάτων για την ορεινή περιοχή φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Κάθε κυψέλη χαρακτηρίζεται από έναν ακέραιο θετικό αριθμό από το 1 έως το 3 που αποτελεί τον κωδικό του κυττάρου. Σχήμα 3.14 Σχεδιασμός συχνοτήτων της ορεινής περιοχής της Πάτρας. Στο σχήμα 3.14 φαίνεται και η θέση τοποθέτησης των σταθμών βάσης υπό μορφή βελών. Το σημείο εγκατάστασης διαδραματίζει κομβικό ρόλο στην υλοποίηση του δικτύου της περιοχής. Οι σταθμοί βάσης στο πλαίσιο της γρήγορης και καλής κάλυψης θα πρέπει να τοποθετηθούν σε σημεία με υψομετρική διαφορά σε σχέση με το υπόλοιπο περιβάλλον της διάδοσης και να καλύπτουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερη έκταση. Οι θέσεις αυτές επιλέχθηκαν λόγω της ιδιομορφίας του γεωγραφικού 156

157 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA αναγλύφου της ορεινής περιοχής. Εάν ανατρέξουμε στα συγκεκριμένα σημεία στο πρόγραμμα Google Earth θα δούμε οτι αντιστοιχούν σε λόφους από τους οποίους καλύπτεται ηλεκτρομαγνητικά το μεγαλύτερο ποσοστό της έκτασης της ορεινής περιοχής Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Στη σχεδίαση του δικτύου για την ορεινή περιοχή προσπαθούμε να απαλλαγούμε από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης χρησιμοποιώντας τον τύπο του Mifsud για να εντοπίσουμε τις συχνότητες οι οποίες υφίστανται αυτόν τον τύπο της παρεμβολής. Στην περίπτωση της ορεινής περιοχής ο πίνακας 3.16 περιείχε τις παρακάτω συχνότητες. Β3 Α2 Β Για να επιτευχθεί προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης δεν επιλέγουμε για χρήση τις παραπάνω συχνότητες αλλά τις αντικαθιστούμε με αυτές που φαίνονται στον επόμενο πίνακα. Β3 Α2 Β Με τον τρόπο απαλλασσόμαστε από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή. Για την ορεινή περιοχή η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των ομοκαναλικών κυττάρων είναι D=6*R=6*3000=18000 m. Η ομοκαναλική παρεμβολή που δέχεται κάθε κύτταρο της ορεινής περιοχής προέρχεται από τα εξής κύτταρα: Ομοκαναλικά κύτταρα, τα οποία βρίσκονται στην ορεινή περιοχή και σε απόσταση D=18000m από το κύτταρο που εξετάζουμε. Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στην ημιαστική περιοχή Κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού και της ανάθεσης των συχνοτήτων έγινε προσπάθεια να ελαχιστοποιηθεί όσο μπορεί η ομοκαναλική παρεμβολή αφού με βάση τον ολικό σχεδιασμό της γεωγραφικής περιοχής Πάτρας (σχήμα 3.19) βλέπουμε ότι η κυψέλη με τον κωδικό 1 παρεμβαίνει γεωγραφικώς σε 9 κυψέλες της ημιαστικής περιοχής λόγω της μεγάλης ακτίνας της. Αυτό όπως αντιλαμβανόμαστε θα δημιουργήσει ισχυρή ομοκαναλική παρεμβολή και σε κύτταρα της ημιαστικής περιοχής αλλά και σε κύτταρα της αστικής περιοχής. 157

158 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Ο λόγος της ισχύος της φέρουσας του σήματος προς την ομοκαναλική παρεμβολή (C/I) υπολογίζεται από τον τύπο 2.8. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούμε στον τύπο αυτό είναι τα παρακάτω: Po=40 Watt (ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης της ορεινής περιοχής) Pκ=40 Watt (ισχύς εκπομπής των σταθμών βάσης όλων των ομοκαναλικών κυττάρων ) do=3000 m (απόσταση της φορητής συσκευής από την κεραία του κυττάρου εξυπηρέτησης) dκ= απόσταση ομοκαναλικών κυττάρων για κάθε υποπεριοχή από το κύτταρο αναφοράς που εξετάζουμε (μετρήθηκε με βάση το πρόγραμμα Google Earth και αφού είχε ολοκληρωθεί ο συνολικός σχεδιασμός συχνοτήτων για την περιοχή των Πατρών) n=4 (παράγοντας εξασθένησης της ισχύος εκπομπής) Ο πίνακας που ακολουθεί δείχνει τις τιμές του λόγου C/I για κάθε κυψέλη της ορεινής περιοχής. Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Πίνακας 3.19 Τιμές του λόγου C/I για την ορεινή περιοχή Παρατηρούμε και πάλι το γεγονός ότι οι τιμές στα κύτταρα 2 και 3 έχουν πολύ χαμηλό λόγο C/I. Αυτό οφείλεται στην ισχυρή ομοκαναλική παρεμβολή την οποία δέχεται η ορεινή περιοχή από κοντινά κύτταρα της ημιαστικής αφού δεν μπορούν να τηρηθούν οι ελάχιστες αποστάσεις ομοκαναλικών κυττάρων ούτε από την πλευρά του ραδιοδικτύου της ορεινής αλλά ούτε και από την πλευρά της ημιαστικής περιοχής εξαιτίας των διαφορετικών ακτίνων των δύο περιοχών. Το κύτταρο Β3 (1) δεν υφίσταται ομοκαναλική παρεμβολή από κανένα άλλο κύτταρο και επομένως δεν επαρκούν τα δεδομένα εισόδου για την λειτουργία του τύπου 2.6. Προκειμένου να δημιουργήσουμε τη γραφική αναθέτουμε στο κύτταρο 158

159 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA αυτό τιμή C/I=31.13dB η οποία είναι αρκετά μεγαλύτερη από τα 12dB που απαιτούνται για να χαρακτηριστεί ως καλό το σήμα από την πλευρά της ποιότητας. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η γραφική παράσταση των τιμών του C/I για την ημιαστική περιοχή. Σχήμα 3.15 Τιμές του λόγου C/I των κυττάρων της ορεινής περιοχής Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η παρεμβολή γειτονικού καναλιού τα κύτταρα και κατ επέκταση οι συχνότητές τους τοποθετήθηκαν με τέτοιο ώστε οι συχνότητες του ίδιου κυττάρου να απέχουν μεταξύ τους τουλάχιστον κατά 2.4 MHz (η ελάχιστη φασματική απόσταση) και οι συχνότητες μεταξύ των γειτονικών κυττάρων να απέχουν φασματική απόσταση 600KHz. Ως παράδειγμα αναφερόμαστε στην κυψέλη Α2. Η κυψέλη Α2 διαθέτει προς χρήση τις συχνότητες: f5,f17,f35 Παρατηρούμε ότι: η f5 διαφέρει από τη f17 κατά 2.4 MHz η f17 διαφέρει από την f35 κατά 3.6 MHz η f35 διαφέρει από την f5 κατά 6 MHz Οι φασματικές αυτές διαφορές μεταξύ συχνοτήτων του ιδίου κυττάρου ισχύουν για όλα τα κύτταρα της ορεινής περιοχής χάρη στον τρόπο με τον οποίο τοποθετήθηκαν και διαμοιράστηκαν οι συχνότητες. 159

160 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Θεωρώντας τώρα το κύτταρο Α2 ως κεντρικό βλέπουμε ότι συνορεύει με τα κύτταρα : Β3 και Β1. Εξετάζοντας την απόσταση κατά την οποία διαφέρουν οι συχνότητες των γειτονικών κυττάρων από το κύτταρο Α2 θα διαπιστώσουμε ότι η απόσταση αυτή έχει ένα φασματικό εύρος μεγαλύτερο από τα 600KHz το οποίο είναι 3φορές μεγαλύτερο από το φασματικό εύρος της κάθε συχνότητας του δικτύου δηλαδή τα 200ΚΗz Περιοχή Παναχαϊκού όρους Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη. Το Παναχαϊκό όρος βρίσκεται νοτιοανατολικά της Πάτρας και συνορεύει με την ορεινή περιοχή όπως αυτή ορίστηκε κατά τον κυτταρικό σχεδιασμό. Η έκτασή του ανέρχεται στα 78 km 2. Στο όρος Παναχαϊκό δεν θεωρήσαμε κάποιο ποσοστό κατοίκων ως προς το συνολικό πληθυσμό και ο σχεδιασμός του δικτύου στο τμήμα αυτό βασίστηκε στην υπόθεση των εποχούμενων συνδρομητών. Το περιβάλλον διάδοσης αποτελείται από μεγάλα φυσικά εμπόδια όπως είναι οι κορυφές και οι λόφοι του όρους και οι χαράδρες. Παρατηρείται απουσία βλάστησης σε σχέση με την ορεινή περιοχή ενώ σε κάποια σημεία του έχουν τοποθετηθεί ανεμογεννήτριες. Εξαιτίας της μορφολογίας του εδάφους εκτός των απωλειών λόγω απόστασης αναμένονται και επιπλέον απώλειες λόγω του φαινομένου της περίθλασης γύρω από τα ογκώδη φυσικά εμπόδια και της έντονης σκίασης. Επιπλέον αναμένεται να υπάρχουν σημεία ή υποπεριοχές όπου λόγω της ύπαρξης μεγάλων και ψηλών φυσικών εμποδίων η λήψη του σήματος δεν θα είναι ικανοποιητική αφού θα παρατηρείται παραβίαση της πρώτης ζώνης Fresnel με αποτέλεσμα αρκετές βυθίσεις του σήματος και υψηλές απώλειες. Τo μοντέλo ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης που θα χρησιμοποιήσουμε για την εκτίμηση των απωλειών και την κάλυψη της περιοχής είναι το log-distance το οποίο περιγράφηκε στην κυτταρική σχεδίαση της ορεινής περιοχής. Επειδή στην συγκεκριμένη περιοχή δεν υπάρχει έντονη ζήτηση σε συνδρομητές (σχεδίαση με βάση τους εποχούμενους μόνο συνδρομητές) και λόγω της γεωγραφικού αναγλύφου απαιτείται η περιοχή να καλυφθεί γρήγορα και φθηνά. Κινούμενοι με βάση την λογική αυτή αποφασίζουμε μία τιμή για την ακτίνα του κυττάρου κάλυψης της τάξης των τεσσάρων χιλιομέτρων (R=4km). Η ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης διατηρείται στα 40 Watt (ή 46.02dBm) και η στάθμη ευαισθησίας της φορητής συσκευής είναι SSM=-102dBm. Συνυπολογίζοντας και τα περιθώρια Rmarg, Imarg και Bmarg η ισχύς του λαμβανομένου σήματος στα όρια του κυττάρου θα είναι: Pr=SSM+ Rmarg+Imarg+Bmarg= =-96 dbm 160

161 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Ωστόσο λόγω του γεωγραφικού αναγλύφου της περιοχής θα πρέπει να συμπεριλάβουμε στους υπολογισμούς μας και τις απώλειες του φαινομένου της σκίασης οι οποίες εκφράζονται μέσω της παραμέτρου Χσ του μοντέλου log-distance. Χρησιμοποιώντας τον ισολογισμό ισχύος (link budget) και εφόσον γνωρίζουμε την ισχύ εκπομπής Pt, την ισχύ λήψης Pr και τo μοντέλo διάδοσης θα υπολογίσουμε την παράμετρο Χσ για την ακτίνα του κυττάρου R=4km. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο κώδικας σε Matlab υπολογισμού της παραμέτρου Χσ για την ορεινή περιοχή στον οποίο αναγράφονται οι τιμές των αναφερθέντων παραμέτρων και επεξηγείται η χρήση της κάθε παραμέτρου. /**********************************************************************************************/ % Εύρεση σκίασης Χs για την ορεινή περιοχή Pr=-96; %dbm κατώφλι ευαισθησίας της φορητής συσκευής Pt=46.02; %dbm ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης Gt=10; %dbi κέρδος της κεραίας του σταθμού βάσης Gr=1; %dbi κέρδος της κεραίας της φορητής συσκευής f=900; %MHz συχνότητα λειτουργίας του δικτύου d=4000; %m ακτίνα κυψέλης ορεινής περιοχής για τον τύπο log distance loss n=4 % εκθέτης απωλειών PLOG= *n*log10(d/1000); Xs=Pt-Pr+Gt+Gr-PLOG %απώλειες από το μοντέλο log distance %συντελεστής σκίασης /**********************************************************************************************/ Το αποτέλεσμα για την παράμετρο της σκίασης από τον παραπάνω κώδικα είναι Χσ= db. Οι απώλειες λόγω σκίασης αυξάνουν τις συνολικές απώλειες στη διάδοση του εκπεμπόμενου σήματος. Το σχήμα που ακολουθεί δείχνονται οι γραφικές παραστάσεις της λαμβανόμενης ισχύος και των απωλειών για την περιοχή του Παναχαϊκού όρους. 161

162 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.16 Ισχύς λήψης και απώλειες συναρτήσει της απόστασης για την περιοχή του Παναχαϊκού όρους. Εφόσον η γνωρίζουμε την ακτίνα του κυττάρου μπορούμε να υπολογίσουμε την έκτασή του: Εμβαδόν κυττάρου= Ε=2.598*R 2 =2.598*(4) 2 = km 2. Για την γρήγορη και φθηνή κάλυψη της περιοχής μπορούμε να ρυθμίσουμε την κεραίας του σταθμού βάσης δίνοντας μία μικρή κλίση προς τα πάνω γεγονός που συνεπάγεται την αύξηση του μεγέθους του κυττάρου και κατ επέκταση της εμβέλειας της κάλυψης Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα. Για να εκτιμήσουμε την συνδρομητική κίνηση για την περιοχή του Παναχαϊκού όρους θα κινηθούμε διαφορετικά από οτι κάναμε για τις υπόλοιπες περιοχές του δικτύου εφόσον η συγκεκριμένη περιοχή δεν διαθέτει κάποιο ποσοστό πληθυσμού. Αυτό που θα κάνουμε στην ουσία είναι να υπολογίσουμε δοθέντων κάποιων στοιχείων και υποθέσεων των αριθμό των συνδρομητών που μπορεί να υποστηρίξει το δίκτυο της περιοχής για κάποιο βαθμό εξυπηρέτησης (GoS). Με γνωστό το εμβαδόν του κάθε κυττάρου και δεδομένη την έκταση της περιοχής υπολογίζουμε τον αριθμό των κυττάρων που απαιτούνται για την επαρκή κάλυψή της: 162

163 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Αριθμός κυττάρων Παναχαϊκού όρους=επαναχαϊκού όρους/εκυττάρου=78km 2 / km 2 = 2 (θεωρούμε πάντα ακέραιο αριθμό κυττάρων) Εφόσον η συγκεκριμένη περιοχή δεν κατοικείται για την κάλυψη των επικοινωνιακών αναγκών των εποχούμενων συνδρομητών αποφασίζουμε να καταχωρήσουμε μία συχνότητα σε κάθε κύτταρο δηλαδή 8 κανάλια ανά κυψέλη. Υποθέτοντας οτι οι συνδρομητές πραγματοποιούν κλήσεις διάρκεια της ώρας αιχμής με ρυθμό λ=1κλήση/ώρα και χρονική διάρκεια h=40sec και χρησιμοποιώντας τον τύπο 2.18 υπολογίζουμε την κίνηση που παράγει ένας συνδρομητής της περιοχή. Ac=λ*h=(1*40)/3600=0.011 erl Στη συνέχεια υπολογίζουμε το φορτίο κίνησης που μπορεί να διεκπεραιώσει ένα κύτταρο για βαθμό εξυπηρέτησης GoS=2% και αριθμό καναλιών ίσο με 8. Ανατρέχοντας στον πίνακα Erlang B βλέπουμε οτι το φορτίο αυτό ανέρχεται στα 3.63 erl. Αφού το φορτίο της κυψέλης είναι 3.63 erl και η κίνηση του κάθε συνδρομητή erl υπολογίζουμε τον αριθμό των συνδρομητών του κάθε κυττάρου. Αριθμός συνδρομητών κυττάρου=3.63 erl /0.011 erl=330 Επομένως ο συνολικός αριθμός των συνδρομητών καθώς και το συνολικό φορτίο κίνησης που μπορεί να διαχειριστεί το δίκτυο της περιοχής του Παναχαϊκού όρους είναι : 2 (κύτταρα)*330 (συνδρομητές/κύτταρο)=660 συνδρομητές 660 (συνδρομητές)*0.011 erl=7.26 erl Την ίδια διαδικασία εφαρμόζουμε και για GoS=3% και GoS=5% για την εύρεση της συνδρομητικής κίνησης, της χωρητικότητας του κάθε κυττάρου καθώς και το συνολικό αριθμό των κυττάρων για επαρκή κάλυψη της περιοχής Παναχαϊκού όρους. Όλα τα αποτελέσματα από το στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα για GoS=2%,3% και 5% παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Όρος Παναχαϊκό Τιμές Παραμέτρων (GoS=2%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=3%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=5%) Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης 1 κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα κλήσεων (λ) Διάρκεια 40 sec 40 sec 40 sec 163

164 Κεφάλαιο 3 ο κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA erl erl erl 7.26 erl erl erl Αριθμός καναλιών κυψέλης 8/ 1 8/ 1 8/ 1 κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης 3.63erl 3.99 erl 4.54erl κυψέλης Εμβαδόν km km km 2 κυψέλης Ακτίνα κυψέλης 4km 4km 4km Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα συνδρομητών Πυκνότητα erl/ km erl/ km erl/ km 2 φορτίου κίνησης Αριθμός κυψελών Απόδοση 45.38% 49.88% 56.75% καναλιού Ισχύς εκπομπής 46.02dBm 46.02dBm 46.02dBm Πίνακας 3.20 Διαστασιολόγηση του δικτύου της περιοχής του Παναχαϊκού όρους Σχεδιασμός κυττάρων Από το βήμα της διαστασιολόγησης του δικτύου υπολογίστηκε οτι το κάθε κύτταρο για GoS=2% έχει ακτίνα R=4 km, εμβαδόν Ecell= km 2 και για την πλήρη κάλυψη της περιοχής του Παναχαϊκού όρους απαιτούνται 2 μεγάλα κύτταρα. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κυτταρική κάλυψη. Με πράσινο χρώμα δείχνονται τα όρια της περιοχής του Παναχαϊκού όρους. Η σχεδίαση των κυττάρων πάνω στο χάρτη έχει υλοποιηθεί σε πραγματική κλίμακα. 164

165 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.17 Σχεδιασμός κυττάρων για την περιοχή του Παναχαϊκού όρους Σχεδιασμός συχνοτήτων Από τη διαστασιολόγηση της συγκεκριμένης περιοχής και με την θεώρηση της ομοιόμορφης κατανομής της συνδρομητικής κίνησης προέκυψε οτι σε κάθε ένα από τα 2 κύτταρα της περιοχής καταχωρείται μία συχνότητα για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητάς του. Τα κύτταρα της περιοχής είναι τα D2 και D3.Η ανάθεση των συχνοτήτων δεν έγινε τυχαία αλλά πραγματοποιήθηκε με γνώμονα την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών από και προς τις άλλες περιοχές του δικτύου. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κατανομή των συχνοτήτων στα κύτταρα της περιοχής. Επειδή χρησιμοποιούμε την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης FDMA/TDMA και την τενχολογία GSM κάθε μία από αυτές τις συχνότητες διαχωρίζεται σε 8 χρονοθυρίδες-κανάλια εξυπηρέρηση Έτσι σε κάθε κύτταρο έχουμε 1συχνότητα*8χρονοθυρίδες=8 κανάλια. D Πίνακας 3.21 Κατανομή των συχνοτήτων για την άνω και κάτω ζεύξη (uplink - downlink) στα κύτταρα της περιοχής Παναχαϊκού όρους σύμφωνα με την ΑRFCN αρίθμηση. D2 165

166 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA D3 D Πίνακας 3.22 Συχνότητες του cluster σε MHz για την κάτω ζεύξη (downlink) της περιοχής του Παναχαϊκού όρους. D3 D Πίνακας 3.23 Συχνότητες του cluster σε MHz για την άνω ζεύξη (uplink) της περιοχής του Παναχαϊκού όρους. Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων και ο τρόπος τοποθέτησης των κυτταρικών συγκροτημάτων για την περιοχή του Παναχαϊκού όρους φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Κάθε κυψέλη χαρακτηρίζεται από έναν ακέραιο θετικό αριθμό από το 1 έως το 2 που αποτελεί τον κωδικό του κυττάρου. Σχήμα 3.18 Σχεδιασμός συχνοτήτων της περιοχής του Παναχαϊκού όρους της Πάτρας. Στο σχήμα 3.18 φαίνεται και η θέση τοποθέτησης των δύο σταθμών βάσης. Και σε αυτήν την περίπτωση απαιτείται οι σταθμοί βάσης να βρίσκονται σε σημεία με υψομετρική διαφορά ως προς το περιβάλλον διάδοσης προκειμένου να εξασφαλίζεται η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη εμβέλεια κάλυψης της περιοχής του Παναχαϊκού όρους. 166

167 Κεφάλαιο 3 ο Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Ανατρέχοντας στον πίνακα 3.21 με την κατανομή των συχνοτήτων στα κύτταρα θα δούμε οτι δεν υπάρχουν συχνότητες οι οποίες να υφίστανται την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Επομένως η συγκεκριμένη καταχώρηση είναι απαλλαγμένη από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή. Για την περιοχή του Παναχαϊκού όρους η ελάχιστη απόσταση ανάμεσα στα κύτταρα που φέρουν τις ίδιες ονομαστικές συχνότητες είναι D=6*R=6*4000=24000km. Η περιοχή του Παναχαϊκού όρους είναι καθαρή από ομοκαναλική παρεμβολή από τις άλλες περιοχές του δικτύου. Αυτό οφείλεται στην προσεκτική τοποθέτηση των συχνοτήτων της ως προς την ορεινή περιοχή και στην μεγάλη απόσταση των κυττάρων της από τα αντίστοιχα ομοκαναλικά κύτταρα που βρίσκονται στην αστική και ημιαστική περιοχή. Κοιτώντας το χάρτη σχεδίασης συχνοτήτων θα δούμε ότι η ορεινή περιοχή διαθέτει διαφορετικές συχνότητες για χρήση από τις δύο του Παναχαϊκού όρους και έτσι δεν δημιουργείται πρόβλημα ομοκαναλικής παρεμβολής. Από την άλλη τα ομοκαναλικά κύτταρα της αστικής και της ημιαστικής περιοχής είναι πολύ μακριά από την περιοχή του Παναχαϊκού όρους και δεν δημιουργούν παρεμβολή στις συχνότητές του Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Εξετάζοντας τις δύο συχνότητες f12 και f8 οι οποίες χρησιμοποιούνται στα δύο κύτταρα του Παναχαϊκού όρους θα δούμε ότι απέχουν μεταξύ τους απόσταση 800KHz η οποία εξασφαλίζει προστασία από αυτού του είδους την παρεμβολή. Παράλληλα η συχνότητα f12 που χρησιμοποιεί το κύτταρο D3, το οποίο παρεμβαίνει στα κύτταρα Α2 και Β1 της ορεινής περιοχής, απέχει μία ελάχιστη φασματική απόσταση 400KHz ως προς τις συχνότητες των κυττάρων Α2 και Β1 εξασφαλίζοντας έτσι προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού και στις δύο περιοχές του δικτύου Κυτταρική κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής των Πατρών. Μέχρι τώρα περιγράψαμε, αναλύσαμε και υλοποιήσαμε τον κυτταρικό σχεδιασμό κάθε μίας από τις τέσσερις υποπεριοχές της γεωγραφικής περιοχής της Πάτρας. Στην ενότητα αυτή θα παρουσιάσουμε το συνολικό κυτταρικό σχεδιασμό της Πάτρας ο οποίος είναι ο συνδυασμός των τεσσάρων επιμέρους σχεδιάσεων και θα 167

168 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA αποτυπώσουμε το τελικό πλάνο των κυττάρων πάνω στο χάρτη όπως αυτό προέκυψε από την παραπάνω διαδικασία. Στον πίνακα που εμφανίζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα της κυτταρικής σχεδίασης για τις τέσσερις περιοχές του δικτύου. Παράμετροι Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Κάτοικοι περιοχής Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Αστική Ημιαστική Ορεινή Όρος περιοχή περιοχή περιοχή Παναχαϊκό (660) κλήσεις/ώρα κλήση/ώρα κλήση/ώρα κλήση/ώρα 84 sec 60sec 40sec 40 sec 0.028erl 0.017erl 0.011erl erl erl erl 23.61erl 7.26 erl Πυκνότητα 7009/ km / km 2 42/ km / km 2 συνδρομητών Πυκνότητα φορτίου κίνησης erl/ km erl/ km erl/ km erl/ km 2 Αριθμός καναλιών κυψέλης κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων 40 / 5 39 (40) / 5 18 (24) / 3 8/ 1 Φορτίο κίνησης 31erl 30erl erl 3.63erl κυψέλης Εμβαδόν κυψέλης km km km km 2 Ακτίνα κυψέλης 0.247km km 3km 4km Συνδρομητές κυψέλης Αριθμός κυψελών (8*12=96) (2*12=24) Αριθμός clusters Πίνακας 3.24 Παράμετροι κυτταρικού σχεδιασμού του δικτύου της περιοχής των Πατρών. 168

169 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Στα σχήματα που ακολουθούν αναπαρίσταται το συνολικό πλάνο των κυττάρων για τη γεωγραφική περιοχή των Πατρών όπως αυτό υπολογίστηκε με βάση τον κυτταρικό σχεδιασμό. Η σχεδίαση έχει πραγματοποιηθεί σε πραγματική κλίμακα. Σχήμα 3.19 Κυτταρική κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής της Πάτρας. Στο σχήμα 3.19 με κόκκινο χρώμα παριστάνονται τα κύτταρα της αστικής περιοχής, με πορτοκαλί χρώμα τα κύτταρα της ημιαστικής περιοχής, με μωβ τα κύτταρα της ορεινής περιοχής και με γαλάζιο χρώμα τα κύτταρα της περιοχής του Παναχαϊκού όρους. Επίσης στην εικόνα διακρίνονται υπό μορφή κύκλων οι υποψήφιες θέσεις για την εγκατάσταση των σταθμών βάσης. Παρατηρώντας το σχήμα θα διαπιστώσουμε οτι υπάρχει μία ποικιλομορφία στο μέγεθος των κυττάρων. Αυτό είναι λογικό και αναμενόμενο εφόσον ο πληθυσμός δεν κατανέμεται ομοιόμορφα και η κάθε περιοχή διακρίνεται ως προς το περιβάλλον διάδοσης της, το προφίλ των συνδρομητών της, την παραγόμενη τηλεπικοινωνιακή κίνηση και χωρητικότητα. Αυτό συνεπάγεται διαφορετική αντιμετώπιση της σχεδίασης για την κάθε περιοχή, όπως δείξαμε στις παραπάνω ενότητες, με συνέπεια τη δημιουργία κυττάρων με διαφορετικές εκτάσεις. Επίσης θα πρέπει να αναφέρουμε οτι τυχόν περιοχές οι οποίες εμφανίζονται ακάλυπτες θα εξυπηρετούνται λόγω των κυματικών φαινομένων και της επικάλυψης από περισσότερα του ενός κύτταρα. Τέλος γίνεται κατανοητό οτι η συνύπαρξη διαφορετικού μεγέθους κυττάρων σε συνδυασμό με την επαναχρησιμοποίηση των 169

170 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA συχνοτήτων δημιουργούν κατάλληλες συνθήκες για την αύξηση της ομοκαναλικής παρεμβολής. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το πλάνο των κύτταρων (με διαφορετικό χρωματικό κώδικα για τα κύτταρα) πάνω στο γεωγραφικό ανάγλυφο της περιοχής των Πατρών όπως αυτό παρουσιάζεται από το πρόγραμμα Google Earth. Σχήμα 3.20 Γραφική αναπαράσταση των κυττάρων της περιοχής της Πάτρας πάνω στο χάρτη. 3.3 Ιεραρχική δομή του δικτύου Το δίκτυο το οποίο σχεδιάζουμε είναι ένα δίκτυο GSM. Η αρχιτεκτονική του GSM χαρακτηρίζεται από ιεραρχική δομή και περιλαμβάνει τα εξής επίπεδα-συστήματα: 1. Σύστημα του σταθμού βάσης ή ραδιοδίκτυο (το οποίο σχεδιάζουμε στο παρών κεφάλαιο) (Base Station System-BSS). Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει τους σταθμούς βάσης (Base Tranceiver Station-BTS) που καλύπτουν ηλεκτρομαγνητικά με τα κεραιοσυστήματά τους την περιοχή του δικτύου και τους ελεγκτές τους (Base Station Controllers-BSCs). 170

171 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA 2. Σύστημα Μεταγωγής (Switching System-SS) Περιλαμβάνει τα ψηφιακά κέντρα (Mobile Switching Centers-MSCs) τα οποία είναι επιφορτισμένα με τη διαδικασίας της δρομολόγησης των κλήσεων. 3. Σύστημα Λειτουργίας και Υποστήριξης (Operation and Support System-OSS) Περιλαμβάνει το κέντρο πιστοποίησης (Authentication center-auc), τη βάση δεδομένων καταχώρησης (Equipment Identity Register-EIR), και τη βάση δεδομένων OMC. Το επίπεδο αυτό επιβλέπει τη λειτουργία του δικτύου. Στην ενότητα αυτή θα πραγματοποιήσουμε έναν απολογισμό για τον εξοπλισμό που απαιτείται για τη συνολική λειτουργία του δικτύου και θα παρουσιάσουμε την ιεραρχική δομή του για τον κυτταρικό σχεδιασμό της γεωγραφική περιοχής της Πάτρας. Το μοτίβο επαναχρησιμοποίησης του GSM είναι το 4/12 που σημαίνει οτι το κυτταρικό συγκρότημά του (cluster) αποτελείται από 12 κύτταρα στα οποία καταχωρείται το διαθέσιμο φάσμα των συχνοτήτων. Τα 12 αυτά κύτταρα εξυπηρετούνται από 4 σταθμούς βάσης γεγονός που σημαίνει οτι κάθε σταθμός βάσης ελέγχει τρία κύτταρα αφού 4 BTS*3 κύτταρα/bts=12. Για τη σχεδίαση μας θεωρούμε οτι ένας ελεγκτής του σταθμού βάσης (BSC) ελέγχει μέχρι 4 σταθμούς βάσης και ένα ψηφιακό κέντρο (MSC) ελέγχει μέχρι 124 κεραίες όπου μία κεραία καλύπτει ηλεκτρομαγνητικά ένα κύτταρο. Επιπλέον μέσα σε κάθε κύτταρο όσος είναι ο αριθμός των συχνοτήτων που του έχουν ανατεθεί τόσος είναι και ο αριθμός των πομπών και των δεκτών που απαιτούνται για την παροχή των υπηρεσιών επικοινωνίας. Όπως έχουμε αναφέρει και στην ενότητα της παρεμβολής ενδοδιαμόρφωσης (Σχήμα 2.26) οι πομποί συνδέονται στο κεραιοσύστημα μέσω συσκευών που ονομάζονται combiners και οι δέκτες μέσω συσκευών που ονομάζονται deplexers. Ο αριθμός των combiners και των deplexers ποικίλει ανάλογα με τον αριθμό των εισόδων (για τους combiners) και των εξόδων (για τους deplexers) που διαθέτουν. Εμείς για την σχεδίαση μας θα χρησιμοποιήσουμε combiners των δύο εισόδων και μίας εξόδου και deplexers της μίας εισόδου και δύο εξόδων. Με βάση την παραπάνω ανάλυση θα υπολογίσουμε τον εξοπλισμό που απαιτείται για την λειτουργία του δικτύου στην κάθε περιοχή και θα παρουσιάσουμε την συνολική δομή του δικτύου κινητών επικοινωνιών που σχεδιάσαμε για την Πάτρα. 1.Αστική περιοχή Η αστική περιοχή όπως προέκυψε από τη σχεδίασή της καλύπτεται από 95 κύτταρα. Εφόσον κάθε σταθμός βάσης ελέγχει 3 κύτταρα τότε απαιτούνται 32 BTSs και 95 κεραίες (εξαίρεση αποτελεί ο σταθμός βάσης που ελέγχει τα κύτταρα με κωδικούς 1 και 2 και διαθέτει δύο κεραίες). Αφού ένα BSC ελέγχει μέχρι 4 BTSs συμπεραίνουμε ότι απαιτούνται για την αστική περιοχή 8 BSCs. Τώρα σε κάθε κύτταρο έχουν ανατεθεί 5 συχνότητες. Επομένως θα πρέπει να υπάρχουν 5 πομποί και 5 δέκτες ανά κύτταρο ενώ για τη σύνδεσή τους στο κεραιοσύστημα απαιτούνται 4 combiners και 4 deplexers. Επειδή έχουμε 95 κύτταρα 171

172 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA χρειαζόμαστε 95*4=380 combiners και 380 deplexers. Ο κάθε BTS θα διαθέτει από 12 combiners και 12 deplexers εκτός από το σταθμό βάσης των κυττάρων με κωδικούς 1 και 2 που θα διαθέτει από 8 combiners και 8 deplexers. 2. Ημιαστική περιοχή Η ημιαστική περιοχή καλύπτεται από 23 κύτταρα. Για την συνολική κάλυψή της επομένως απαιτούνται 8 BTSs και 8 κεραίες συνολικά ενώ οι σταθμοί βάσης θα ελέγχονται από 2 BSCs. Σε κάθε κύτταρο έχουν ανατεθεί 5 συχνότητες. Επομένως απαιτούνται 5 πομποί και 5 δέκτες ανά κυψέλη, 4 combiners και 4 deplexers ανά κυψέλη. Άρα για 23 κύτταρα χρειαζόμαστε 23*4=92 combiners και 92 deplexers. 3. Ορεινή περιοχή Η ορεινή περιοχή καλύπτεται από 3 κύτταρα. Για την κάλυψη της περιοχής απαιτούνται 2 BTSs και 3 κεραίες όπως φαίνεται και από το σχήμα Σε κάθε κύτταρο έχουν ανατεθεί από 3 συχνότητες. Επομένως απαιτούνται 3 πομποί και 3 δέκτες ανά κυψέλη, 2 combiners και 2 deplexers ανά κυψέλη και συνολικά 6 combiners και 6 deplexers για την ορεινή περιοχή (4 combiners για τον BTS που ελέγχει τα κύτταρα με κωδικό 1 και 2 και δύο combiners για το άλλο BTS. Αντίστοιχα και για τους deplexers ). 4. Περιοχή του Παναχαϊκού όρους Η περιοχή του Παναχαϊκού όρους καλύπτεται από 2 κύτταρα. Επομένως για την κάλυψη της περιοχής απαιτούνται 2 BTSs και 2 κεραίες. Επειδή το κάθε κύτταρο χρησιμοποιεί από μία συχνότητα απαιτείται ένας πομπός και ένας δέκτης για κάθε κύτταρο με απευθείας σύνδεση στο κεραιοσύστημα. Για τον έλεγχο των BTS της ορεινής περιοχής και της περιοχής του Παναχαϊκού όρους χρησιμοποιούμε έναν κοινό BSC αφού κάθε περιοχή διαθέτει από 2 BTSs. Ο πίνακας που ακολουθεί εμφανίζει τον εξοπλισμό (σε μονάδες) που απαιτείται για την κάθε περιοχή. Εξοπλισμός Αστική περιοχή Ημιαστική περιοχή Ορεινή περιοχή Περιοχή Παναχαϊκού όρους Συνολικός Απολογισμός Αριθμός κυττάρων Αριθμός BTSs Αριθμός BSCs 8 2 * *

173 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Αριθμός κεραιών Αριθμός πομπών/κύτταρο Αριθμός δεκτών/κύτταρο Αριθμός combiners/κύτταρο Αριθμός deplexers/κύτταρο Συνολικός αριθμός πομπών Συνολικός αριθμός δεκτών Συνολικός αριθμός combiners Συνολικός αριθμός deplexers Πίνακας 3.25 Αποτίμηση του απαιτούμενου εξοπλισμού για την υλοποίηση και λειτουργία του δικτύου της Πάτρας. * Για την ορεινή περιοχή και το Παναχαϊκό όρος χρησιμοποιούμε έναν κοινό ελεγκτή (BSC) αφού και οι δύο περιοχές έχουν από 2 BTSs η κάθε μία. Στην τεχνολογία GSM ένα ψηφιακό κέντρο μπορεί να ελέγχει μέχρι 124 κεραίες. Επομένως για την υλοποίηση του δικτύου της περιοχής της Πάτρας με βάση τον κυτταρικό σχεδιασμό που πραγματοποιήσαμε απαιτείται ένα ψηφιακό κέντρο εφόσον έχουμε συνολικά 123 κεραίες. Για την ολοκληρωμένη λειτουργία του δικτύου απαιτούνται επίσης ένα ακόμα ψηφιακό κέντρο πύλη (G-MSC) για σύνδεση με το σταθερό δίκτυο τηλεφωνία PSTN και την σύνδεση με άλλα κινητά δίκτυα άλλων παρόχων ή δίκτυα δεδομένων καθώς και βάσεις δεδομένων όπως είναι η HLR,η VLR, το EIR, το AuC και το OMC. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η ιεραρχική δομή του δικτύου GSM για την περιοχή της Πάτρας, οι οντότητες που συμπεριλαμβάνονται και οι απαιτούμενες συνδέσεις μεταξύ τους. 173

174 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.21 Ιεραρχική δομή του δικτύου GSM για την γεωγραφική περιοχή της Πάτρας. 174

175 Κεφάλαιο 3 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Σχήμα 3.22 Μεγέθυνση του υποσυστήματος Ραδιοδικτύου. Σχήμα 3.23 Μεγέθυνση του υποσυστήματος μεταγωγής και του υποσυστήματος Υποστήριξης και Λειτουργίας. 175

176 Κεφάλαιο 3 ο 3.4 Συμπεράσματα Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκε διεξοδικά η διαδικασία της κυτταρικής σχεδίασης του δικτύου κινητών επικοινωνιών GSM για την περιοχή της Πάτρας. Είδαμε οτι οι ιδιομορφίες του γεωγραφικού αναγλύφου, η κατανομή του πληθυσμού και κατ επέκταση η κατανομή της συνδρομητικής κίνησης επιβάλουν διαφορετική αντιμετώπιση ως προς το σχεδιασμό της κάθε περιοχής και εισάγουν στο δίκτυο μία ποικιλία κύτταρων με διαφορετικά μεγέθη ανάλογα με τις επικοινωνιακές ανάγκες και τις συνθήκες κάλυψης της κάθε περιοχής. Διαπιστώσαμε τον πολύ βασικό ρόλο που διαδραματίζουν ο σχεδιασμός των συχνοτήτων, ο οποίος βασίστηκε στην τεχνική FCA, και οι παράμετροι που εμπλέκονται σε αυτόν. Είδαμε οτι η σωστή διαχείριση και κατανομή των περιορισμένων συχνοτήτων εξασφαλίζει την υψηλή ποιότητα εξυπηρέτησης και την καλή λειτουργία του δικτύου μέσω των τιμών που λαμβάνει ο λόγος C/I συμβάλλοντας στον περιορισμό των παρεμβολών σε επιθυμητά και αποδεκτά επίπεδα. Τέλος παρουσιάσαμε το πλάνο των κυττάρων για την περιοχή της Πάτρας πάνω στο χάρτη και υλοποιήσαμε την αρχιτεκτονική για τη συνολική λειτουργία του δικτύου. 176

177 Κεφάλαιο 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Υλοποίηση κυτταρικού σχεδιασμού δικτύου κινητών επικοινωνιών στην περιοχή των Πατρών-Σενάριο FCA_36/20/4 4.1 Εισαγωγή Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιούμε και πάλι τον κυτταρικό σχεδιασμό του δικτύου κινητών επικοινωνιών για την περιοχή της Πάτρας εφαρμόζοντας όμως ένα διαφορετικό σενάριο για το σχεδιασμό των συχνοτήτων σε σχέση με τον αντίστοιχο σχεδιασμό του προηγούμενου κεφαλαίου. Η διαφορά έγκειται στην τεχνική που χρησιμοποιούμε για την καταχώρηση των συχνοτήτων. Με βάση την τεχνική FCA_36/20/4 υλοποιούμε και πάλι όλη τη διαδικασία της σχεδίασης, δημιουργούμε ένα καινούριο πλάνο κυττάρων για την κάλυψη της Πάτρας και παρουσιάζουμε την συνολική αρχιτεκτονική του δικτύου. 4.2 Τεχνική καταχώρησης FCA_36/20/4 Πριν ξεκινήσουμε τον σχεδιασμό του δικτύου της Πάτρας θα πρέπει να αναφερθούμε πρώτα στο νέο σενάριο του σχεδιασμού των συχνοτήτων. Στο σενάριο FCA_36/20/4 ακολουθείται μία διαφορετική προσέγγιση στην διαχείριση και την καταχώρηση των συχνοτήτων σε σχέση με την απλή τεχνική FCA που εφαρμόστηκε στο τρίτο κεφάλαιο. Σύμφωνα με την τεχνική FCA_36/20/4 το διαθέσιμο φάσμα των 60 συχνοτήτων που διαθέτουμε ομαδοποιείται και διαιρείται σε τρείς ζώνες συχνοτήτων. Η πρώτη ζώνη περιλαμβάνει 36 συχνότητες από τις 60, η δεύτερη ζώνη περιλαμβάνει 20 και η τρίτη 4 συχνότητες. Η κάθε μία ζώνη συχνοτήτων θα χρησιμοποιηθεί από διαφορετική περιοχή του δικτύου μας και επομένως πρέπει να σχεδιάζεται προσεκτικά και να λαμβάνει υπόψην την συνδρομητική κίνηση της περιοχής. Οι συχνότητες οι οποίες περιέχονται σε κάθε ζώνη έχουν επιλεχθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να εξασφαλίζονται τα κριτήρια για την ελαχιστοποίηση και την προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή, την παρεμβολή γειτονικού καναλιού και την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Η ανάθεση των ζωνών συχνοτήτων στις περιοχές του δικτύου είναι η εξής: 1 η ζώνη με 36 συχνότητες στην αστική περιοχή 2 η ζώνη με 20 συχνότητες στην ημιαστική περιοχή 3 η ζώνη με 4 συχνότητες στην ορεινή περιοχή 177

178 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σύμφωνα με το σενάριο της ανάθεσης των συχνοτήτων παρατηρούμε ότι επειδή οι ζώνες συχνοτήτων είναι λιγότερες από τις περιοχές του δικτύου μας κάποιες συχνότητες θα επαναχρησιμοποιηθούν. Οι συχνότητες οι οποίες θα επαναχρησιμοποιηθούν θα διατεθούν στην ορεινή περιοχή και την περιοχή του Παναχαϊκού όρους και θα ανήκουν στην ζώνη συχνοτήτων της αστικής περιοχής. Η επιλογή αυτή θα τεκμηριωθεί από την ανάλυση και το σχεδιασμό που ακολουθεί με βάση την τεχνική FCA _36/20/ Γεωγραφική περιοχή κυτταρικού σχεδιασμού. Η γεωγραφική περιοχή του κυτταρικού σχεδιασμού δεν διαφοροποιείται από την περιοχή των Πατρών. Παραμένει η ίδια ακριβώς με αυτή που δείχνεται στην εικόνα 3.1.Ίδιες παραμένουν και οι υποθέσεις που θεωρήσαμε ως προς την πληθυσμιακή κατανομή καθώς και η διαίρεση στις τέσσερις υποπεριοχές του δικτύου, την αστική, την ημιαστική, την ορεινή και την περιοχή του Παναχαϊκού όρους όπως αυτές παρουσιάζονται στον πίνακα Αστική περιοχή Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα. Για την αστική περιοχή εξακολουθούν να ισχύουν οι υποθέσεις που κάναμε για το προφίλ των συνδρομητών (ρυθμός άφιξης των κλήσεων λ και χρονική διάρκεια), το ποσοστό των κατοίκων που πραγματοποιούν κλήσεις την ώρα αιχμής καθώς και την παραγόμενη τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Επομένως το φορτίο κίνησης που παράγει ένας συνδρομητής καθώς και η συνολική κίνηση που διαχειρίζεται η περιοχή είναι: Ac=λ*h=(1.2*84)/3600=0.028 erl. Atotal=N*Ac=105146*0.028= erl Αυτό που αποτελεί την ουσιαστική διαφορά είναι ο αριθμός των διαθέσιμων συχνοτήτων για την εξυπηρέτηση των επικοινωνιακών αναγκών της περιοχής. Σύμφωνα με το τρέχον σενάριο στην αστική περιοχή καταχωρείται η 1 η ζώνη συχνοτήτων και διατίθενται για χρήση μόνο 36 συχνότητες. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία GSM καταχωρούμε τις 36 συχνότητες στα 12 κύτταρα του κυτταρικού συγκροτήματος με το κάθε κύτταρο να διαθέτει 36/12=3 συχνότητες. Με την τεχνική πρόσβασης FDMA/TDMA και αφού το TDMA πλαίσιο της τεχνολογίας GSM διαθέτει 8 χρονοθυρίδες (timeslots) το κάθε κύτταρο θα διαθέτει τελικώς 3*8=24 κανάλια για την επικοινωνιακή κάλυψη των συνδρομητών του. Για βαθμό εξυπηρέτησης GoS=2% και εφόσον γνωρίζουμε τον αριθμό καναλιών του κάθε κυττάρου μπορούμε να υπολογίσουμε το φορτίο κίνησής του. Ανατρέχοντας στον πίνακα Erlang B για GoS=2% και αριθμό καναλιών=24 βρίσκουμε οτι το 178

179 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 φορτίο κίνησης του κυττάρου είναι erl. Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνεται η διαδικασία υπολογισμού του φορτίου κίνησης της κυψέλης της αστική περιοχή. Πίνακας 4.1 Προσδιορισμός της συνδρομητικής κίνησης του κυττάρου της αστικής περιοχής με χρήση πίνακα Erlang B. Εφόσον γνωρίζουμε πλέον την κίνηση του κυττάρου και την κίνηση που παράγει ένας συνδρομητής της αστικής περιοχής διαιρώντας τα δύο αυτά μεγέθη υπολογίζουμε την χωρητικότητα σε συνδρομητές του κυττάρου η οποία είναι: Συνδρομητές κυψέλης= 16.63erl / 0.028erl = 593 Εφόσον γνωρίζουμε οτι συνδρομητές κατανέμονται ομοιόμορφα σε 15 km 2 οι 593 συνδρομητές κατανέμονται σε km 2 που είναι το εμβαδόν της κυψέλης. Στη συνέχεια από τον τύπο του εμβαδού του κανονικού εξαγώνου Ε=2.598*R 2 αντικαθιστώντας όπου Ε= km 2 προσδιορίζουμε οτι η ακτίνα του κυττάρου είναι R=0.180 km. 179

180 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Με γνωστό πλέον το εμβαδόν του κάθε κυττάρου και δεδομένη την έκταση της αστικής περιοχής υπολογίζουμε τον αριθμό των κυττάρων που απαιτούνται για την επαρκή κάλυψή της: Αριθμός κυττάρων αστικής περιοχής=εαστικής περιοχής/εκυττάρου=15 km 2 / km Την ίδια διαδικασία εφαρμόζουμε και για GoS=3% και GoS=5% για την εύρεση της χωρητικότητας, της έκτασης και της ακτίνας του κάθε κυττάρου καθώς και το συνολικό αριθμό των κυττάρων για επαρκή κάλυψη της αστικής περιοχής. Όλα τα αποτελέσματα από το στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα για GoS=2%,3% και 5% παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Αστική περιοχή Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Τιμές Παραμέτρων (GoS=2%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=3%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=5%) κλήσεις/ώρα 1.2 κλήσεις/ώρα 1.2 κλήσεις/ώρα 84 sec 84 sec 84 sec erl erl erl erl erl erl Αριθμός καναλιών 24 / 3 24 / 3 24 / 3 κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης erl 17.6 erl 19erl κυψέλης Εμβαδόν km km km 2 κυψέλης Ακτίνα κυψέλης 0.180km 0.186km 0.194km Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα 7009/ km / km / km 2 συνδρομητών Πυκνότητα erl/ km erl/ km erl/ km 2 180

181 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 φορτίου κίνησης Αριθμός κυψελών 180 (15*12=180) 168 (14*12=168) 156 (13*12=156) Αριθμός cluster Απόδοση 69.29% 73.33% 79.17% καναλιού Ισχύς εκπομπής 37.41dBm 38.95dBm 40.01dBm Πίνακας 4.2 Διαστασιολόγηση του δικτύου της αστικής περιοχής Για τον κυτταρικό σχεδιασμό της αστικής περιοχής επιλέγουμε βαθμό εξυπηρέτησης 2% στο πλαίσιο της εξυπηρέτησης της υψηλής συνδρομητικής κίνησης και των αυξημένων αναγκών ως προς τη χωρητικότητα Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Τα δεδομένα που υπολογίσαμε στην ενότητα προκύπτουν από τη διαστασιολόγηση του δικτύου για την αστική περιοχή με βάση τη χωρητικότητα και την εκτίμηση της συνδρομητικής κίνησης. Στο στάδιο της διαστασιολόγησης ως προς την κάλυψη θα πρέπει να πραγματοποιήσουμε τον ισολογισμό ισχύος και να αξιολογήσουμε αν τα δεδομένα αυτά είναι επαρκή και λογικά για την κάλυψη της αστικής περιοχής. Για να υπολογίσουμε τις απώλειες που θα υφίσταται το εκπεμπόμενο σήμα κατά τη διάδοσή του στη γεωγραφική περιοχή κάλυψης του κυττάρου θα χρησιμοποιήσουμε τα μοντέλα ελευθέρου χώρου (Free Space Loss-FSL) και Cost231-Walfish- Ikegami τα οποία περιγράφησαν αναλυτικά στο κεφάλαιο 3. Η στάθμη ευαισθησίας της φορητής συσκευής είναι SSM=-102 dbm ενώ θα πρέπει και πάλι να λάβουμε υπόψην τα περιθώρια λόγω διαλείψεων, λόγω παρεμβολής και λόγω απορρόφησης ισχύος από τους ανθρώπινους ιστούς. Για την σχεδίαση της αστικής περιοχής τα περιθώρια αυτά λαμβάνουν τις εξής τιμές: Rmarg = 3 db Imarg = 2 db Bmarg = 1dB Εάν συμπεριλάβουμε τα εν λόγω περιθώρια η ισχύς του λαμβανομένου σήματος στα όρια του κυττάρου θα είναι: Pr=SSM+ Rmarg+Imarg+Bmarg= =-96 dbm Έχοντας ως δεδομένα εισόδου την ακτίνα του κυττάρου, τις απώλειες διάδοσης και την ισχύ του λαμβανομένου σήματος στα όρια της κυψέλης πραγματοποιώντας το ισοζύγιο ισχύος (link budget) θα υπολογίσουμε την ισχύ που απαιτείται να εκπέμπει ο σταθμός βάσης για την πλήρη κάλυψη. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο κώδικας σε 181

182 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Matlab υπολογισμού της εκπεμπόμενης ισχύος στον οποίο αναγράφονται οι τιμές των αναφερθέντων παραμέτρων και επεξηγείται η χρήση της κάθε παραμέτρου. /**********************************************************************************************/ Gt=10; %dbi Κέρδος κεραίας εκπομπής του σταθμού βάσης Gr=1; %dbi Κέρδος κεραίας της φορητής συσκευής SSM=-102; %dbm Κατώφλι ευαισθησίας του κινητού Cable_losses=3.6; %db Απώλειες ομοαξονικού καλωδίου τύπου Aircom plus Hbts=30; %Ύψος BTS σε μέτρα (m) Hms =1.65; %Ύψος του κινητού σε μέτρα (m) (του ανθρώπου που φέρει τη φορητή συσκευή ) Rmarg=3; %dbm Περιθώριο Rayleigh διαλείψεων IFmarg=2; %dbm Περιθώριο παρεμβολών Bmarg=1; %dbm Περιθώριο απωλειών απορρόφησης ανθρώπινων ιστών d=0.180; %km Ακτίνα κυψέλης f=900; %MHz Pr=SSM+Rmarg+IFmarg+Bmarg %dbm Στάθμη λήψης πρασαυξημένη με περιθώρια απωλειών L_fsl= *log10(d)+20*log10(f) %db Απώλειες ελευθέρου χώρου d(km) και f(mhz) L_wi=143+38*log10(d)-18*log(Hbts-17) %db Απώλειες του μοντέλου Cost231-Walfish-Ikegami Pt=Pr-Gt-Gr+L_fsl+L_wi %dbm Ισχύς εκπομπής του BTS Ptotal=Pt+Cable_losses %dbm Αρχική ισχύς του BTS(συμπεριλαμβανομένων των απωλειών του ομοαξονικού) /**********************************************************************************************/ Εκτελώντας τον παραπάνω κώδικα λαμβάνουμε τα εξής αποτελέσματα: Pr=-96 dbm (Λαμβανόμενη ισχύς στα όρια του κυττάρου) L_fsl= db (Απώλειες από το μοντέλο ελευθέρου χώρου) L_wi= db (Απώλειες από το μοντέλο Walfish-Ikegami) Pt= dbm (Ισχύς εκπομπής συμπεριλαμβανομένων των απωλειών καλωδίων) Ptotal= dbm (Αρχική ισχύς εκπομπής χωρίς απώλειες καλωδίων) Από τα αποτελέσματα παρατηρούμε οτι η ισχύς εκπομπής Pt= dbm ή 6.5Watt του σταθμού βάσης είναι λογική και η τιμή της εμπίπτει εντός των επιτρεπτών ορίων εκπομπής. Αυτό συνεπάγεται οτι η ακτίνα και κατ επέκταση η έκταση του κυττάρου που υπολογίστηκαν με βάση τη χωρητικότητα είναι συνεπείς με τη διαστασιολόγηση ως προς την κάλυψη. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνονται οι γραφικές παραστάσεις της λαμβανόμενης ισχύος Pr και οι απώλειες σε συνάρτηση με την απόσταση από το σταθμό βάσης μέχρι τα όρια του κυττάρου. 182

183 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.1 Λαμβανόμενη ισχύς Pr και απώλειες συναρτήσει της απόστασης μέχρι τα όρια του κυττάρου. Η αστική περιοχή όπως προκύπτει από τη διαστασιολόγηση χαρακτηρίζεται από μικροκυτταρική αρχιτεκτονική και πυκνό δίκτυο κάλυψης. Για να επιτύχουμε την κάλυψη της με μικρά κύτταρα ακτίνας R=0.180km ρυθμίζουμε την κλίση της κεραίας εκπομπής προς τα κάτω. Με τον τρόπο αυτό μειώνεται η έκταση του κυττάρου, παρέχουμε πυκνή κάλυψη στους συνδρομητές, ενισχύουμε την ισχύ του σήματος ακόμα και σε περιοχές με χαμηλή στάθμη σήματος και επιτυγχάνουμε προστασία και ελαχιστοποίηση των παρεμβολών Σχεδιασμός κυττάρων Από το βήμα της διαστασιολόγησης του δικτύου υπολογίσαμε οτι το κάθε κύτταρο για GoS=2% έχει ακτίνα R=0.180 km και εμβαδόν Ecell= km 2 ενώ για την πλήρη κάλυψη της αστικής περιοχής απαιτούνται 180 κύτταρα. Επομένως μόλις δομήσουμε το κυτταρικό συγκρότημα των 12 κυττάρων θα πρέπει να το επαναλάβουμε 15 φορές αφού 15*12=180. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κυτταρική κάλυψη της αστικής περιοχής από τα 180 κύτταρα. Η σχεδίαση των κυττάρων πάνω στο χάρτη έχει υλοποιηθεί σε πραγματική κλίμακα. 183

184 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.2 Κυτταρική κάλυψη αστικής περιοχής Σχεδιασμός συχνοτήτων Από το στάδιο της διαστασιολόγηση γνωρίζουμε ότι η αστική περιοχή διαθέτει το μεγαλύτερο ποσοστό συνδρομητών και χαρακτηρίζεται από μεγάλο φορτίο κίνησης. Σύμφωνα με την τεχνική FCA_36/20/4 στην αστική περιοχή παραχωρείται για αποκλειστική χρήση η 1 η ζώνη συχνοτήτων η οποία αποτελείται από 36 συχνότητες. Η διαχείριση του περιορισμένου αυτού αριθμού συχνοτήτων είναι πολύ βασική εφόσον η χωρητικότητα της περιοχής είναι υψηλή και θα πρέπει κατά την επαναχρησιμοποίηση των πόρων να περιορίσουμε τις παρεμβολές εντός των αποδεκτών ορίων. Λαμβάνοντας υπόψην μας τη θεώρηση της ομοιόμορφης κατανομής της συνδρομητικής κίνησης καθώς και το μέγεθος του κυτταρικού συγκροτήματος που είναι Ν=12 οι 36 συχνότητες καταχωρούνται στα 12 κύτταρα του cluster. Έτσι με την τεχνική FCA_36/20/6 προκύπτει οτι κάθε ένα από τα 12 κύτταρα του cluster θα περιέχει 3 συχνότητες για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητάς του. Τα 12 κύτταρα του υπερκυττάρου ονομάζονται ως εξής: A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3. Ο πίνακας που ακολουθεί δείχνει την κατανομή των 36 συχνοτήτων της 1 ης ζώνης στις 12 κυψέλες του cluster για την άνω και κάτω ζεύξη, τις οποίες μετά θα επαναχρησιμοποιήσουμε με συγκεκριμένο μοτίβο προκειμένου να καλυφθεί όλη η 184

185 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 αστική περιοχή. Επειδή χρησιμοποιούμε την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης FDMA/TDMA και την τεχνολογία GSM κάθε μία από αυτές τις συχνότητες διαχωρίζεται σε 8 χρονοθυρίδες-κανάλια εξυπηρέτησης Έτσι σε κάθε κύτταρο έχουμε 3συχνότητες*8χρονοθυρίδες=24 κανάλια. Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Πίνακας 4.3 Κατανομή των συχνοτήτων της 1 ης ζώνης για την άνω και κάτω ζεύξη (uplink - downlink) της αστικής περιοχής στα κύτταρα του cluster σύμφωνα με την ΑRFCN αρίθμηση. Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Πίνακας 4.4 Συχνότητες του cluster σε MHz για την κάτω ζεύξη (downlink) της αστικής περιοχής. Α1 Β1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Πίνακας 4.5 Συχνότητες του cluster σε MHz για την άνω ζεύξη (uplink) της αστικής περιοχής. Αφού έχουμε ορίσει τις 12 διαφορετικές ομάδες συχνοτήτων και έχουμε δομήσει το cluster στη συνέχεια θα το επαναχρησιμοποιήσουμε 15 φορές για να δημιουργήσουμε 180 κύτταρα και να εξυπηρετήσουμε τους συνδρομητές της αστικής περιοχής. Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων και ο τρόπος τοποθέτησης των κυτταρικών συγκροτημάτων για την αστική περιοχή φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Θα παρατηρήσουμε οτι κάθε κυψέλη χαρακτηρίζεται από έναν ακέραιο θετικό αριθμό από το 1 έως και το 180 που αποτελεί τον κωδικό του κυττάρου. 185

186 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.3 Σχεδιασμός συχνοτήτων της αστικής περιοχής της Πάτρας. Η ανάθεση της 1 ης ζώνης με τις 36 συχνοτήτων στην αστική περιοχή βασίστηκε στις ανάγκες της συγκεκριμένης περιοχής ως προς τη χωρητικότητα. Οι συχνότητες οι οποίες ανήκουν στην ζώνη αυτή επιλέχθηκαν με γνώμονα την προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης και την ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής και της παρεμβολής γειτονικού καναλιού Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Παρατηρώντας τον πίνακα 4.3 με την κατανομή των συχνοτήτων στα κύτταρα του κυτταρικού συγκροτήματος θα διαπιστώσουμε ότι δεν υπάρχουν συχνότητες οι οποίες να υφίστανται προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης. Επομένως ο κατάλογος των 36 συχνοτήτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς καμία τροποποίηση ενώ έχει διασφαλιστεί η αντιμετώπιση της παρεμβολής ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή. Η ελάχιστη απόσταση μεταξύ κυττάρων που χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες για την αστική περιοχή είναι: D=6*R=6*180=1080m (εφόσον το μέγεθος του cluster είναι Ν=12). 186

187 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Επειδή η 1 η ζώνη των συχνοτήτων χρησιμοποιείται από την αστική περιοχή η ομοκαναλική παρεμβολή που δέχεται κάθε κύτταρο της προέρχεται μόνο από τα ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε την απόσταση D=1080m. Εξαίρεση αποτελούν τα κύτταρα Α3, C2, A1 και D1 τα οποία δέχονται παρεμβολή εκτός από τα ομοκαναλικά κύτταρα της αστικής περιοχής και από τα αντίστοιχα κύτταρα που έχουν τις ίδιες συχνότητες και βρίσκονται στην ορεινή περιοχή και στην περιοχή του Παναχαϊκού όρος (λόγω του γεγονότος οτι ο αριθμός των ζωνών είναι μικρότερος από τις περιοχές του δικτύου). Στη συνέχεια υπολογίζουμε το λόγο C/I για κάθε ένα από τα 180 κύτταρα της αστικής περιοχής χρησιμοποιώντας τον τύπο 2.8: Τα δεδομένα που χρησιμοποιούμε στον τύπο αυτό είναι τα παρακάτω: Po=6.5 Watt (ισχύς εκπομπής του σταθμού βάσης της αστικής περιοχής) Pκ: ισχύς εκπομπής των σταθμών βάσης όλων των ομοκαναλικών κυττάρων ) do=r=180 m (απόσταση της φορητής συσκευής από την κεραία του κυττάρου εξυπηρέτησης) dκ= απόσταση σε μέτρα των ομοκαναλικών κυττάρων για κάθε υποπεριοχή από το κύτταρο αναφοράς που εξετάζουμε (μετρήθηκε με βάση το πρόγραμμα Google Earth και αφού είχε ολοκληρωθεί ο συνολικός σχεδιασμός συχνοτήτων για την περιοχή των Πατρών) n=4 (παράγοντας εξασθένησης της ισχύος εκπομπής) Με βάση των παραπάνω τύπο και τις αποστάσεις που μετρήσαμε από το πρόγραμμα Google Earth υπολογίζουμε τον λόγο C/I για κάθε κύτταρο της αστικής περιοχής. Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB)

188 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/ Πίνακας 4.6 Τιμές του λόγου C/I για την αστική περιοχή 188

189 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η γραφική παράσταση των τιμών του C/I για την αστική περιοχή. Σχήμα 4.4 Γραφική παράσταση των τιμών του λόγου C/I για την αστική περιοχή. Παρατηρώντας τους λόγους C/I που υπολογίσαμε για την αστική περιοχή με βάση την συγκεκριμένη διάταξη των κυψελών αλλά και την ομοκαναλική παρεμβολή που δέχεται από τις υπόλοιπες περιοχές βλέπουμε ότι είναι μεγαλύτεροι από τα 12dB και επομένως ο συγκεκριμένος σχεδιασμός και η καταχώρηση των συχνοτήτων πληρούν το κριτήριο της απόστασης επαναχρησιμοποίησης και διασφαλίζουν την ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Από το σχήμα 4.4 της αστικής περιοχής με το σχεδιασμό των συχνοτήτων και τον πίνακα 4.3 κατανομής τους παρατηρούμε ότι χάρη στην οριζόντια σάρωση μέσα σε κάθε κύτταρο έχουμε αναθέσει συχνότητες οι οποίες απέχουν η μία από την άλλη φασματική απόσταση μεγαλύτερη από 2.4MHz (ελάχιστη απόσταση). Επιπλέον θα παρατηρήσουμε ότι τα άμεσα γειτονικά κύτταρα της κυψέλης που λαμβάνουμε ως αναφορά έχουν συχνότητες οι οποίες απέχουν από τις συχνότητες του κεντρικού κυττάρου κατά φασματικό εύρος μεγαλύτερο από 800KHz στην χειρότερη περίπτωση, απόσταση τέσσερις φορές μεγαλύτερη από τα 200KHz τα οποία αποτελούν το εύρος κάθε συχνότητας. Ως παράδειγμα αναφερόμαστε στην κυψέλη Α1. Η κυψέλη Α1 διαθέτει προς χρήση τις συχνότητες: f1,f19,f55 189

190 Κεφάλαιο 4 ο Παρατηρούμε ότι: η f1 διαφέρει από τη f19 κατά 3.6 MHz η f19 διαφέρει από την f55 κατά 7.2 MHz η f55 διαφέρει από την f1 κατά 10.8 MHz Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Θεωρώντας τώρα το κύτταρο Α1 ως κεντρικό βλέπουμε ότι συνορεύει με τα κύτταρα D1,D2,C3,A2,A3,B2. Εξετάζοντας την φασματική απόσταση κατά την οποία διαφέρουν οι συχνότητες των γειτονικών κυττάρων από το κύτταρο Α1 θα διαπιστώσουμε ότι η απόσταση αυτή έχει ένα φασματικό εύρος μεγαλύτερο από τα 800KHz το οποίο είναι 4φορές μεγαλύτερο από το φασματικό εύρος της κάθε συχνότητας του δικτύου τα 200ΚΗz. Mε βάση την παραπάνω ανάλυση και τον έλεγχο που πραγματοποιήθηκε διαπιστώνουμε ότι η τοπολογία των κυψελών με τον συγκεκριμένο σχεδιασμό και την ανάθεση των συχνοτήτων για την αστική περιοχή είναι συνεπής με τα κριτήρια τα οποία ελαχιστοποιούν την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης, την ομοκαναλική παρεμβολή και την παρεμβολή γειτονικού καναλιού Ημιαστική περιοχή Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα. Για την ημιαστική περιοχή ισχύουν οι υποθέσεις που κάναμε για το προφίλ των συνδρομητών (ρυθμός άφιξης των κλήσεων λ και χρονική διάρκεια h), το ποσοστό των κατοίκων που πραγματοποιούν κλήσεις την ώρα αιχμής καθώς και την παραγόμενη τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Επομένως το φορτίο κίνησης που παράγει ένας συνδρομητής καθώς και η συνολική κίνηση που διαχειρίζεται η περιοχή είναι: Ac=λ*h=(1*60)/3600=0.017 erl. Atotal=N*Ac=35406*0.017=601.9 erl Σύμφωνα με το σενάριο FCA_36/20/4 στην συγκεκριμένη περιοχή ανατίθεται η 2 η ζώνη συχνοτήτων η οποία περιλαμβάνει 20 από τις 60 συνολικά διαθέσιμες συχνότητες. Στην περίπτωση της ημιαστικής περιοχής θα ακολουθηθεί μία διαφορετική προσέγγιση στο σχεδιασμό από αυτήν που είχαμε αναλύσει στην ενότητα Οι 20 συχνότητες που διαθέτουμε για χρήση δεν θα κατανεμηθούν σε 12 κύτταρα αλλά σε 4 κύτταρα. Αυτό πρακτικά σημαίνει οτι αποφασίζουμε να μικρύνουμε το μέγεθος του κυτταρικού συγκροτήματος από Ν=12 σε Ν=4. Η μείωση του μεγέθους Ν του cluster έχει ως αποτέλεσμα την πυκνότερη επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων και την εξυπηρέτηση της αυξημένης χωρητικότητας. Έτσι για cluster size=4 το κάθε κύτταρο του κυτταρικού συγκροτήματος θα διαθέτει 5 συχνότητες έναντι μίας συχνότητας που θα είχε εάν διατηρούσαμε το Ν=12. Η επιλογή αυτή επομένως βασίζεται στην προσπάθεια μας 190

191 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 για αποδοτική διαχείριση των περιορισμένων πόρων και υποκινείται από το γεγονός οτι η ημιαστική περιοχή συγκεντρώνει το δεύτερο μεγαλύτερο ποσοστό πληθυσμού μετά την αστική και χαρακτηρίζεται από μεγάλη συνδρομητική κίνηση. Με την τεχνική πρόσβασης FDMA/TDMA και αφού το TDMA πλαίσιο της τεχνολογίας GSM διαθέτει 8 χρονοθυρίδες (timeslots) το κάθε κύτταρο θα διαθέτει τελικώς 5*8=40 κανάλια για την επικοινωνιακή κάλυψη των συνδρομητών του. Με δεδομένο των αριθμό των καναλιών του κυττάρου και για βαθμό εξυπηρέτησης GoS=2% με βάσει τον πίνακα Erlang B υπολογίζουμε οτι το φορτίο του κυττάρου είναι 31 erl. Διαιρώντας το φορτίο κίνησης της κυψέλης με την κίνηση που παράγει ένας συνδρομητής υπολογίζουμε τη χωρητικότητα της η οποία είναι η εξής: Συνδρομητές κυψέλης= 31erl / 0.017erl = 1823 Εφόσον συνδρομητές κατανέμονται ομοιόμορφα σε km 2 οι 1823 συνδρομητές κατανέμονται σε km 2 που είναι το εμβαδόν της κυψέλης. Στη συνέχεια από τον τύπο του εμβαδού του κανονικού εξαγώνου Ε=2.598*R 2 αντικαθιστώντας όπου Ε= προσδιορίζουμε οτι η ακτίνα του κυττάρου είναι R= km. Με γνωστό πλέον το εμβαδόν του κυττάρου και δεδομένης της έκτασης της ημιαστικής περιοχής υπολογίζουμε τον αριθμό των κυττάρων που απαιτούνται για την επαρκή κάλυψή της: Αριθμός κυττάρων ημιαστικής περιοχής=εημιαστικής_περιοχής/εκυττάρου= km 2 / km 2 = 20 (θέλουμε ακέραιο αριθμό κυττάρων γι αυτό στρογγυλοποιούμε στα 20 κύτταρα) Την ίδια διαδικασία εφαρμόζουμε και για GoS=3% και GoS=5% για την εύρεση της χωρητικότητας, της έκτασης και της ακτίνας του κάθε κυττάρου καθώς και το συνολικό αριθμό των κυττάρων για επαρκή κάλυψη της αστικής περιοχής. Όλα τα αποτελέσματα από το στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα για GoS=2%,3% και 5% παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Ημιαστική περιοχή Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) Τιμές Παραμέτρων (GoS=2%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=3%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=5%) κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 191

192 Κεφάλαιο 4 ο Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 60 sec 60 sec 60 sec erl erl erl erl erl erl Αριθμός καναλιών κυψέλης/αριθμός 40 / 5 40 / 5 40 / 5 συχνοτήτων Φορτίο κίνησης 31 erl 32.4 erl 34.6 erl κυψέλης Εμβαδόν κυψέλης km km km 2 Ακτίνα κυψέλης km km km Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα 1138/ km / km / km 2 συνδρομητών Πυκνότητα φορτίου erl/ km erl/ km erl/ km 2 κίνησης Αριθμός κυψελών 20 (5*4=24) 19 (5*4=20) 18 (5*4=20) Αριθμός cluster Απόδοση 77.5% 81% 86.5% καναλιού Ισχύς εκπομπής 45.87dBm 46.41dBm 47.20dBm Πίνακας 4.7 Διαστασιολόγηση του δικτύου της ημιαστικής περιοχής. Για την ολοκλήρωση της διαδικασίας της κυτταρικής σχεδίασης της ημιαστικής περιοχής επιλέγουμε βαθμό εξυπηρέτησης για το δίκτυο 2% Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη Για να υπολογίσουμε τις απώλειες που θα υφίσταται το εκπεμπόμενο σήμα κατά τη διάδοσή του στη γεωγραφική περιοχή κάλυψης του κυττάρου της ημιαστική περιοχής θα χρησιμοποιήσουμε τα μοντέλα ελευθέρου χώρου (Free Space Loss-FSL) και Okumura-Hata για την περίπτωση ημιαστικής περιοχής τα οποία περιγράφησαν αναλυτικά στην αντίστοιχη ενότητα του κεφαλαίου 3. Η στάθμη ευαισθησίας της φορητής συσκευής είναι SSM=-102 dbm. Τα περιθώρια που θα λάβουμε υπόψην μας για την καλύτερη ακρίβεια της σχεδίασης είναι: 192

193 Κεφάλαιο 4 ο Rmarg = 3 db Imarg = 2 db Bmarg = 1dB Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 H ισχύς του λαμβανομένου σήματος στα όρια του κυττάρου συνυπολογίζοντας και τα παραπάνω περιθώρια θα είναι: Pr=SSM+ Rmarg+Imarg+Bmarg= =-96 dbm Έχοντας ως δεδομένα εισόδου την ακτίνα του κυττάρου, τις απώλειες διάδοσης και την ισχύ του λαμβανομένου σήματος στα όρια της κυψέλης πραγματοποιώντας το ισοζύγιο ισχύος (link budget) θα υπολογίσουμε την ισχύ που απαιτείται να εκπέμπει ο σταθμός βάσης για την πλήρη κάλυψη. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο κώδικας σε Matlab υπολογισμού της εκπεμπόμενης ισχύος στον οποίο αναγράφονται οι τιμές των αναφερθέντων παραμέτρων και επεξηγείται η χρήση της κάθε παραμέτρου. /**********************************************************************************************/ Gt=59; %dbi Κέρδος της κεραίας του σταθμού βάσης Gr=1; %dbi Κέρδος της κεραίας της φορητής συσκευής Hbts=30; %Ύψος BTS σε μέτρα (m) Hms =1.65; %Ύψος του κινητού σε μέτρα (m) (του ανθρώπου που φέρει τη φορητή συσκευή ) Cable_losses=3.6; %db Απώλειες ομοαξονικού καλωδίου τύπου Aircom Plus f=900; %MHz Συχνότητα λειτουργίας του GSM d= %km Ακτίνα του κυττάρου της ημιαστικής περιοχής Pr=-96 %dbm Ισχύς λαμβανομένου σήματος στα όρια του κυττάρου L_fsl= *log10(d)+20*log10(f) %db Απώλειες ελευθέρου χώρου d(km) και f(mhz) a=3.2*(log10(11.75*1.65))^ % παράγοντας διόρθωσης για το ύψος της κεραίας της φορητής συσκευής LOH= *log10(f)-13.82*log10(Hbts)-a+( *log10(Hbts))*log10(d) %db Απώλειες του μοντέλου Okumura-Hata για αστική περιοχή Lsub=LOH-2*(log10(f/28))^2-5.4 %db Απώλειες του μοντέλου Okumura-Hata για ημιαστική περιοχή Losses=L_fsl+Lsub Pt=Pr-Gt-Gr+L_fsl+Lsub %dbm Ισχύς εκπομπής Ptotal=Pt+Cable_losses %dbm Ισχύς εκπομπής προσαυξημένη κατά τις απώλειες του καλωδίου /**********************************************************************************************/ Από τον παραπάνω κώδικα λαμβάνουμε τα εξής αποτελέσματα: Pr=-96 dbm (Λαμβανόμενη ισχύς στα όρια του κυττάρου) L_fsl= dB (Απώλειες από το μοντέλο ελευθέρου χώρου) Lsub= dB (Απώλειες από το μοντέλο Walfish-Ikegami) Pt= dbm (Ισχύς εκπομπής συμπεριλαμβανομένων των απωλειών καλωδίων) Ptotal= dbm (Αρχική ισχύς εκπομπής χωρίς απώλειες καλωδίων) 193

194 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Από τα αποτελέσματα παρατηρούμε οτι η ισχύς εκπομπής Pt= dbm ή 39Watt του σταθμού βάσης είναι λογική και η τιμή της εμπίπτει εντός των επιτρεπτών ορίων εκπομπής. Αυτό συνεπάγεται οτι η ακτίνα και κατ επέκταση η έκταση του κυττάρου που υπολογίστηκαν με βάση τη χωρητικότητα είναι συνεπείς με τη διαστασιολόγηση ως προς την κάλυψη. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνονται οι γραφικές παραστάσεις της λαμβανόμενης ισχύος Pr και οι απώλειες σε συνάρτηση με την απόσταση από το σταθμό βάσης μέχρι τα όρια του κυττάρου. Σχήμα 4.5 Λαμβανόμενη ισχύς Pr και απώλειες συναρτήσει της απόστασης μέχρι τα όρια του κυττάρου για την ημιαστική περιοχή Σχεδιασμός κυττάρων Από το βήμα της διαστασιολόγησης του δικτύου υπολογίστηκε οτι το κάθε κύτταρο για GoS=2% έχει ακτίνα R= km, εμβαδόν Ecell= km 2 και για την πλήρη κάλυψη της ημιαστικής περιοχής απαιτούνται 20 κύτταρα. Επομένως θα πρέπει να επαναλάβουμε το κυτταρικό συγκρότημα των 4 κυττάρων 5 φορές αφού 4*5=20. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κυτταρική κάλυψη της ημιαστικής περιοχής με 20 κύτταρα. Η σχεδίαση των κυττάρων πάνω στο χάρτη έχει υλοποιηθεί σε πραγματική κλίμακα. 194

195 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.6 Πλάνο κυττάρων για την ημιαστική περιοχή Σχεδιασμός συχνοτήτων Σύμφωνα με την τεχνική FCA_36/20/4 στην ημιαστική περιοχή εκχωρείται η 2 η ζώνη η οποία περιλαμβάνει 20 συχνότητες. Επειδή το μέγεθος του cluster είναι Ν=4 οι 20 συχνότητες καταχωρούνται σε 4 κύτταρα με το κάθε κύτταρο να διαθέτει από 5 συχνότητες. Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνεται η κατανομή των 20 συχνοτήτων στα τέσσερα κύτταρα του κυτταρικού συγκροτήματος. Οι συχνότητες αυτές στη συνέχεια θα επαναχρησιμοποιηθούν για την εξυπηρέτηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης της αστικής περιοχής. Κάθε μία από τις παρακάτω συχνότητες διαιρείται σε 8 χρονοθυρίδες-κανάλια. Α Β C D Πίνακας 4.8 Κατανομή των συχνοτήτων για την άνω και κάτω ζεύξη (uplink - downlink) της ημιαστικής περιοχής στα κύτταρα του cluster σύμφωνα με την ΑRFCN αρίθμηση. 195

196 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Α Β C D Πίνακας 4.9 Συχνότητες του cluster σε MHz για την κάτω ζεύξη (downlink) της ημιαστικής περιοχής. Α Β C D Πίνακας 4.10 Συχνότητες του cluster σε MHz για την άνω ζεύξη (uplink) της ημιαστικής περιοχής. Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων και ο τρόπος τοποθέτησης των κυτταρικών συγκροτημάτων για την ημιαστική περιοχή φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Κάθε κυψέλη χαρακτηρίζεται από έναν ακέραιο θετικό αριθμό από το 1 έως και το 20 που αποτελεί τον κωδικό του κυττάρου. Σχήμα 4.7 Σχεδιασμός συχνοτήτων της ημιαστικής περιοχής της Πάτρας. 196

197 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/ Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Παρατηρώντας τον πίνακα 4.8 με την κατανομή των συχνοτήτων στα κύτταρα του κυτταρικού συγκροτήματος θα διαπιστώσουμε ότι είναι απαλλαγμένος από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης. Επομένως ο κατάλογος των 20 συχνοτήτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς καμία τροποποίηση ενώ έχει διασφαλιστεί η προστασία από την παρεμβολής ενδοδιαμόρφωσης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή. Αφού το μέγεθος του κυτταρικού συγκροτήματος είναι Ν=4 η απόσταση επαναχρησιμοποίησης με βάση τον τύπο 2.4 είναι D=3.464*R και όχι D=6*R που ισχύει για Ν=12. Επομένως η ελάχιστη απόσταση μεταξύ δύο ομοκαναλικών κυττάρων για την ημιαστική περιοχή είναι D=3.464*R=3.464*785.1=2720m. Επειδή μόνο η ημιαστική περιοχή χρησιμοποιεί την 2 η ζώνη των 20 συγκεκριμένων συχνοτήτων δεν δημιουργεί παρεμβολές στις υπόλοιπες περιοχές του δικτύου της Πάτρας αλλά ούτε και δέχεται παρεμβολές από αυτές. Έτσι η ομοκαναλική παρεμβολή που δέχεται το κάθε κύτταρό της προέρχεται από τα ομοκαναλικά κύτταρα που βρίσκονται σε απόσταση D=2720m. Στον πίνακα που ακολουθεί δείχνονται οι τιμές του λόγου C/I για κάθε κύτταρο της ημιαστικής περιοχής. Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) Αριθμός κυψέλης C/I(dB) 1 (31.13)* Πίνακας 4.11 Τιμές του λόγου C/I για την ημιαστική περιοχή Οι τιμές του παραπάνω πίνακα υπολογίστηκαν με βάση τον τύπο: 197

198 Κεφάλαιο 4 ο ο οποίος αποτελεί απλοποίηση του τύπου 2.8 Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Όπου: n : εκφράζει τον αριθμό των ομοκαναλικών κυττάρων που βρίσκονται γύρω από το κύτταρο αναφοράς που εξετάζουμε. v=4: εκθέτης απωλειών Για n=1 C/I=144 C/I[dB]=10*log10(144)=21.58 Για n=2 C/I=72 C/I[dB =10*log10(72)=18.57 Στο κύτταρο με κωδικό 1 έχει τοποθετηθεί το * επειδή δεν υφίσταται ομοκαναλική παρεμβολή από κανένα κύτταρο το οποίο να βρίσκεται σε απόσταση 2720μέτρων. Σχήμα 4.8 Γραφική παράσταση των τιμών του λόγου C/I για την ημιαστική περιοχή. Για την περίπτωση όπου έχουμε μέγεθος συστάδας (cluster size) ίσο με 4 για να εξασφαλίσουμε καλή ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών θα πρέπει ο λόγος C/I να έχει τιμή μεγαλύτερη από 14.43dB. Παρατηρώντας τις τιμές του λόγου C/I βλέπουμε ότι η ελάχιστη είναι τα 18.57dB και η οποία είναι μεγαλύτερη από το όριο των 14.43dB. 198

199 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Μπορούμε επομένως να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι η συγκεκριμένη τοποθέτηση των κυττάρων πληρεί το κριτήριο της ελάχιστης απόστασης για την ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Από το σχήμα 4.7 της ημιαστικής περιοχής όπου έχουμε τοποθετήσει τις 20 κυψέλες και τον πίνακα 4.8 με την κατανομή των συχνοτήτων παρατηρούμε ότι μέσα σε κάθε κύτταρο έχουμε αναθέσει συχνότητες οι οποίες απέχουν η μία από την άλλη φασματική απόσταση μεγαλύτερη από 1.2MHz (ελάχιστη απόσταση). Επιπλέον θα παρατηρήσουμε ότι τα άμεσα γειτονικά κύτταρα κάποιας κυψέλης έχουν συχνότητες οι οποίες απέχουν από τις συχνότητες του κεντρικού κυττάρου κατά φασματικό εύρος μεγαλύτερο από 600KHz στην χειρότερη περίπτωση, απόσταση μεγαλύτερη από τα 200KHz τα οποία αποτελούν το εύρος κάθε συχνότητας. Η ελαχιστοποίηση της παρεμβολής γειτονικού καναλιού είναι πολύ σημαντική καθώς με μέγεθος συστάδας ίσο με 4 βλέπουμε ότι κάθε κύτταρο έχει ως γειτονικά όλα τα υπόλοιπα κύτταρα που απομένουν, φαινόμενο το οποίο δεν συνέβαινε όταν είχαμε μέγεθος συστάδας ίσο με 12. Ως παράδειγμα αναφερόμαστε στην κυψέλη Α. Η κυψέλη Α διαθέτει προς χρήση τις συχνότητες: f3,f15,f33,f39,f51 Παρατηρούμε ότι: η f3 διαφέρει από τη f15 κατά 2.4 MHz η f15 διαφέρει από την f33 κατά 3.6 MHz η f33 διαφέρει από την f39 κατά 1.2 MHz η f39 διαφέρει από την f51 κατά 2.4 MHz η f51 διαφέρει από την f3 κατά 9.6 MHz Θεωρώντας τώρα το κύτταρο Α ως κεντρικό βλέπουμε ότι συνορεύει με όλα τα υπόλοιπα κύτταρα του cluster δηλαδή τα κύτταρα : Β,C,D. Εξετάζοντας την απόσταση κατά την οποία διαφέρουν οι συχνότητες των γειτονικών κυττάρων από το κύτταρο Α θα διαπιστώσουμε ότι η απόσταση αυτή έχει ένα φασματικό εύρος μεγαλύτερο από τα 600KHz το οποίο είναι τρείς φορές μεγαλύτερο από το φασματικό εύρος της κάθε συχνότητας του δικτύου δηλαδή τα 200ΚΗz. Oι φασματικές αποστάσεις που παρατηρούνται για το κύτταρο Α ισχύουν και για τα υπόλοιπα κύτταρα B,C,D χάρη στον τρόπο με τον οποίο επιλέχθηκαν οι συχνότητες της 2 ης ζώνης από το σύνολο των 60 συχνοτήτων. 199

200 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/ Ορεινή περιοχή Ο κυτταρικός σχεδιασμός της ορεινής περιοχής σύμφωνα με το σενάριο FCA_36/20/4 δεν διαφοροποιείται από την ανάλυση η οποία έγινε στις αντίστοιχες ενότητες του τρίτου κεφαλαίου για την συγκεκριμένη περιοχή. Για το λόγο αυτό δεν θα περιγράψουμε πάλι τα στάδια της διαστασιολόγησης του δικτύου και του σχεδιασμού των κυττάρων παρά θα αναφερθούμε σε αυτά μόνο επιγραμματικά. Το μόνο κομμάτι που διαφέρει είναι αυτό του σχεδιασμού των συχνοτήτων το οποίο θα αναλύσουμε Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη. Οι υποθέσεις που έγιναν στην ενότητα ισχύουν και σε αυτήν την περίπτωση καθώς επίσης και τα μοντέλα για τον υπολογισμό της σκίασης. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνεται η ισχύς του λαμβανομένου σήματος καθώς και οι απώλειες σε συνάρτηση με την απόσταση από τον σταθμό βάσης. Σχήμα 4.9 Ισχύς λήψης και απώλειες συναρτήσει της απόστασης για την ορεινή περιοχή Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα. Όλα τα αποτελέσματα από το στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα (ενότητα ) για GoS=2%,3% και 5% παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. 200

201 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Ορεινή περιοχή Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Τιμές Παραμέτρων (GoS=2%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=3%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=5%) κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 40 sec 40 sec 40 sec erl erl erl erl erl erl Αριθμός καναλιών κυψέλης 18 (24) / 3 18(24) / 3 18 (24) / 3 κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης erl 12.2 erl 13.39erl κυψέλης Εμβαδόν km km km 2 κυψέλης Ακτίνα κυψέλης 3km 3km 3km Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα 42/ km 2 42/ km 2 42/ km 2 συνδρομητών Πυκνότητα 0.46 erl/ km erl/ km erl/ km 2 φορτίου κίνησης Αριθμός κυψελών Απόδοση 60 (45)% 67.8 (50.8)% (55.79)% καναλιού Ισχύς εκπομπής dbm dbm dbm Πίνακας 4.12 Διαστασιολόγηση του δικτύου της ορεινής περιοχής 201

202 Κεφάλαιο 4 ο Σχεδιασμός κυττάρων Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.10 Σχεδιασμός κυττάρων για την ορεινή περιοχή Σχεδιασμός συχνοτήτων Σύμφωνα με το σενάριο εκχώρησης FCA_36/20/4 στην αστική περιοχή διατίθεται προς αποκλειστική χρήση η 3 η ζώνη συχνοτήτων, η οποία περιλαμβάνει τις εναπομείναντες συχνότητες από τις 60, δηλαδή τις f37, f40, f43 και f46. Όμως από την διαδικασία της σχεδίασης έχουμε υπολογίσει ότι σε κάθε ένα από τα τρία κύτταρα της περιοχής θα πρέπει να διαθέτει μία ομάδα από 3 συχνότητες. Αυτό συνεπάγεται οτι για να καλύψουμε το κενό των υπόλοιπων πέντε συχνοτήτων που μας λείπουν θα πρέπει να επαναχρησιμοποιήσουμε πέντε συχνότητες είτε από την 1 η ζώνη, είτε από την 2 η ζώνη είτε σε συνδυασμό και των δύο ζωνών. Επιλέγουμε λοιπόν να δανειστούμε τις συχνότητες που μας λείπουν από την 1 η ζώνη που έχει καταχωρηθεί στην αστική περιοχή. Η επιλογή μας αυτή δεν έγινε τυχαία αλλά βασίστηκε στην προσπάθεια ελαχιστοποίησης της ομοκαναλικής παρεμβολής. Η διαφοροποίηση επομένως ως προς το σχεδιασμό των συχνοτήτων σε σχέση με την αντίστοιχη σχεδίαση της ενότητας δεν έγκειται στον αριθμό που καταχωρείται σε κάθε κύτταρο της ορεινής περιοχής (εφόσον και εδώ έχουμε τρείς ομάδες των τριών συχνοτήτων) αλλά στο ποιες είναι οι φέρουσες συχνότητες που θα χρησιμοποιήσουμε και πώς αυτές επιλέχθηκαν. 202

203 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κατανομή των συχνοτήτων στα κύτταρα της ορεινής περιοχής. Με κόκκινο χρώμα εμφανίζονται οι συχνότητες οι οποίες δανείζονται από την 1 η ζώνη στην αστική περιοχή. Επειδή χρησιμοποιούμε την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης FDMA/TDMA και την τεχνολογία GSM κάθε μία από αυτές τις συχνότητες διαχωρίζεται σε 8 χρονοθυρίδες-κανάλια. Έτσι σε κάθε κύτταρο έχουμε 3συχνότητες*8χρονοθυρίδες=24 κανάλια Πίνακας 4.13 Κατανομή των συχνοτήτων για την άνω και κάτω ζεύξη (uplink - downlink) στα κύτταρα της ορεινής περιοχής σύμφωνα με την ΑRFCN αρίθμηση Πίνακας 4.14 Συχνότητες του cluster σε MHz για την κάτω ζεύξη (downlink) της ορεινής περιοχής Πίνακας 4.15 Συχνότητες του cluster σε MHz για την άνω ζεύξη (uplink) της ορεινής περιοχής. Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων και ο τρόπος τοποθέτησης των κυτταρικών συγκροτημάτων για την ορεινή περιοχή φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Κάθε κυψέλη χαρακτηρίζεται από έναν ακέραιο θετικό αριθμό από το 1 έως το 3 που αποτελεί τον κωδικό του κυττάρου. 203

204 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.11 Σχεδιασμός συχνοτήτων της ορεινής περιοχής της Πάτρας Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Ανατρέχοντας στον πίνακα 4.13 με την κατανομή των συχνοτήτων στα κύτταρα θα δούμε οτι δεν υπάρχουν συχνότητες οι οποίες να υφίστανται την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Επομένως η συγκεκριμένη καταχώρηση είναι απαλλαγμένη από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή. Η ορεινή περιοχή πέραν των τεσσάρων συχνοτήτων της 3 ης ζώνης χρησιμοποιεί και πέντε συχνότητες από την ζώνη συχνοτήτων της αστικής περιοχής. Επειδή η ορεινή περιοχή απέχει αρκετά μακριά από την αστική δεν υφίσταται παρεμβολή από τα ομοκαναλικά κύτταρα της αστικής περιοχής. Επιπλέον αν και βρίσκεται κοντα στην ημιαστική περιοχή και την περιοχή του Παναχαϊκού όρους επειδή χρησιμοποιεί διαφορετικές ομάδες συχνοτήτων δεν δέχεται ομοκαναλική παρεμβολή ούτε από αυτές τις περιοχές. Το σύνολο λοιπόν των χρησιμοποιούμενων συχνοτήτων του πίνακα 4.13 εξασφαλίζει προστασία από αυτόν τον τύπο παρεμβολής. 204

205 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/ Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Η ελαχιστοποίηση της παρεμβολής γειτονικού καναλιού επιτυγχάνεται μέσω της κατανομής των συχνοτήτων στα κύτταρα της ορεινής περιοχής. Αρχικά θα αναφερθούμε στην κυψέλη με κωδικό 1. Η κυψέλη 1 διαθέτει προς χρήση τις συχνότητες f37,f40,f43. Παρατηρούμε οτι: η f37 διαφέρει από τη f40 κατά 600 khz η f40 διαφέρει από την f43 κατά 600 khz η f43 διαφέρει από την f37 κατά 1.2 MHz Στη συνέχεια εξετάζουμε και τις άλλες δύο κυψέλες. Η κυψέλη 2 διαθέτει προς χρήση τις συχνότητες f13,f25,f49. Παρατηρούμε οτι: η f13 διαφέρει από τη f25 κατά 2.4 ΜHz η f25 διαφέρει από την f49 κατά 4.8 ΜHz η f49 διαφέρει από την f13 κατά 7.2 MHz Οι φασματικές αποστάσεις που ισχύουν για την κυψέλη 2 ισχύουν οι ίδιες και για την κυψέλη 3. Ελέγχοντας τώρα τις φασματικές αποστάσεις ανάμεσα στα τρία γειτονικά κύτταρα 1,2 και 3 διαπιστώνουμε τα εξής: Οι συχνότητες του κυττάρου 1 απέχουν φασματική απόσταση από τις συχνότητες του κυττάρου 2 ίση με 1.2 MHz. (Η απόσταση αυτή είναι η ελάχιστη και αφορά τις συχνότητες f49 και f43). Οι συχνότητες του κυττάρου 2 απέχουν φασματική απόσταση από τις συχνότητες του κυττάρου 3 ίση με 600 khz. (Η απόσταση αυτή είναι η ελάχιστη και αφορά τις συχνότητες f49 και f46). Οι συχνότητες του κυττάρου 1 απέχουν φασματική απόσταση από τις συχνότητες του κυττάρου 3 ίση με 600 khz. (Η απόσταση αυτή είναι η ελάχιστη και αφορά τις συχνότητες f43 και f46 καθώς και τις συχνότητες f37 και f34). 205

206 Κεφάλαιο 4 ο Περιοχή Παναχαϊκού όρους Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Και στην περίπτωση της περιοχής του Παναχαϊκού όρους δεν υπάρχει κάποια διαφορά ως προς τη διαδικασία της κυτταρικής σχεδίασης όπως αυτή περιγράφηκε και ως προς τα αποτελέσματα που υπολογίσαμε στις ενότητες , και του 3 ου κεφαλαίου. Όπως και με την περίπτωση της σχεδίασης της ορεινής περιοχής η ενότητα του σχεδιασμού των συχνοτήτων είναι αυτή που διαφοροποιείται και στην οποία θα εστιάσουμε την ανάλυσή μας Διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς την κάλυψη. Οι υποθέσεις που έγιναν στην ενότητα ισχύουν και εδώ καθώς επίσης και τα μοντέλα για τον υπολογισμό της σκίασης. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνεται η ισχύς του λαμβανομένου σήματος καθώς και οι απώλειες σε συνάρτηση με την απόσταση από τον σταθμό βάσης. Σχήμα 4.12 Ισχύς λήψης και απώλειες συναρτήσει της απόστασης για την περιοχή του Παναχαϊκού όρους. 206

207 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/ Εκτίμηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και διαστασιολόγηση του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα. Όλα τα αποτελέσματα από το στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου ως προς τη χωρητικότητα (ενότητα ) για GoS=2%,3% και 5% παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Όρος Παναχαϊκό Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Τιμές Παραμέτρων (GoS=2%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=3%) Τιμές Παραμέτρων (GoS=5%) κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 40 sec 40 sec 40 sec erl erl erl 7.26 erl erl erl Αριθμός καναλιών κυψέλης 8/ 1 8/ 1 8/ 1 κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης 3.63erl 3.99 erl 4.54erl κυψέλης Εμβαδόν km km km 2 κυψέλης Ακτίνα κυψέλης 4km 4km 4km Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα συνδρομητών Πυκνότητα erl/ km erl/ km erl/ km 2 φορτίου κίνησης Αριθμός κυψελών

208 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Απόδοση 45.38% 49.88% 56.75% καναλιού Ισχύς εκπομπής 46.02dBm 46.02dBm 46.02dBm Πίνακας 4.16 Διαστασιολόγηση του δικτύου της περιοχής του Παναχαϊκού όρους Σχεδιασμός κυττάρων Σχήμα 4.13 Σχεδιασμός κυττάρων για την περιοχή του Παναχαϊκού όρους Σχεδιασμός συχνοτήτων Όπως αναφέραμε και στην αρχή του παρόντος κεφαλαίου οι ζώνες των συχνοτήτων που δημιουργήσαμε ήταν λιγότερες από τις περιοχές με αποτέλεσμα κάποιες συχνότητες να επαναχρησιμοποιηθούν και εκτός της περιοχής στην οποία είχαν καταχωρηθεί. Η περιοχή του Παναχαϊκού όρους για να μπορέσει να καλύψει τις επικοινωνιακές ανάγκες των εποχούμενων συνδρομητών της πρέπει να δανειστεί και αυτή (όπως έγινε και με την ορεινή περιοχή) δύο συχνότητες από τις ζώνες των συχνοτήτων, μία για κάθε κύτταρό της. Αποφασίζουμε να δανειστούμε τις συχνότητες αυτές από την αστική περιοχή για λόγους που σχετίζονται με την ομοκαναλική παρεμβολή. Επομένως και σε αυτήν την περίπτωση η διαφοροποίηση της σχεδίασης των συχνοτήτων ως προς την αντίστοιχη σχεδίαση της ενότητας έγκειται στο ποιές ονομαστικές συχνότητες θα χρησιμοποιηθούν και όχι στον αριθμό τους. 208

209 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η κατανομή των συχνοτήτων στα δύο κύτταρα της ορεινής περιοχής. Και οι δύο συχνότητες εμφανίζονται με κόκκινο χρώμα για να δηλώσουμε τον δανεισμό τους από την 1 η ζώνη της αστικής περιοχής. Επειδή χρησιμοποιούμε την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης FDMA/TDMA και την τεχνολογία GSM κάθε μία από αυτές τις συχνότητες διαχωρίζεται σε 8 χρονοθυρίδεςκανάλια. Έτσι σε κάθε κύτταρο έχουμε 1συχνότητα*8χρονοθυρίδες=8 κανάλια. Α1 1 5 Πίνακας 4.17 Κατανομή των συχνοτήτων για την άνω και κάτω ζεύξη (uplink - downlink) στα κύτταρα της περιοχής Παναχαϊκού όρους σύμφωνα με την ΑRFCN αρίθμηση. D1 Α1 D Πίνακας 4.18 Συχνότητες του cluster σε MHz για την κάτω ζεύξη (downlink) της περιοχής του Παναχαϊκού όρους. Α1 D Πίνακας 4.19 Συχνότητες του cluster σε MHz για την άνω ζεύξη (uplink) της περιοχής του Παναχαϊκού όρους. Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων και ο τρόπος τοποθέτησης των κυττάρων για την περιοχή του Παναχαϊκού όρους φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Κάθε κυψέλη χαρακτηρίζεται από έναν ακέραιο θετικό αριθμό από το 1 έως το 2 που αποτελεί τον κωδικό του κυττάρου. 209

210 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.14 Σχεδιασμός συχνοτήτων της περιοχής του Παναχαϊκού όρους της Πάτρας Προστασία από την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Ανατρέχοντας στον πίνακα 4.17 με την κατανομή των συχνοτήτων στα κύτταρα θα δούμε οτι δεν υπάρχουν συχνότητες οι οποίες να υφίστανται την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Επομένως η συγκεκριμένη καταχώρηση είναι απαλλαγμένη από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης Προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή. Τα κύτταρα της περιοχής του Παναχαϊκού όρους δεν υφίστανται ομοκαναλική παρεμβολή από κανένα άλλο κύτταρο των υπόλοιπων περιοχών. Αυτό συμβαίνει διότι αφενός μεν η ημιαστική και η ορεινή περιοχή χρησιμοποιούν διαφορετικές συχνότητες και αφετέρου επειδή η αστική περιοχή που χρησιμοποιεί τις ίδιες συχνότητες απέχει αρκετά μακριά από την περιοχή αυτή. Αυτός είναι και ο λόγος που επιλέξαμε να δανείσουμε προς χρήση συχνότητες από την αστική περιοχή και όχι από την ημιαστική ή την ορεινή περιοχή Προστασία από την παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Εξετάζοντας τις δύο συχνότητες f1 και f5 οι οποίες χρησιμοποιούνται στα δύο κύτταρα του Παναχαϊκού όρους θα δούμε ότι απέχουν μεταξύ τους απόσταση 800KHz η οποία εξασφαλίζει προστασία από αυτού του είδους την παρεμβολή. 210

211 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Ελέγχοντας τώρα τις φασματικές αποστάσεις ανάμεσα στα κύτταρα Α1 και D1 της περιοχής του Παναχαϊκού όρους και στα κύτταρα 2 και 3 της ορεινής περιοχής διαπιστώνουμε τα εξής: Η συχνότητα του κυττάρου Α1 απέχει φασματική απόσταση από τις συχνότητες του κυττάρου 2 ίση με 2.4 MHz. (Η απόσταση αυτή είναι η ελάχιστη και αφορά τις συχνότητες f1 και f13). Η συχνότητα του κυττάρου D1 απέχει φασματική απόσταση από τις συχνότητες του κυττάρου 3 ίση με 1 MHz. (Η απόσταση αυτή είναι η ελάχιστη και αφορά τις συχνότητες f5 και f10). Επομένως με τη συγκεκριμένη επιλογή και καταχώρηση των συχνοτήτων στα κύτταρα της περιοχής του Παναχαϊκού όρους διασφαλίζεται η προστασία από τις παρεμβολές ενδοδιαμόρφωσης και γειτονικού καναλιού και την ομοκαναλική παρεμβολή Κυτταρική κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής των Πατρών. Στην ενότητα αυτή θα παρουσιάσουμε το συνολικό κυτταρικό σχεδιασμό της Πάτρας ο οποίος είναι ο συνδυασμός των τεσσάρων επιμέρους σχεδιάσεων της κάθε περιοχής του δικτύου και θα αποτυπώσουμε το τελικό πλάνο των κυττάρων πάνω στο χάρτη όπως αυτό προέκυψε με βάση το νέο σενάριο FCA/36/20/4 για το σχεδιασμό των συχνοτήτων. Στον πίνακα που ακολουθεί εμφανίζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα της κυτταρικής σχεδίασης για τις τέσσερις περιοχές του δικτύου. Παράμετροι Αστική Ημιαστική Ορεινή Όρος περιοχή περιοχή περιοχή Παναχαικό Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Κάτοικοι περιοχής Συνδρομητές (660) περιοχής Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) κλήσεις/ώρα κλήση/ώρα κλήση/ώρα κλήση/ώρα Διάρκεια 84 sec 60sec 40sec 40 sec κλήσεων (h) Συνδρομητικό 0.028erl 0.017erl 0.011erl erl φορτίο (a) Συνολικό erl erl 23.61erl 7.26 erl 211

212 Κεφάλαιο 4 ο συνδρομητικό φορτίο (atotal) Πυκνότητα συνδρομητών Πυκνότητα φορτίου κίνησης Αριθμός καναλιών κυψέλης κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης κυψέλης Εμβαδόν κυψέλης Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 7009/ km / km 2 42/ km / km erl/ km 2 erl/ km 2 erl/ km erl/ km 2 24 / 3 40 / 5 18 (24) / 3 8/ erl 31erl erl 3.63erl km km km km 2 Ακτίνα κυψέλης 0.180km km 3km 4km Συνδρομητές κυψέλης Αριθμός κυψελών (15*12=96) (5*4=20) Αριθμός clusters Πίνακας 4.20 Παράμετροι κυτταρικού σχεδιασμού του δικτύου της περιοχής των Πατρών. Στο σχήματα που ακολουθούν αναπαρίσταται το συνολικό πλάνο των κυττάρων για τη γεωγραφική περιοχή των Πατρών όπως αυτό υπολογίστηκε με βάση τον κυτταρικό σχεδιασμό. Η σχεδίαση έχει πραγματοποιηθεί σε πραγματική κλίμακα. 212

213 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.15 Κυτταρική κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής της Πάτρας. Στο σχήμα 4.15 με κόκκινο χρώμα παριστάνονται τα κύτταρα της αστικής περιοχής, με πορτοκαλί χρώμα τα κύτταρα της ημιαστικής περιοχής, με μωβ τα κύτταρα της ορεινής περιοχής και με γαλάζιο χρώμα τα κύτταρα της περιοχής του Παναχαϊκού όρους. Επίσης στην εικόνα διακρίνονται υπό μορφή κύκλων οι υποψήφιες θέσεις για την εγκατάσταση των σταθμών βάσης. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το πλάνο των κύτταρων (με διαφορετικό χρωματικό κώδικα για τα κύτταρα) πάνω στο γεωγραφικό ανάγλυφο της περιοχής των Πατρών με τη βοήθεια του προγράμματος Google Earth. 213

214 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.16 Γραφική αναπαράσταση των κυττάρων της περιοχής της Πάτρας πάνω στο χάρτη. 4.4 Ιεραρχική δομή του δικτύου Στο στάδιο αυτό καλούμαστε να υπολογίσουμε τον εξοπλισμό που απαιτείται για τη λειτουργία του δικτύου μας σε κάθε μία από τις τέσσερις περιοχές και να υλοποιήσουμε την αρχιτεκτονική του σε όλα τα επίπεδα. 1.Αστική περιοχή Η αστική περιοχή όπως προέκυψε από τη σχεδίασή της καλύπτεται από 180 κύτταρα. Για την εξυπηρέτηση όλων αυτών των κυττάρων απαιτούνται 61 BTSs και 180 κεραίες ενώ για τον έλεγχο των σταθμών βάσης 16 BSCs. Από το σύνολο των BSCs ένας από αυτούς θα επιφορτιστεί με τον έλεγχο 1 BTS. Με το σενάριο FCA_36/20/4 σε κάθε κύτταρο έχουν ανατεθεί 3 συχνότητες. Επομένως θα πρέπει να υπάρχουν 3 πομποί και 3 δέκτες ανά κύτταρο ενώ για τη σύνδεσή τους στο κεραιοσύστημα απαιτούνται 2 combiners και 2 deplexers. Επειδή έχουμε 180 κύτταρα χρειαζόμαστε 180*2=360 combiners και 360 deplexers. 214

215 Κεφάλαιο 4 ο 2. Ημιαστική περιοχή Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Η ημιαστική περιοχή καλύπτεται από 20 κύτταρα. Για την συνολική κάλυψή της επομένως απαιτούνται 8 BTSs και 20 κεραίες συνολικά ενώ οι σταθμοί βάσης θα ελέγχονται από 2 BSCs. Σε κάθε κύτταρο έχουν ανατεθεί 5 συχνότητες. Επομένως απαιτούνται 5 πομποί και 5 δέκτες ανά κυψέλη, 4 combiners και 4 deplexers ανά κυψέλη. Άρα για 20 κύτταρα χρειαζόμαστε 20*4=80 combiners και 80 deplexers. 3. Ορεινή περιοχή Η ορεινή περιοχή καλύπτεται από 3 κύτταρα. Για την κάλυψη της περιοχής απαιτούνται 2 BTSs και 3 κεραίες όπως φαίνεται και από το σχήμα Σε κάθε κύτταρο έχουν ανατεθεί από 3 συχνότητες. Επομένως απαιτούνται 3 πομποί και 3 δέκτες ανά κυψέλη, 2 combiners και 2 deplexers ανά κυψέλη και συνολικά 6 combiners και 6 deplexers για την ορεινή περιοχή (4 combiners για τον BTS που ελέγχει τα κύτταρα με κωδικό 1 και 2 και δύο combiners για το άλλο BTS. Αντίστοιχα και για τους deplexers ). 4. Περιοχή του Παναχαϊκού όρους Η περιοχή του Παναχαϊκού όρους καλύπτεται από 2 κύτταρα. Επομένως για την κάλυψη της περιοχής απαιτούνται 2 BTSs και 2 κεραίες. Επειδή το κάθε κύτταρο χρησιμοποιεί από μία συχνότητα απαιτείται ένας πομπός και ένας δέκτης για κάθε κύτταρο με απευθείας σύνδεση στο κεραιοσύστημα. Για τον έλεγχο των BTS της ορεινής περιοχής και της περιοχής του Παναχαϊκού όρους χρησιμοποιούμε έναν κοινό BSC αφού κάθε περιοχή διαθέτει από 2 BTSs. Ο πίνακας που ακολουθεί εμφανίζει τον εξοπλισμό (σε μονάδες) που απαιτείται για την κάθε περιοχή. Εξοπλισμός Αστική περιοχή Ημιαστική περιοχή Ορεινή περιοχή Περιοχή Παναχαϊκού όρους Συνολικός Απολογισμός Αριθμός κυττάρων Αριθμός BTSs Αριθμός BSCs 16* 2 ** ** 19 Αριθμός κεραιών Αριθμός πομπών/κύτταρο Αριθμός δεκτών/κύτταρο

216 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Αριθμός combiners/κύτταρο Αριθμός deplexers/κύτταρο Συνολικός αριθμός πομπών Συνολικός αριθμός δεκτών Συνολικός αριθμός combiners Συνολικός αριθμός deplexers Πίνακας 4.21 Αποτίμηση του απαιτούμενου εξοπλισμού για την υλοποίηση και λειτουργία του δικτύου της Πάτρας σύμφωνα με το σενάριο FCA_36/20/4 *Για την ορεινή περιοχή και το Παναχαϊκό όρος χρησιμοποιούμε έναν κοινό ελεγκτή (BSC) αφού και οι δύο περιοχές έχουν από 2 BTSs η κάθε μία. **Ένας μόνο από τους 16 BSCs της αστικής περιοχής ελέγχει 1 BTS Σύμφωνα με το συγκεκριμένο σενάριο και με την διαδικασία κυτταρικής σχεδίασης που προηγήθηκε ο αριθμός των κεραιών που απαιτούνται για τη ηλεκτρομαγνητική κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής της Πάτρας είναι 205. Επειδή ένα ψηφιακό κέντρο του δικτύου GSM ελέγχει μέχρι 124 κεραίες για την λειτουργία του δικτύου μας χρειαζόμαστε 2 ψηφιακά κέντρα (MSCs). Το ένα MSC θα ελέγχει 97 κεραίες και 10 BSCs ενώ το άλλο θα έχει υπό την εποπτεία του 108 κεραίες και 9 BSCs. Ο διαμοιρασμός αυτός των κεραιών γίνεται για να αποφευχθεί η επιβάρυνση ενός εκ των δύο ψηφιακών κέντρων με τον έλεγχο 124 κεραιών. Για την ολοκληρωμένη λειτουργία του δικτύου απαιτούνται επίσης ένα ακόμα ψηφιακό κέντρο πύλη (G- MSC) για σύνδεση με το σταθερό δίκτυο τηλεφωνία PSTN και την σύνδεση με άλλα δίκτυα κινητών επικοινωνιών άλλων παρόχων ή δίκτυα δεδομένων καθώς και βάσεις δεδομένων όπως είναι η HLR,η VLR, το EIR, το AuC και το OMC. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η ιεραρχική δομή του δικτύου GSM για την περιοχή της Πάτρας, οι οντότητες που συμπεριλαμβάνονται και οι απαιτούμενες συνδέσεις μεταξύ τους. 216

217 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.17 Ιεραρχική δομή του δικτύου GSM για την γεωγραφική περιοχή της Πάτρας. 217

218 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.18 Μεγέθυνση του υποσυστήματος Ραδιοδικτύου. 218

219 Κεφάλαιο 4 ο Κυτταρικός σχεδιασμός της Πάτρας-Σενάριο FCA_36/20/4 Σχήμα 4.19 Μεγέθυνση του υποσυστήματος μεταγωγής και του υποσυστήματος Υποστήριξης και Λειτουργίας. 4.5 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό περιγράψαμε και αναλύσαμε ένα διαφορετικό σενάριο σχεδιασμού των συχνοτήτων (FCA_36/20/4) το οποίο βασίστηκε στην αποκλειστική χρήση ομάδων-ζωνών συχνοτήτων από ξεχωριστές περιοχές του δικτύου και διαπιστώσαμε τον καθοριστικό ρόλο που διαδραματίζει μία άλλη μέθοδος διαχείρισης των πόρων στον κυτταρικό σχεδιασμό. Μέσα από τα βήματα της σχεδίασης είδαμε τις σημαντικές αλλαγές που επιφέρει καθώς και το πώς αυτές αποτυπώνονται στο τελικό πλάνο των κυττάρων αλλά και στην συνολική δομή και λειτουργία του δικτύου. 219

220 Κεφάλαιο 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/ Εισαγωγή Η διαχείριση των πόρων είναι ένα από τα βασικότερα στάδια του κυτταρικού σχεδιασμού και η πολιτική από την οποία διέπεται διαφοροποιεί σημαντικά την σχεδίαση. Στο κεφάλαιο αυτό πραγματοποιούμε μία σύγκριση ανάμεσα στις μεθόδους FCA και FCA_36/20/4 που χρησιμοποιήσαμε για την κυτταρική σχεδίαση της γεωγραφικής περιοχής της Πάτρας και οι οποίες περιγράφησαν στα προηγούμενα κεφάλαια. Η σύγκριση θα εστιαστεί στις αλλαγές και τις τροποποιήσεις που επήλθαν από την χρήση των δύο αυτών τεχνικών ως προς την κάλυψη της περιοχής και ως προς την κατανομή του διαθέσιμου φάσματος των συχνοτήτων στα κύτταρα του δικτύου. 5.2 Κυτταρική κάλυψη Οι αλλαγές που παρατηρούνται στην κυτταρική κάλυψη από την χρήση των τεχνικών FCA και FCA_36/20/4 εστιάζονται στο πλάνο των κυττάρων που προκύπτει για κάθε υποπεριοχή (αστική, ημιαστική, ορεινή και περιοχή Παναχαϊκού όρους) του δικτύου και κατ επέκταση στην συνολική κάλυψη της περιοχής των Πατρών. Στο υπόλοιπο της παρούσας ενότητας περιγράφουμε την επίδραση της κάθε μίας από τις χρησιμοποιούμενες μεθόδους σχεδιασμού συχνοτήτων στην κυτταρική κάλυψη της κάθε περιοχής Αστική περιοχή Στη σχεδίαση της αστικής περιοχής με βάση την τεχνική FCA διαθέτουμε 60 συχνότητες για την εξυπηρέτηση της χωρητικότητας και το κυτταρικό συγκρότημα δομείται από 12 κύτταρα. Έτσι στο στάδιο του σχεδιασμού των συχνοτήτων οι 60 συχνότητες καταχωρούνται στα 12 κύτταρα του cluster με το κάθε κύτταρο θα διαθέτει για την εξυπηρέτηση των συνδρομητών του 5 συχνότητες. Με βαθμό εξυπηρέτησης ίσο με 2% και 40 κανάλια το κύτταρο της αστικής περιοχής μπορεί να διεκπεραιώσει φορτίο κίνησης 31 erl που είναι το μέγιστο φορτίο κίνησης σύμφωνα με την τεχνολογία GSM (TDMA πλαίσιο με 8 χρονοθυρίδες) και τις υποθέσεις που έχουμε κάνει ενώ η έκταση του ανέρχεται στα km 2. Με βάση τη διαστασιολόγηση και σύμφωνα με το σενάριο καταχώρησης FCA για την επαρκή κάλυψη της αστικής περιοχής και την ικανοποίηση των αναγκών της υψηλής χωρητικότητας της απαιτούνται 95 κύτταρα. 220

221 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Η μέθοδος FCA_36/20/4 από την άλλη συνεπάγεται αρχικά το διαχωρισμό του συνολικού αριθμού των 60 συχνοτήτων σε τρείς ξεχωριστές ζώνες όπου η κάθε ζώνη θα αποτελείται από τις δικές της συχνότητες. Έπειτα η κάθε περιοχή του δικτύου ανάλογα με τη χωρητικότητά της θα μπορεί να χρησιμοποιεί αποκλειστικά μία από τις διαθέσιμες ζώνες συχνοτήτων. Σύμφωνα λοιπόν με το σενάριο αυτό στην αστική περιοχή επειδή είναι η πιο πυκνοκατοικημένη περιοχή του δικτύου ανατίθεται η 1 η ζώνη από τις τρείς, η οποία περιλαμβάνει 36 από τις 60 συχνότητες. Με το μέγεθος του υπερκυττάρου να διατηρείται στο Ν=12 συνεπάγεται ότι θα πρέπει οι 36 συχνότητες να κατανεμηθούν στα 12 κύτταρα του cluster. Η μείωση των διαθέσιμων πόρων (από 60 συχνότητες που είχαμε για χρήση πλέον μας αναλογούν για τη συγκεκριμένη περιοχή μόνο 36) έχει σημαντικό αντίκτυπο στην κάλυψη της περιοχής. Συγκεκριμένα με το παρών σενάριο το κάθε ένα από τα 12 κύτταρα του κυτταρικού συγκροτήματος θα διαθέτει προς χρήση μία ομάδα των 3 συχνοτήτων έναντι των 5 συχνοτήτων που είχε με τη απλή μέθοδο FCA. Η μείωση του αριθμού των καναλιών του κυττάρου έχει ως αποτέλεσμα να επέλθει μείωση και στην χωρητικότητα του και στον αριθμό των συνδρομητών που μπορεί να εξυπηρετήσει. Πλέον με βαθμό εξυπηρέτησης ίσο με 2% και 24 κανάλια το φορτίο κίνησης που μπορεί να διαχειριστεί ελαττώνεται στα erl. Η μείωση του αριθμού των καναλιών του κυττάρου σε συνδυασμό με τον περιορισμό της στατικής καταχώρησης οδηγεί σε αντίστοιχη μείωση της ακτίνας και της έκτασης της κυψέλης της αστικής περιοχής. Προκειμένου λοιπόν να απορροφηθεί η υψηλή συνδρομητική κίνηση που παράγει η μεγάλη χωρητικότητα της περιοχής θα πρέπει να αυξηθεί ο αριθμός των κυττάρων οδηγώντας ταυτόχρονα και σε πυκνότερη επαναχρησιμοποίηση η οποία επιβάλλεται όχι λόγω της μείωσης του μεγέθους του κυτταρικού συγκροτήματος αλλά λόγω μείωσης του μεγέθους του κυττάρου. Πράγματι με την εφαρμογή της μεθόδου FCA_36/20/4 με βάση τη διαστασιολόγηση του δικτύου ο αριθμός των κυττάρων που απαιτούνται για την κυτταρική κάλυψη της αστικής περιοχής ανέρχεται στα 180 που είναι σχεδόν διπλάσιος των κυττάρων που υπολογίστηκαν με τη χρήση της απλής μεθόδου FCA. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα της διαστασιολόγησης του δικτύου για GoS=2% με βάση τις δύο μεθόδους FCA και FCA_36/20/4. Αστική περιοχή Τιμές Παραμέτρων Τιμές Παραμέτρων Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής FCA FCA_36/20/

222 Κεφάλαιο 5 ο Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 1.2 κλήσεις/ώρα 1.2 κλήσεις/ώρα 84 sec 84 sec erl erl erl erl Αριθμός καναλιών 40 / 5 24 / 3 κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης 31 erl erl κυψέλης Εμβαδόν km km 2 κυψέλης Ακτίνα κυψέλης 0.247km 0.180km Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα 7009/ km / km 2 συνδρομητών Πυκνότητα erl/ km erl/ km 2 φορτίου κίνησης Αριθμός κυψελών Αριθμός cluster 8 15 Απόδοση καναλιού 77.5% 69.29% Πίνακας 5.1 Διαστασιολόγηση του δικτύου της αστικής περιοχής με τις μεθόδους FCA και FCA_36/20/4 Στα παρακάτω σχήματα δείχνεται το πλάνο των κυττάρων όπως αυτό προκύπτει από τα δύο διαφορετικά σενάρια σχεδιασμού. 222

223 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Σχήμα 5.1 Κυτταρική κάλυψη και σχεδιασμός συχνοτήτων της αστικής περιοχής σύμφωνα με το σενάριο FCA. Σχήμα 5.2 Κυτταρική κάλυψη και σχεδιασμός συχνοτήτων της αστικής περιοχής σύμφωνα με το σενάριο FCA_36/20/4. 223

224 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Ο αριθμός των κυττάρων που απαιτούνται για την κάλυψη της αστικής περιοχής συνδέεται άμεσα και με το οικονομικό κόστος για την υλοποίηση του δικτύου. Όταν αυξάνει ο αριθμός των κυττάρων αυξάνει και ο αριθμός των σταθμών βάσης (BTSs) που χρειάζονται για την εξυπηρέτηση τους και των ελεγκτών των σταθμών βάσης (BSCs). Σύμφωνα με τα όσα υπολογίστηκαν για την κάλυψη της αστικής περιοχής με την τεχνική καταχώρησης FCA για τη λειτουργία 95 κυττάρων χρειάζονται 32 BTSs και 8 BSCs ενώ για την υλοποίηση του δικτύου με βάση την τεχνική FCA_36/20/4 για τη λειτουργία 180 κυττάρων απαιτούνται 61 BTSs και 16 BSCs δηλαδή διπλάσιος αριθμός εξοπλισμού. Ο πίνακας που ακολουθεί παραθέτει τον εξοπλισμό που απαιτείται αναλυτικά για την υλοποίηση και λειτουργία του δικτύου της αστικής περιοχής και στις δύο περιπτώσεις σχεδίασης. Εξοπλισμός FCA FCA_36/20/4 Αριθμός κυττάρων Αριθμός BTSs Αριθμός BSCs 8 16 Αριθμός κεραιών Αριθμός 5 3 πομπών/κύτταρο Αριθμός 5 3 δεκτών/κύτταρο Αριθμός 4 2 combiners/κύτταρο Αριθμός 4 2 deplexers/κύτταρο Συνολικός αριθμός πομπών Συνολικός αριθμός δεκτών Συνολικός αριθμός combiners Συνολικός αριθμός deplexers Πίνακας 5.2 Απολογισμός του απαιτούμενου εξοπλισμού για την υλοποίηση του δικτύου σύμφωνα με τα σενάρια FCA και FCA_36/20/4. Με βάση τα δεδομένα του πίνακα 5.2 και ανάλογα το σενάριο σχεδιασμού που εφαρμόζουμε για την αστική περιοχή παρατηρούμε οτι μεταβάλλεται σημαντικά ο εξοπλισμός και κατ επέκταση το κόστος υλοποίησης του δικτύου της περιοχής. Πέραν των σταθμών βάσης και των ελεγκτών σύμφωνα με το σενάριο FCA_36/20/4 για τη λειτουργία του δικτύου όπως προκύπτει και από την ενότητα 4.4 απαιτούνται δύο ψηφιακά κέντρα (MSCs) εφόσον χρησιμοποιούμε 180 κεραίες συνολικά (1 MSC 224

225 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 μπορεί να ελέγχει μέχρι 124 κεραίες) έναντι ενός ψηφιακού κέντρου που απαιτούσε η λειτουργία του δικτύου με βάση το σενάριο FCA Ημιαστική περιοχή Από το στάδιο της διαστασιολόγησης του δικτύου και σύμφωνα με το σενάριο καταχώρησης FCA προκύπτει οτι το κάθε κύτταρο της περιοχής διαθέτει προς χρήση 5 συχνότητες δηλαδή 40 κανάλια. Αυτό συμβαίνει διότι ο αριθμός των διαθέσιμων συχνοτήτων είναι 60 (επαναχρησιμοποίηση των ίδιων συχνοτήτων) και το μέγεθος του κυτταρικού συγκροτήματος είναι Ν=12. Έτσι για βαθμό εξυπηρέτησης 2% και αριθμό καναλιών 40 το φορτίο κίνησης που μπορεί να διεκπεραιώσει κάθε κύτταρο της ημιαστικής περιοχής είναι Α=30 erl. Επιπλέον η έκταση του κυττάρου υπολογίζεται στα km 2 ενώ για την πλήρη κάλυψη της περιοχής απαιτούνται 23 κύτταρα. Στην περίπτωση της σχεδίασης του δικτύου με βάση το σενάριο FCA_36/20/4 στην ημιαστική περιοχή αντιστοιχίζεται η 2 η ζώνη, η οποία περιλαμβάνει μόνο 20 από τις 60 συχνότητες του αρχικού φάσματος. Στην συγκεκριμένη περίπτωση για να αντισταθμίσουμε την απώλεια των πόρων και να επιτύχουμε όσο το δυνατόν αποδοτικότερη αξιοποίησή τους ακολουθούμε μία διαφορετική στρατηγική στο σχεδιασμό των συχνοτήτων. Η σημαντική διαφορά εδώ αφορά τη μείωση των κυττάρων που απαρτίζουν το κυτταρικό συγκρότημα από 12 που ήταν στο σενάριο FCA σε μόλις 4. Επιλέγοντας μικρότερο μέγεθος κυτταρικού συγκροτήματος Ν εξασφαλίζουμε υψηλή χωρητικότητα του κυττάρου εφόσον ο αριθμός των καναλιών που διαθέτει αυξάνεται ενώ παράλληλα οδηγούμαστε σε μεγαλύτερη επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων (1/Ν). Πράγματι με την επιλογή μας οι 20 συχνότητες που διαθέτει για αποκλειστική χρήση η ημιαστική περιοχή κατανέμονται σε 4 κύτταρα του cluster και όχι σε 12. Έτσι το κάθε κύτταρο διαθέτει από 5 συχνότητες έναντι μίας που θα διέθετε για cluster size=12. Η χρήση επομένως της τεχνικής FCA_36/20/4 σε συνδυασμό με την μείωση του μεγέθους του κυτταρικού συγκροτήματος διατηρούν τη χωρητικότητα του κυττάρου υψηλή και το φορτίο κίνησης που διαχειρίζεται ανέρχεται στα 31 erl (για GoS=2% και 40 κανάλια). Με βάση τη διαστασιολόγηση του δικτύου και τον συγκεκριμένο σχεδιασμό των συχνοτήτων για την επαρκή κάλυψη της ημιαστικής περιοχής χρειάζονται μόλις 20 κύτταρα. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα της διαστασιολόγησης του δικτύου για την ημιαστική περιοχή για GoS=2% με βάση τις δύο μεθόδους FCA και FCA_36/20/4. 225

226 Κεφάλαιο 5 ο Ημιαστική περιοχή Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Τιμές Παραμέτρων Τιμές Παραμέτρων Εμβαδόν περιοχής (km 2 ) Συνδρομητές περιοχής Ρυθμός άφιξης κλήσεων (λ) Διάρκεια κλήσεων (h) Συνδρομητικό φορτίο (a) Συνολικό συνδρομητικό φορτίο (atotal) FCA FCA_36/20/ κλήση/ώρα 1κλήση/ώρα 60 sec 60 sec erl erl erl erl Αριθμός καναλιών 40 / 5 40 / 5 κυψέλης/αριθμός συχνοτήτων Φορτίο κίνησης 30 erl 31 erl κυψέλης Εμβαδόν km km 2 κυψέλης Ακτίνα κυψέλης km km Συνδρομητές κυψέλης Πυκνότητα 1138/ km / km 2 συνδρομητών Πυκνότητα erl/ km erl/ km 2 φορτίου κίνησης Αριθμός κυψελών Αριθμός cluster 2 5 Απόδοση καναλιού 74.97% 77.5% Πίνακας 5.3 Διαστασιολόγηση του δικτύου της ημιαστικής περιοχής με τις μεθόδους FCA και FCA_36/20/4 Στα παρακάτω σχήματα δείχνεται το πλάνο των κυττάρων όπως αυτό προκύπτει από τα δύο διαφορετικά σενάρια σχεδιασμού για την ημιαστική περιοχή. 226

227 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Σχήμα 5.3 Κυτταρική κάλυψη και σχεδιασμός συχνοτήτων της ημιαστικής περιοχής σύμφωνα με το σενάριο FCA. Σχήμα 5.4 Κυτταρική κάλυψη και σχεδιασμός συχνοτήτων της ημιαστικής περιοχής σύμφωνα με το σενάριο FCA_36/20/4. 227

228 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Όπως παρατηρούμε από τον πίνακα 5.3 και τα σχήματα 5.3 και 5.4 ο σχεδιασμός της ημιαστικής περιοχής πέραν της ουσιαστικής διαφοράς που αφορά την καταχώρηση των συχνοτήτων (με τη μείωση του κυτταρικού συγκροτήματος) δεν διαφοροποιείται σχεδόν καθόλου ως προς τα αποτελέσματα της διαστασιολόγησης ως προς την κάλυψη και τη χωρητικότητα. Αυτό είναι πολύ σημαντικό εφόσον το οικονομικό κόστος της υλοποίησης του δικτύου για την ημιαστική περιοχή παραμένει το ίδιο και για τις δύο περιπτώσεις. Το συμπέρασμα αυτό γίνεται καλύτερα κατανοητό από τον πίνακα που ακολουθεί και ο οποίος αναγράφει τον απαραίτητο εξοπλισμό για τη λειτουργία του δικτύου. Εξοπλισμός FCA FCA_36/20/4 Αριθμός κυττάρων Αριθμός BTSs 8 8 Αριθμός BSCs 2 2 Αριθμός κεραιών Αριθμός 5 5 πομπών/κύτταρο Αριθμός 5 5 δεκτών/κύτταρο Αριθμός 4 4 combiners/κύτταρο Αριθμός 4 4 deplexers/κύτταρο Συνολικός αριθμός πομπών Συνολικός αριθμός δεκτών Συνολικός αριθμός combiners Συνολικός αριθμός deplexers Πίνακας 5.4 Απολογισμός του απαιτούμενου εξοπλισμού για την υλοποίηση του δικτύου της ημιαστικής περιοχής σύμφωνα με τα σενάρια FCA και FCA_36/20/ Ορεινή περιοχή Ο κυτταρικός σχεδιασμός της ορεινής περιοχής με βάση το σενάριο καταχώρησης FCA δεν παρουσιάζει αλλαγές από την αντίστοιχη σχεδίαση που υλοποιήθηκε με το σενάριο FCA_36/20/4. Επομένως το πλάνο των κυττάρων για την κάλυψη της ορεινής περιοχής παραμένει το ίδιο και για τις δύο μεθόδους και δείχνεται στο σχήμα

229 Κεφάλαιο 5 ο Περιοχή Παναχαϊκού όρους Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Και στην περίπτωση του Παναχαϊκού όρους η κυτταρική κάλυψη της περιοχής δεν μεταβάλλεται από την αλλαγή του σεναρίου καταχώρησης των συχνοτήτων. Και με τις δύο μεθόδους με βάση τη διαστασιολόγηση του δικτύου προκύπτει οτι για την επαρκή κάλυψη της περιοχής απαιτούνται δύο κύτταρα. Είναι πολύ βασικό το γεγονός οτι λόγω της μελέτης του σχεδιασμού των συχνοτήτων η αλλαγή της τεχνικής καταχώρησης δεν άλλαξε το πλάνο των κυττάρων για την κάλυψη της ορεινής περιοχής και της περιοχής του Παναχαϊκού όρους με αποτέλεσμα ο εξοπλισμός για την λειτουργία του δικτύου στις περιοχές αυτές να μην μεταβληθεί διατηρώντας το κόστος σταθερό [Πίνακας 4.21]. 5.3 Σχεδιασμός συχνοτήτων και ομοκαναλική παρεμβολή Ο σχεδιασμός των συχνοτήτων που πραγματοποιείται με βάση τα δύο σενάρια αποτελεί το σημαντικότερο κομμάτι και την βασικότερη διαφορά των δύο σχεδιασμών που υλοποιήθηκαν για την περιοχή της Πάτρας εφόσον έχει άμεση σχέση με την ισχύ της ομοκαναλικής παρεμβολής που αναμένεται να επηρεάσει τη λειτουργία και την απόδοση του συστήματός μας. Στο κεφάλαιο 3 ο σχεδιασμός των συχνοτήτων βασίστηκε στην τεχνική της σταθερής καταχώρησης FCA [ενότητα 2.5.1] όπου οι συχνότητες εκχωρούνται με στατικό τρόπο στα κύτταρα του κυτταρικού συγκροτήματος. Στη συνέχεια για την εξυπηρέτηση του συνόλου των συνδρομητών οι συχνότητες επαναχρησιμοποιούνται επαναλαμβάνοντας τη δομή του cluster όσες φορές απαιτηθεί. Ωστόσο ο τρόπος αυτός της ανάθεσης των συχνοτήτων προϋποθέτει την ύπαρξη ομοιόμορφης κατανομής της συνδρομητικής κίνησης και την υπόθεση οτι όλα τα κύτταρα της περιοχής του σχεδιασμού θα έχουν την ίδια χωρητικότητα και επομένως τον ίδιο αριθμό πομπών και δεκτών για την κάλυψη των επικοινωνιακών αναγκών των χρηστών. Στο πλαίσιο της λογικής που διέπει την τεχνική FCA και για την επίτευξη υψηλής απόδοσης του δικτύου θα πρέπει να μεγιστοποιηθεί η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων και να τηρείται το κριτήριο της ελάχιστης απόστασης μεταξύ των ομοκαναλικών κυττάρων για την ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής. Όπως διαπιστώσαμε όμως από την διαδικασία της κυτταρικής σχεδίασης της Πάτρας, η υπό σχεδιασμό περιοχή του δικτύου δεν είναι ενιαία αλλά χωρίζεται σε τέσσερις υποπεριοχές οι οποίες χαρακτηρίζονται από διαφορετικές παραμέτρους η κάθε μία. Διαθέτουν διαφορετικό ποσοστό πληθυσμού, διαφορετικό αριθμό συνδρομητών, διαφορετικά προφίλ κίνησης και διαφορετικά περιβάλλοντα διάδοσης. Αυτό σημαίνει ότι η ποσότητα της παραγόμενης κίνησης διαφέρει από περιοχή σε περιοχή με συνέπεια η συνολική κίνηση και η χωρητικότητα του δικτύου να κατανέμονται ανομοιόμορφα. Οι ιδιαιτερότητες αυτές και οι απαιτήσεις της κάθε περιοχής ως προς την κάλυψη και τη χωρητικότητα της δημιουργούν την ανάγκη διαφορετικής 229

230 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 σχεδίασης για τις επιμέρους περιοχές και εισάγουν μία ποικιλομορφία στο μέγεθος των κυττάρων. Η περίπτωση αυτή κάλυψης δείχνεται στο σχήμα Ο κυτταρικός σχεδιασμός που πραγματοποιούμε οφείλει να λάβει σοβαρά υπόψην του την ανομοιομορφία στην κατανομή των συνδρομητών και στην τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Η τεχνική λοιπόν καταχώρησης FCA που χρησιμοποιήθηκε στο τρίτο κεφάλαιο αν και μπορεί να αποτελέσει την αφετηρία για τον κυτταρικό σχεδιασμό εγκλωβίζεται στις υποθέσεις υπό τις οποίες λειτουργεί και υστερεί στη σχεδίαση των κυττάρων που χαρακτηρίζονται από διαφορετική χωρητικότητα. Ο περιορισμός της στατικής καταχώρησης και η ανομοιογένεια στις εκτάσεις των κυττάρων οδηγούν στην παραβίαση του κριτηρίου της ελάχιστης απόστασης επαναχρησιμοποίησης και αυξάνουν τα επίπεδα ισχύος της ομοκαναλικής παρεμβολής υποβαθμίζοντας σημαντικά την ποιότητα τον παρεχομένων υπηρεσιών. Στο τέταρτο κεφάλαιο κάναμε χρήση της τεχνικής FCA_36/20/4 η οποία αποτελεί και αυτή μία στατική μέθοδο καταχώρησης. Η ουσιώδης όμως διαφορά της από την απλή FCA είναι στον τρόπο που γίνεται η ανάθεση των συχνοτήτων. Με την παρούσα μέθοδο δεν χρησιμοποιούνται οι ίδιες συχνότητες για να εξυπηρετήσουν τις συνδρομητικές ανάγκες του δικτύου μέσω της επαναχρησιμοποίησης αλλά σε κάθε περιοχή της Πάτρας ανατίθεται ένα υποσύνολο των 60 συχνοτήτων το οποίο προορίζεται για αποκλειστική χρήση από τη συγκεκριμένη περιοχή. Με την μέθοδο αυτή επιτυγχάνεται αποτελεσματικότερη διαχείριση των διαθέσιμων πόρων σε σχέση με την τεχνική FCA σε περιπτώσεις όπου η τηλεπικοινωνιακή κίνηση και η χωρητικότητα του δικτύου δεν κατανέμονται ομοιόμορφα. Επιπλέον επιτυγχάνεται η συνύπαρξη κυττάρων με διαφορετικές ακτίνες δίνοντας μία λύση στην αύξηση της ομοκαναλικής παρεμβολής. Στη συνέχεια θα αναφερθούμε συγκεκριμένα στις διαφορές που εντοπίζονται στη σχεδίαση της κάθε περιοχής του δικτύου μας από την εφαρμογή των δύο μεθόδων Αστική περιοχή Στην σχεδίαση των συχνοτήτων με την τεχνική FCA χρησιμοποιείται το σύνολο των 60 συχνοτήτων για την παροχή υπηρεσιών στην αστική περιοχή. Η αστική περιοχή όμως συνυπάρχει με τις υπόλοιπες περιοχές του δικτύου της Πάτρας, την ημιαστική, την ορεινή και την περιοχή του Παναχαϊκού όρους οι οποίες χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες με αυτήν στη λογική της επαναχρησιμοποίησης. Ο στατικός τρόπος καταχώρησης των πόρων σε συνδυασμό με την ανομοιομορφία των κυττάρων οδηγούν στην παραβίαση του κριτηρίου της ελάχιστης απόστασης που διέπει την επαναχρησιμοποίηση. Συνέπεια τούτων είναι η ύπαρξη αρκετών πηγών ομοκαναλικής παρεμβολής η οποία επιδρά στα κύτταρα της αστικής περιοχής και μειώνει το λόγο της φέρουσας συχνότητας του σήματος προς την παρεμβολή (C/I). Συγκεκριμένα η ομοκαναλική παρεμβολή που δέχεται κάθε κύτταρο της αστικής περιοχής προέρχεται από τα εξής κύτταρα: 230

231 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Ομοκαναλικά κύτταρα, τα οποία βρίσκονται στην αστική περιοχή και σε απόσταση D=1482m από το κύτταρο που εξετάζουμε Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στην ημιαστική περιοχή Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στην ορεινή περιοχή Ομοκαναλικά κύτταρα τα οποία βρίσκονται στο όρος Παναχαϊκό. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνονται οι πηγές της ομοκαναλικής περιοχής για το κύτταρο Α2 της αστικής περιοχής. Όπως θα παρατηρήσουμε η ομοκαναλική παρεμβολή για την συγκεκριμένη κυψέλη προέρχεται από ένα ομοκαναλικό κύτταρο της αστικής περιοχής, δύο ομοκαναλικά κύτταρα της ημιαστικής και ένα ομοκαναλικό κύτταρο της ορεινής περιοχής. Σχήμα 5.5 Πηγές ομοκαναλικής παρεμβολής για το κύτταρο Α2 της αστικής περιοχής με βάση το σενάριο καταχώρησης FCA. Σύμφωνα με τη σχεδίαση της ίδιας περιοχής αλλά με χρήση της τεχνικής FCA_36/20/4 η αστική περιοχή χρησιμοποιεί μόνο 20 συχνότητες από τις 60 που είναι το σύνολο. Από αυτές τις 20 συχνότητες μόνο 7 συχνότητες (f1, f5, f13, f10, f25, f34, f49) επαναχρησιμοποιούνται για την εξυπηρέτηση της ορεινής περιοχής και της περιοχής του Παναχαϊκού όρους ενώ οι υπόλοιπες χρησιμοποιούνται αποκλειστικά και μόνο από τα κύτταρα της αστικής περιοχής. Με την μέθοδο αυτή η αστική περιοχή δεν δέχεται ομοκαναλική παρεμβολή από κύτταρα της ημιαστικής εφόσον οι δύο αυτές περιοχές χρησιμοποιούν διαφορετικές ομάδες συχνοτήτων. 231

232 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Επιπλέον η παρεμβολή που δέχεται από τα ομοκαναλικά κύτταρα της ορεινής περιοχής και του Παναχαϊκού όρους αφορά μόνο συγκεκριμένες συχνότητες των κυττάρων Α3, C2, A1 και D1 και η ισχύς της εξασθενεί αρκετά (τύπος 2.7) λόγω της μεγάλης απόστασης των περιοχών αυτών από την αστική περιοχή. Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνονται τα ομοκαναλικά κύτταρα του κυττάρου Α2 της αστικής περιοχής σύμφωνα με τη μέθοδο FCA_36/20/4. Σχήμα 5.6 Πηγές ομοκαναλικής παρεμβολής για το κύτταρο Α2 της αστικής περιοχής με βάση το σενάριο καταχώρησης FCA_36/20/4. Παρακάτω δείχνονται οι γραφικές παραστάσεις των τιμών που λαμβάνει ο λόγος C/I για κάθε κύτταρο της αστικής περιοχής για τα δύο σενάρια σχεδιασμού. 232

233 Κεφάλαιο 5 ο Σύγκριση των μεθόδων σχεδιασμού FCA και FCA_36/20/4 Σχήμα 5.7 Σύγκριση των τιμών του λόγου C/I για την αστική περιοχή με βάση τις τεχνικές καταχώρησης FCA και FCA_36/20/4. Με πράσινο χρώμα αναπαρίστανται οι τιμές του C/I με την τεχνική FCA και με μπλε οι τιμές με την τεχνική FCA_36/20/4. Θα παρατηρήσουμε το γεγονός οτι οι τιμές του C/I με την τεχνική FCA_36/20/4 δεν παρουσιάζουν απότομες διακυμάνσεις όπως συμβαίνει την τεχνική της απλής FCA. Μάλιστα τα κύτταρα λαμβάνουν καθορισμένες τιμές ανάλογα με τον αριθμό των ομοκαναλικών κυττάρων που προσδιορίζονται γύρω από αυτά, ο οποίος μπορεί να κυμαίνεται από 1 έως 6 ανάλογα με το που βρίσκεται το κύτταρο. Κυψέλες οι οποίες βρίσκονται κοντά στα όρια της αστικής περιοχής δεν περιτριγυρίζονται από περισσότερα των 3 ομοκαναλικών κυττάρων με αποτέλεσμα να εμφανίζουν υψηλό C/I ενώ κυψέλες που βρίσκονται κοντά στο κέντρο της περιοχής δέχονται παρεμβολή από 5 έως και 6 ομοακαναλικά κύτταρα. Ωστόσο αξίζει να σημειωθεί οτι και με τα δύο σενάρια καταχώρησης των συχνοτήτων οι τιμές του λόγου C/I είναι αρκετά μεγαλύτερες από τα 12dB που είναι το κατώτερη τιμή που μπορεί να λάβει ο λόγος C/I σύμφωνα με τις προδιαγραφές που έχουμε θέσει ως προς την ποιότητα του σήματος Ημιαστική περιοχή Στο σχεδιασμό των συχνοτήτων με τη χρήση της τεχνική FCA για μέγεθος κυτταρικού συγκροτήματος N=12 στο κάθε κύτταρο της ημιαστικής περιοχής καταχωρείται στατικά από μία ομάδα 5 συχνοτήτων (60 συχνότητες / 12 κύτταρα του cluster = 5). Οι συχνότητες όμως αυτές χρησιμοποιούνται και από τις υπόλοιπες περιοχές του δικτύου με αποτέλεσμα την ύπαρξη αρκετών ομοκαναλικών κυττάρων 233