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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Δούναβη Μαρίας-Ελένης του Αλεξάνδρου Αριθμός Μητρώου: 6504 Θέμα «Σχεδίαση συστήματος κινητών επικοινωνιών λαμβάνοντας υπόψιν ιδιαιτερότητες στο γεωγραφικό ανάγλυφο και το συνδρομητικό φορτίο» Επιβλέπων Καθηγητής Κωτσόπουλος Σταύρος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Μάρτιος

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Σχεδίαση συστήματος κινητών επικοινωνιών λαμβάνοντας υπόψιν ιδιαιτερότητες στο γεωγραφικό ανάγλυφο και το συνδρομητικό φορτίο» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Δούναβη Μαρίας-Ελένης του Αλεξάνδου Αριθμός Μητρώου: 6504 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής, Κωτσόπουλος Σταύρος Καθηγητής, Νικόλαος Φακωτάκης 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Σχεδίαση συστήματος κινητών επικοινωνιών λαμβάνοντας υπόψιν ιδιαιτερότητες στο γεωγραφικό ανάγλυφο και το συνδρομητικό φορτίο» Φοιτήτρια: Δούναβη Μαρία- Ελένη του Αλεξάνδρου Επιβλέπων: Καθηγητής Κωτσόπουλος Σταύρος Περίληψη Η μεταφορά και διάδοση πληροφορίας με ασύρματο τρόπο είναι ένα επιστημονικό πεδίο που τις τελευταίες δεκαετίες γνωρίζει ιδιαίτερη άνθιση, καθώς μας απαλλάσσει από τις πολλές περιττές καλωδιώσεις των ενσύρματων δικτύων και δίνει τη δυνατότητα ευρείας κάλυψης χρηστών, που μπορούν κατά τη διάρκεια της μεταφοράς πληροφορίας να κινούνται. Συγκεκριμένα, ο κλάδος των κινητών τηλεπικοινωνιών, εξετάζει την επικοινωνία χρηστών μεταξύ τους με ασύρματο τρόπο, μέσω συσκευών κινητής τηλεφωνίας (ME-mobile equipment) οι οποίες δεν είναι παρά μικρές κεραίες ενσωματωμένες σε συσκευές με μνήμη και λογισμικό. Η μελέτη και η συνεχής βελτιστοποίηση των συστημάτων κινητών επικοινωνιών,αποτελεί το μεγάλο και διαρκές στοίχημα των τηλεπικοινωνιακών μηχανικών. Η ανάπτυξη όλο και αποδοτικότερων συστημάτων είναι αναγκαία, έτσι ώστε να μπορούμε να εκμεταλλευτούμε κατά το δυνατόν καλύτερα το περιορισμένο διαθέσιμο φάσμα, ελαχιστοποιώντας τις παρεμβολές, βελτιστοποιώντας την ποιότητα παροχής υπηρεσιών, με παράλληλη αύξηση του αριθμου των εξυπηρετούμενων χρηστών, με απώτερο σκοπό να καταλήξουμε σε ένα βέλτιστο μοντέλο σχεδίασης. Η παρούσα διπλωματική εξετάζει τις παραμέτρους οι οποίες λαμβάνονται υπόψιν στη σχεδίαση ενός συστήματος κινητών επικοινωνιών, τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των απωλειών λόγω των ιδιαιτεροτήτων της περιοχής διάδοσης και της ύπαρξης ραδιοσκιάς και διαλείψεων και επιχειρεί να εφαρμόσει ένα απλοποιημένο μοντέλο ραδιοκάλυψης στην ηπειρωτική περιοχή της περιφέρειας Αττικής. Η μελέτη και η σχεδίαση γίνονται για το σύστημα GSM 900 που χρησιμοποιεί φάσμα συχνοτήτων στην περιοχή των 900MHz. Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύουμε διεξοδικά την τριεπίπεδη αρχιτεκτονική δομή ενός συστήματος κινητών επικοινωνιών και τις λειτουργικές οντότητες που απαρτίζουν κάθε επίπεδο. Εξετάζουμε τις διεπαφές που συνδέουν τα επίπεδα μεταξύ τους καθώς και τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται για την ανταλλαγή μηνυμάτων σηματοδοσίας μεταξύ των επιπέδων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύουμε όλες τις παραμέτρους που σχετίζονται με τη σχεδίαση ενός συστήματος κινητών επικοινωνιών, ξεκινώντας με τον τύπο της προς κάλυψη περιοχής (αστική, ημιαστική, αγροτική) και τα κατά περίπτωση RF μοντέλα. Στη συνέχεια εξετάζουμε το συνδρομητικό φορτίο και την έννοια της συνδρομητικής κίνησης σε ένα ασύρματο δίκτυο. Κατόπιν 3

4 εισάγουμε τις έννοιες του blocking probability, του BER, του SNR και του GoS. Τέλος εξετάζουμε όλους τους τύπους παρεμβολών. Στο τρίτο κεφάλαιο, αναφερόμαστε στους μηχανισμούς διάδοσης, στο φαινόμενο των διαλείψεων, στο small-scale fading και αναλύουμε τα διάφορα μοντέλα κατανομών (παραθέτουμε τις PDF και CDF) που έχουν τυποποιηθεί για τις διαλείψεις. Στο τέταρτο κεφάλαιο επιχειρούμε να κάνουμε έναν απλουστευμένο κυψελοειδή σχεδιασμό στην περιφέρεια Αττικής, υλοποιώντας ουσιαστικά όσα αναφέρουμε στα πρώτα κεφάλαια, διαχωρίζοντας τη δοσμένη περιοχή σε δυο υποπεριοχές, μία αραιοκατοικημένη και μία πυκνοκατοικημένη. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, υπολογίζουμε τον αριθμό των λειτουργικών οντοτήτων που χρειάζεται το απλοποιημένο μας σύστημα, την ισχύ εκπομπής των σταθμών βάσης, τον αριθμό των κυψελών που απαιτούνται για την κάλυψη της περιοχής ενδιαφέροντος, τον βαθμό εξυπηρέτησης των χρηστών και τέλος πραγματοποιούμε την ανάθεση συχνοτήτων στις κυψέλες, προσπαθώντας να ελαχιστοποιήσουμε όλα τα είδη παρεμβολών. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται συνοπτικά τα συμπεράσματα τα οποία εξήχθησαν κατά την ανάλυση των φαινομένων που αναφέρθηκαν και μελετήθηκαν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής. 4

5 ABSTRACT During the last decades, wireless propagation and transmission of data, is a scientific field which grows up rapidly, due to several major advantages of wireless telecommunications, such as the lack of wired connections and the opportunity to provide telecommunication services to users who are not static. Specifically, the field of mobile telecommunications, examines communication between users who are possibly moving, through mobile equipment which consists of an antenna, software and memory. The continuous optimization of mobile telecommunication's systems is an enduring bet for telecommunication engineers. The development of increasingly efficient systems is needed so that we can exploit in the best way our limited available spectrum, while at the same time we are trying to fulfill three other major targets: minimize interference, optimize quality of service, increase the number of served users, with a view to arrive at an optimal design model. This thesis examines the structure of a mobile telecommunication's system, the factors taken into account in the design of a mobile system and the models used to estimate losses due to the peculiarities of the region, the existence of shadowing and multipath fading. Having mentioned the whole methodology behind cell planning and the way that a mobile system is structured, we are finally applying a simplified model of radio coverage in the area of Attica. The study is organized in the following way: In the first chapter we analyze thoroughly the hierarchical 3-layer structure of a mobile system and the functional entities that make up each level. We examine the interfaces which connect the levels between them and the protocols used for signaling. In the second chapter we analyze all the parameters associated with the design of a mobile system, starting with the type of the coverage area (urban, suburban, rural) and the choice of the suitable RF model. Afterwards, we examine the pay-load and the concept of mobile traffic in a wireless network. Then we introduce the concepts of blocking probability, BER, SNR and GoS. Finally we refer to all types of interference. In the third chapter, we refer to the propagation mechanisms, the phenomenon of fading, the small-scale fading and we analyze the existing distribution models (PDFs and CDFs) which have been standardized for the phenomenon of fading. In the fourth chapter we attempt to make a simplified cellular design in Attica region, implementing what we mentioned in the first chapters. Specifically, we calculate the number of functional entities needed, the transmission power of the base stations, the number of cells required to cover the area of interest, the GoS of the system and finally we are assigning the available frequencies in the cells, trying to minimize all kinds of interference. The fifth chapter summarizes the conclusions drawn from the study of the reported phenomena during the preparation of this thesis. 5

6 Περιεχόμενα Περίληψη...3 Abstract...5 Εισαγωγή:GSM...9 Κεφάλαιο 1: Αρχιτεκτονική δομή κυψελωτών δικτύων κινητής τηλεφωνίας...11 Εισαγωγή Δομή και λειτουργικές οντότητες Υποσυστήματα GSM Κινητός Σταθμός (MS) και κάρτα SIM Το επίπεδο ραδιοδικτύου (BSS) Ο Σταθμός Βάσης BTS α Αρχιτεκτονική και Λειτουργικότητα BTS β Μορφή BTS Ελεγκτήρας Σταθμού Βάσης-BSC TRAU Το επίπεδο Μεταγωγής (NSS) HLR (Home Location Register) και AuC (Authentication Center) VLR (Visitor Location Register) Κέντρο Μεταγωγής Κινητών Επικοινωνιών- MSC EIR Επίπεδο Διαχείρησης (ΝMS) network management Subsystem Υποσύστημα διαχείρισης και λειτουργίας OMC NMC (Network Management Center) Οι διεπαφές και τα πρωτόκολλα του GSM Πρωτόκολλα Διεπαφές Διεπαφή Um Διεπαφή A-bis Διεπαφή Α

7 Άλλες διεπαφές...37 Συμπεράσματα...38 Κεφάλαιο 2: Ανάλυση παραμέτρων σχεδίασης δικτύου...39 Εισαγωγή Γεωγραγική περιοχή κάλυψης και RF μοντέλα Μοντέλο ελευθέρου χώρου Μοντέλο λογαριθμικής απόστασης Μοντέλο επίπεδης γήινης επιφάνειας Μοντέλο Okumura Mοντέλο Hata COST-213 διευρυμένο Hata Τροποποιημένο Hata ΙΤU-R P ITU-R P ERC Report Μοντέλο Walfish-Ikegami Mοντέλο Bertoni-Walfish Μοντέλο Longley-Rice Μοντέλο LEE Μοντέλο από σημείο σε σημείο Μοντέλο Egli Μοντέλο Ray-tracing Συνδρομητική κίνηση Πιθανότητα μπλοκαρίσματος κλίσης και GoS Απαιτούμενο φάσμα συχνοτήτων Παρεμβολές Ομοκαναλική παρεμβολή ΠαρεμβολήΕνδοδιαμόρφωσης Παρεμβολή γειτονικού καναλιού SNR ΒΕR...73 Συμπεράσματα...74 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηρισμός Ασύρματου καναλιού Εισαγωγή

8 3.1 Μηχανισμοί διάδοσης Το φαινόμενο των διαλείψεων Small-scale fading Φαινόμενα διαλείψεων εξαιτίας delay spread Επίπεδα κανάλια διαλείψεων-μη επιλεκτικών συχνοτήτων Κανάλια επιλεκτικών συχνοτήτων Φαινόμενα διαλείψεων εξαιτίας της διασποράς Doppler Διασπορά Doppler και σύμφωνος χρόνος Γρήγορες διαλείψεις Αργές διαλείψεις Παράγοντες που επηρεάζουν το small-scale fading Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας (σκίαση) large-scale fading Μοντελοποίηση διαλείψεων μικρής κλίμακας Ασύρματο κανάλι κατά Rayleigh Διαλείψεις κατά Rice Διαλείψεις κατά Nakagami-m...90 Συμπεράσματα...92 Κεφάλαιο 4: Σχεδίαση συστήματος κινητών επικοινωνιών στο ηπειρωτικό τμήμα της περιφέρειας Αττικής Εισαγωγή Περιοχή κάλυψης Λειτουργικές Οντότητες Υπολογισμός Ισχύος εκπομπής Περιοχή Αθηνών-Πειραιώς Υπόλοιπο Αττικής Συνδρομητικό φορτίο/ GoS Περιοχή Αθηνών-Πειραιώς Υπόλοιπο Αττικής Καταχώρηση συχνοτήτων Συμπεράσματα Kεφάλαιο 5: Γενικά Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

9 Εισαγωγή: GSM Στην αρχή της δεκαετίας του 80 υπήρχαν διάφορα συστήματα κινητών επικοινωνιών στην Ευρώπη τα οποία βασίζονταν σε παρόμοια πρότυπα, αλλά χρησιμοποιούσαν διαφορετικές φέρουσες συχνότητες και ήταν όλα αναλογικά. Στην Σκανδιναβία υπήρχε το NMT, στη Γαλλία το RADIOCOM 200 και ως εκ τούτου δεν υπήρχε καμία συμβατότητα. Η ύπαρξη ενός κοινού συστήματος που θα επέτρεπε την περιαγωγή μεταξύ διαφόρων χωρών, προέκυψε με την παροδο των χρόνων ως αναγκαιότητα. Το 1982 λοιπόν δημιουργήθηκε μία επιτροπή (Group Special Mobile) με σκοπό την δημιουργία και επεξεργασία κοινών προτύπων για όλες τις χώρες και την χρήση για πρώτη φορά ψηφιακής τεχνολογίας. Ως απότοκο προέκυψε το σύστημα GSM που επέτρεπε την περιαγωγή των χρηστών ανά την Ευρώπη καθώς και την πρόσβαση σε υπηρεσίες φωνής συμβατές με το ISDN και το PSTN. Το 1991 τα πρώτα συστήματα GSM άρχισαν να εμφανίζονται στην αγορά και το ακρωνύμιο GSM άλλαξε και σήμαινε πλέον Global System of Mobile Communications. Την ίδια χρονιά εμφανίστηκε και το σύστημα DCS 1800 (GSM 1800) το οποίο ουσιαστικά ήταν το πρωταρχικό GSM μετατοπισμένο σε άλλη ζώνη συχνοτήτων. Στις ΗΠΑ το DCS 1800 προσαρμόστηκε στα 1900 Mhz. Στην επικράτηση του συστήματος σε διεθνές επίπεδο συνέβαλε σειρά πλεονεκτημάτων του όπως: η καλή ποιότητα φωνής, η διασφάλιση του απορρήτου των συνδιαλέξεων, το χαμηλό κόστος του τερματικού εξοπλισμού, το χαμηλό κόστος της προσφερόμενης υπηρεσίας, η περιαγωγή σε διεθνές επίπεδο, το νέο φάσμα υπηρεσιών, η μεγάλη απόδοση του χρησιμοποιούμενου φάσματος, η συμβατότητα με το ISDN, ψηφιακή τεχνολογία που κάνει φθηνότερα και ελαφρύτερα τα κινητά τηλέφωνα. To GSM 900 περιλαμβάνει δυο ζώνες συχνοτήτων, τη ζώνη Mhz (ανερχόμενη ζεύξη) στην οποία εκπέμπει ο κινητός σταθμός και τη ζώνη Mhz στην οποία εκπέμπει ο Σταθμός Βάσης (κατερχόμενη ζεύξη). Οι ζώνες των 25MHz υποδιαιρούνται η καθεμία σε (1 ελεύθερο) κανάλια συχνότητας και κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 200 Khz. Το GSM 1800 έχουμε δυο ζώνες συχνοτήτων από τα 1710 έως τα 1785 MHz Up link και από τα 1805 έως τα 1880 MHz Down link. Οι περιοχές των 75MHz υποδιαιρούνται η καθεμία σε 374 (+ 1 ελεύθερο) κανάλια και κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 200 Khz. Στο GSM 1900 χρησιμοποιούνται τα ζεύγη συχνοτήτων από τα 1850 έως τα 1910 MHz για Up link και από τα 1930 έως τα 1990 MHz για Down link. Οι περιοχές των 60MHz υποδιαιρούνται η καθεμία σε 299+ (1 ελεύθερο) κανάλια συχνότητας και κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 200KHz Το GSM όπως κάθε μοντέρνο ασύρματο δίκτυο χρησιμοποιεί κυψελοειδή δομή. Η βασική ιδέα ενός κυψελωτού δικτύου είναι να χωρίσει το διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων, να αναθέσει μέρη του φάσματος στους σταθμούς εκπομπής/λήψης και να μειώσει την ακτίνα επίδρασης κάθε Σταθμού Βάσης έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων όσο το δυνατόν πιο συχνά. Ένας από τους βασικούς στόχους του σχεδιασμού δικτύων είναι η μείωση της παρεμβολής μεταξύ γειτονικών σταθμών. Κάθε τηλεφωνικό δίκτυο χρειάζεται μία καλοσχεδιασμένη δομή έτσι ώστε να δρομολογεί τις εισερχόμενες κλήσεις στο σωστό συνδρομητή. Σε ένα δίκτυο κινητών επικοινωνιών ο σωστός σχεδιασμός είναι εξαιρετικά σημαντικός καθώς οι χρήστες κινούνται και ως εκ τούτου η θέση τους δεν είναι σταθερή. Ο ρυθμός δε της κίνησής τους ποικίλει, καθώς μπορεί να μιλούν στο κινητό και να κινούνται με τα πόδια ή να κινούνται με μεγάλη ταχύτητα (πχ να βρίσκονται μέσα σε αμάξι). Στο σύστημα GSM το δίκτυο χωρίζεται σε 5 περιοχές: Περιοχή GSM, PLMN, MSC, Location Area και στα κελιά. 9

10 Η περιοχή GSM είναι η συνολική περιοχή στην οποία μπορεί να εξυπηρετηθεί ένας κινητός συνδρομητής GSM, είναι εν ολίγοις όλη η γεωγραφική περιοχή των χωρών που χρησιμοποιούν το GSM. Το επόμενο επίπεδο είναι η περιοχή εξυπηρέτησης PLMN. Μπορεί να υπάρχουν αρκετές σε μία χώρα και αντιστοιχούν ουσιαστικά στους παρόχους. Η διασύνδεση μεταξύ διαφορετικών δικτύων και διαφορετικών παρόχων γίνεται μέσω Πυλών MSC. Το επόμενο επίπεδο είναι η περιοχή εξυπηρέτησης ενός MSC, το οποίο εξυπηρετεί μία ευρύτερη περιοχή και μέχρι 124 σταθμούς βάσης με την τρέχουσα τεχνολογία. Στη συνέχεια περνάμε στην πιο στενή περιοχή η οποία εξυπηρετείται από έναν ελεγκτήρα σταθμού βάσης (BSC) και αποτελείται από μέχρι τρεις σταθμούς βάσης και τελικά καταλήγουμε στην δομική χωρική μονάδα του GSM που είναι το κανονικό εξάγωνο (κελί). Ανάλογα με την ιδιαιτερότητα του γεωγραφικού αναγλύφου και την πυκνότητα οίκησης της εκάστοτε περιοχής διαμορφώνεται και η σχεδίαση του δικτύου, σύμφωνα με τις εκτιμήσεις του τηλεπικοινωνιακού μηχανικού. Καθοριστικός παράγοντας είναι η σωστή τοποθέτηση των κεραιών ώστε να μπορεί να εξυπηρετηθεί κάθε χρήστης της περιοχής κάλυψης και να αποφευχθούν φαινόμενα ραδιοσκιάς. 10

11 Κεφάλαιο 1: Αρχιτεκτονική δομή κυψελωτών δικτύων κινητής τηλεφωνίας Εισαγωγή Το πρώτο κεφάλαιο έχει ως στόχο του να φέρει σε επαφή τον αναγνώστη με την τριεπίπεδη αρχιτεκτονική δομή του GSM. Στις ενότητες που περιλαμβάνονται δίνεται η φιλοσοφία της δομής, η ανάλυση των λειτουργικών οντοτήτων που περιλαμβάνει το κάθε ένα από τα διακριτά επίπεδα του GSM και ο τρόπος με τον οποίο διασυνδέονται και επικοινωνούν οι οντότητες και κατ' επέκταση τα επίπεδα. 1.1 Δομή δικτύου Ο λόγος που μιλούμε για τριεπίπεδη αρχιτεκτονική δομή του δικτύου GSM είναι γιατί διακρίνονται τρια διακριτά επίπεδα τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με συγκεκριμένες τυποποιημένες διεπαφές και περιλαμβάνουν μία σειρά λειτουργικών οντοτήτων. Τα τρια αυτά επίπεδα είναι ονομαστικά: Το υποσύστημα σταθμού βάσης (BSS- Base station subsystem), το υποσύστημα μεταγωγής (NSS) και στο υποσύστημα διαχείρισης (OSS). Ενα δίκτυο GSM περιλαμβάνει τις εξής λειτουργικές μονάδες: τον κινητό συνδρομητή (MS), τον σταθμό βάσης (BTS), τον ελεγκτήρα σταθμού βάσης (BSC), την μονάδα TRAU, το ψηφιακό κέντρο (MSC), την HLR, τη VLR και την EIR, το OMC, το NMC, το AuC. Μαζί διαμορφώνουν ένα public land mobile network (PLMN). Σχήμα 1.1: Δομή και οντότητες GSM 11

12 Οι οντότητες που αποτελούν το GSM είναι λίγο πιο αναλυτικά: MS (Μobile Station - κινητός σταθμός ) Η κινητή μονάδα είναι ο εξοπλισμός του χρήστη στο GSM. Είναι για την ακρίβεια το κομμάτι του GSM με το οποίο έρχεται σε άμεση επαφή ο χρήστης. Αποτελείται από δυο οντότητες, τον εξοπλισμό του χρήστη, δηλαδή το κινητό τηλέφωνο και την κάρτα SIM. Η κάρτα SIM, είναι ένα μικροchip που ο χρήστης εισάγει στην τηλεφωνική συσκευή GSM. Αποτελεί μία database στην πλευρά του χρήστη. Η SIM επικοινωνεί απευθείας με την VLR και έμμεσα με την HLR. Το GSM διακρίνει μεταξύ της ταυτότητας του χρήστη και αυτής του τεχνολογικού εξοπλισμού. Εκτός από κλήσεις εκτάκτου ανάγκης ένα τηλέφωνο GSM δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τηλέφωνο χωρίς την κάρτα SIM. BTS (Base Transceiver Station - Σταθμός Βάσης) Οι σταθμοί βάσης περιλαμβάνουν κυρίως τον ασυρματικό εξοπλισμό (δηλ. Πομπούς και δέκτες). Είναι πολυάριθμοι και τοποθετούνται σε βέλτιστα σημεία προκειμένου να εξυπηρετήσουν τους χρήστες κινητής τηλεφωνίας. Τα σημεία αυτά μπορεί να είναι σοφίτες, υπόγεια ή ακόμα ακόμα και κιβώτια. Η λειτουργία τους που συνοπτικά είναι η διαβίβαση της σηματοδοσίας και της ομιλίας και ελέγχονται από τους Ελεγκτές Σταθμού Βάσης. BSC (Base Station Controller - Ελεγκτής Σταθμού Βάσης) Κάθε Ελεγκτής Σταθμού Βάσης, μπορεί να ελέγχει έναν αριθμό από Σταθμούς Βάσης (BTS). Αναλαμβάνει τις διαδικασίες για την αποκατάσταση μία κλήσης, την ενημέρωση για την τρέχουσα τοποθεσία που βρίσκεται ο χρήστης και την μεταγωγή σε άλλο MSC. MSC (Mobile Switching Center - Ψηφιακό Κέντρο) Είναι ουσιαστικά ένας ISDN διακόπτης που διαχειρίζεται τους κινητούς συνδρομητές. Το κύριο καθήκον του είναι η μεταγωγή μεταξύ BSC MSC και άλλων GSM συστημάτων ή και άλλων δικτύων εκτός GSM (πχ. PSTN). MSC και BSC συνδέονται μέσω μία Α-διεπαφής. GMSC (Gateway MSC) Σύνδεση με άλλα PLMN και με το PSTN HLR (Home Location Register - βάση δεδομένων προέλευσης) Στην HLR βρίσκονται αποθηκευμένα τα μόνιμα στοιχεία κάθε συνδρομητή, δηλαδή ο αριθμός ταυτότητας του συνδρομητή, οι υπηρεσίες στις οποίες έχει πρόσβαση, η προτεραιότητά του, ο αριθμός περιαγωγής του και η πληροφορία για το πού βρίσκεται προσωρινά ο συνδρομητής. OMC (Operation Management Center- κέντρο διαχείρισης λειτουργίας) Σκοπός του OMC είναι να προσφέρει στον πελάτη οικονομικά αποδοτική υποστήριξη για τις κεντρικές, περιφερειακές και τοπικές λειτουργίες διαχείρισης και συντήρησης ου απαιτούνται για το δίκτυο. 12

13 NMC (Network Management Center- κέντρο διαχείρισης δικτύου) Το NMC παρέχει παγκόσμια και κεντρικοποιημένη διαχείρηση για λειτουργίες και υποστήριξη για τα δίκτυα που υποστηρίζονται από OMC και είναι υπεύθυνo για την τοπική διαχείριση του δικτύου. TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit- μονάδα επανακωδικοποίησης και προσαρμογής ρυθμού) Ρόλος της μονάδας είναι η συμπίεση και αποσυμπίεση της πληροφορίας. Συνήθως βρίσκεται μεταξύ του BSC και του MSC VLR (Visitor Location Register - βάση δεδομένων επισκεπτών) Η VLR συνδέεται με ένα ή περισσότερα MSC. Αποθηκεύει προσωρινά πληροφορίες για όλους τους χρήστες που βρίσκονται εντός της περιοχής κάλυψης ενός MSC σαν επισκέπτες. Οι πληροφορίες ανανεώνονται με την ενημέρωση για αλλαγή τοποθεσίας του χρήστη. Τα στοιχεία αυτά είναι μέρος των στοιχείων που βρίσκονται μόνιμα αποθηκευμένα στην HLR και περιλαμβάνουν δικαιώματα σε σχέση με τη χρήση των υπηρεσιών και την πληροφορία σε ποιά περιοχή βρίσκεται ο συνδρομητής και με ποιά προσωρινή ταυτότητα. EIR (Equipment Identity Register- βάση δεδομένων ταυτότητας εξοπλισμού) Είναι ένα μη υποχρεωτικό μητρώο. Ο λόγος ύπαρξής του είναι να αποθηκεύει τις διάφορες IMEI από τους κινητούς συνδρομητές. AuC (Authentication Center - Κέντρο Ελέγχου Δικαιώματος) Ελέγχει την ταυτότητα του χρήστη και προστατεύει το απόρρητο των συνδιαλέξεων από τη μεριά του σταθερού δημοσίου δικτύου. Ελέγχει επίσης αν η συσκευή από ή προς την οποία γίνεται η κλήση είναι νόμιμη (ενδέχεται για παράδειγμα να έχει κλαπεί). 1.2 Υποσυστήματα του GSM Οι λειτουργικές μονάδες που αναφέρθηκαν συνοπτικά πιο πάνω οργανώνονται σε τρια επίπεδα όπως αναφέρθηκε (ή κατά κάποιες τυποποιήσεις τέσσερα). Ένα σύστημα GSM λοιπόν, είναι απότοκο του συνδυασμού τριων βασικών υποσυστημάτων, του υποσυστήματος Σταθμού Βάσης (BSS ή Ραδιοδικτύου), του επιπέδου Μεταγωγής (NSS) και του επιπέδου Διαχείρησης (OMS). Ως τέταρτο επίπεδο σε κάποιες τυποποιήσεις μπορεί να θεωρηθεί ο κινητός συνδρομητής, συγκεκριμένα διακρίνεται το υποσύστημα κινητού σταθμού (Mobile Subsystem-MS) Προκειμένου να διασφαλιστεί οτι οι διαχειριστές του Δικτύου θα έχουν διαθέσιμες τις υποδομές του δικτύου, αποφασίστηκε να διασαφηνιστούν όχι μόνο οι διεπαφές αέρα, αλλά και οι διεπαφές που προσδιορίζουν διαφορετικά κομμάτια. Υπάρχουν τρεις βασικές διεπαφές, μία μεταξύ του Ψηφιακού Κέντρου (MSC) και του Ελεγκτή Σταθμού Βάσης (BSC), μία A-bis διεπαφή μεταξύ του BSC και του και του Σταθμού Βάσης (BTS) και μία Um διεπαφή μεταξύ του BTS και της συσκευής του χρήστη (MS). 13

14 Το υποσύστημα BSS ελέγχει τη δρομολόγηση των ραδιοδιαύλων προς το MSC όμως δεν έρχεται απευθείας σε επαφή με τα εξωτερικά δίκτυα. Οι κινητοί σταθμοί, το BSS υποσύστημα και το NSS υποσύστημα διαμορφώνουν το λειτουργικό μέρος του συστήματος GSM. Το υποσύστημα OΜS παρέχει τα μέσα σε έναν τηλεπικοινωνιακό φορέα, ώστε να ελέγχει και να διαχειρίζεται το σύστημα GSM. Ακολουθεί λεπτομερέστερη ανάλυση της λειτουργίας των παραπάνω υποσυστημάτων Κινητός Σταθμός (MS) και κάρτα SIM Ένας συνδρομητής χρησιμοποιεί τον κινητό σταθμό για να πραγματοποιήσει και να λάβει κλήσεις μέσω ενός δικτύου GSM. Το MS αποτελείται από δυο διαφορετικές λειτουργικές οντότητες, την κάρτα SIM που είναι μοναδική για κάθε συνδρομητή και τον κινητό εξοπλισμό (mobile equipment-me) που είναι ουσιαστικά η τηλεφωνική συσκευή. Το τηλέφωνο GSM και η κάρτα SIM αποτελούν τα μόνα στοιχεία του συστήματος GSM με τα οποία ο κινητός συνδρομητής έρχεται σε άμεση επαφή. Λειτουργικά, ο κινητός εξοπλισμός μπορεί να διαχωριστεί περαιτέρω σε τρεις δομές. Η πρώτη δομή είναι ο τερματικός εξοπλισμός (terminal equipment TE) που πραγματοποιεί συγκεκριμένες λειτουργίες που σχετίζονται με μία υπηρεσία, δεν χειρίζεται λειτουργίες που έχουν να κάνουν με το σύστημα GSM. Η δεύτερη οντότητα είναι ο τερματισμός κινητής μονάδας (mobile termination MT) που εκτελεί όλες τις λειτουργίες που σχετίζονται με τη μετάδοση πληροφορίας. Η τρίτη οντότητα τέλος, είναι ο τερματικός προσαρμογέας (terminal adapter TA) που χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει συμβατότητα μεταξή του MT και του ΤΑ. Γενικά χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι κινητών σταθμών. Οι τρεις κυριότεροι είναι: Vehicle-mounted: Συσκευές τοποθετημένες σε ένα όχημα. Η κεραία της συσκευής βρίσκεται τοποθετημένη εξωτερικά του οχήματος. Portable: Πρόκειται για φορητές συσκευές, που μπορούν να τοποθετούνται και σε όχημα. Αυτού του είδους οι συσκευές υποστηρίζουν όλα τα επίπεδα ενέργειας που απαιτεί το σύστημα. Hand-held: Φορητές συσκευές, όπου η κεραία είναι φυσικά συνδεδεμένη με τη συσκευή. Έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε εύκολα να μετακινούνται μαζί με το χρήστη. Είναι πλέον η πιο συνηθισμένη κατηγορία τερματικών. Όσον αφορά στη λειτουργικότητα του κινητού εξοπλισμού και το ποια στοιχεία είναι προαιρετικά, τα πιο σημαντικά στοιχεία είναι τα εξής: Δυνατότητα DTMF Υπηρεσία μικρών μηνυμάτων (SMS) Διαθεσιμότητα των αλγορίθμων κρυπτογράφησης Α5/1 και Α5/2 Δυνατότητα επίδειξης μικρών μηνυμάτων, κληθέντων αριθμών και διαθεσίμων PLMN Υποστήριξη κλήσεων εκτάκτου ανάγκης, ακόμη και χωρίς SIM Εντωματωμένη IMEI 14

15 Η κάρτα SIM Η κάρτα SIM είναι ένα ένα μικροτσίπ το οποίο έχει μέγεθος μικρότερο από μία πιστωτική κάρτα και χρησιμοποιείται από τον συνδρομητή για να προσωποποιήσει τον εξοπλισμό του. Η κάρτα SIM έχει μία περιοχή μη-πτητικής μνήμης που χρησιμοποιείται για την αποθήκευσει πληροφορίας που ταυτοποιεί τον συνδρομητή και περιλαμβάνει τη μοναδική ταυτότητα IMSI του χρήστη, μέσω της οποίας προσδιορίζονται στοιχεία όπως η χώρα προέλευσης, το δίκτυο στο οποίο είναι συνδρομητής, καθώς και το οικείο του δίκτυο, ή αλλιώς το δίκτυο βάσης του. Η κάρτα SIM περιλαμβάνει επίσης το μυστικό κλειδί Ki που πιστοποιεί τον χρήστη, τον αλγόριθμο πιστοποίησης Α3 και τον αλγόριθμο κλειδιού κρυπτογράφησης Α8. Οι παράμετροι που σχετίζονται με τη γλώσσα, επίσης βρίσκονται αποθηκευμένες στην κάρτα SIM. Πέρα από αυτά τα στοιχεία που περιλαμβάνονται υποχρεωτικά στην κάρτα, υπάρχουν και κάποια τα οποία αποθηκεύονται προαιρετικά, κατά τις επιταγές του λειτουργικού συστήματος, του συνδρομητή, ή του δικτύου. Πιο αναλυτικά τα περιεχόμενα που αποθηκεύονται στην κάρτα SIM απεικονίζονται στον παρακάτω πίνακα. Δίπλα από τα δεδομένα υπάρχει ένας δείκτης που προσδιορίζει το εάν τα δεδομένα είναι προαιρετικά ή όχι κι εάν οι τιμές τους αλλάζουν. Συγκεκριμένα έχουμε τους δείκτες: m= mandatory (υποχρεωτικό), o=optional (προαιρετικό) f=fixed (δεδομένη τιμή) v=αλλάζει η αξία Πίνακας 1.1: Δεδομένα που αποθηκεύονται στην κάρτα Μνήμης Δεδομένα Λεπτομέρειες Δεδομένα που σχετίζονται με την ασφάλεια Αλγόριθμοι Α3 και Α8 (m/f) Απαραίτητοι για πιστοποίηση και προσδιορισμό Kc Κλειδί Ki (m/f) Γνωστό από SIM και HLR Κλειδί Kc (m/v) Αποτέλεσμα Α8, Ki και τυχαίου αριθμού CKSN (m/v) Αριθμός κλειδιού κρυπτογράφησης Δεδομένα διαχείρισης PIN/PIN2 (m/v) Αριθμός πιστοποίησης απο χρήστη PUK/PUK2 (m/f) Ξεμπλοκάρει τη SIΜ Πίνακας λειτουργιών SIM (m/f) Λίστα προαιρετικών λειτουργιών Τελευταίος αριθμός που εκλήθη (o/v) Επανάκληση Μετρητής φόρτισης (m/v) Γλώσσα (m/v) Δεδομένα συνδρομητή 15

16 IMSI (m/f) International Mobile Subscriber identity MSISDN (o/f) Αριθμός καταλόγου συνδρομητή Access control classes (m/f) Για έλεγχο πρόσβασης δικτύου Δεδομένα περιαγωγής (roaming) ΤMSI (m/v) Temporary mobile subscriber identity Αξία του Τ3213 (m/v) Για ενημέρωση τοποθεσίας Κατάσταση ενημέρωσης τοποθεσίας Είναι απαραίτητο; LAI (m/v) Location area information Network Color Codes (NCC) απαγορευμένων PLMN (m/v) Μέγιστο 4 PLMN μπορούν να εισαχθούν σε SIM μετά από αποτυχημένη ενημέρωση τοποθεσίας NCC προτιμώμενων PLMN (o/v) Η πρώτη PLMN επιλογή εάν το οικείο δεν είναι διαθέσιμο Δεδομένα PLMN NCC, Mobile Country Code (MCC), Mobile Προσδιορισμός δικτύου Network Code (MNC) του οικείου PLMN (m/f) Αριθμός καναλιών συχνοτήτων (ARFCN) του οικείου PLMN (m/f) Συχνότητες λειτουργίας οικείου PLMN Το επίπεδο ραδιοδικτύου (BSS) Το επίπεδο ραδιοδικτύου περιλαμβάνει τον εξοπλισμό (κεραιοσύστημα, φορητές συσκευές, γραμμές μεταφοράς) τη γεωγραφική περιοχή, το ασύρματο κανάλι και τις λειτουργίες που σχετίζονται με: end-to-end calls, διαχείριση συνδρομητών, κινητικότητα, διεπαφή με το PSTN καθώς και τη διαχείριση των handovers. Στο επίπεδο αυτό έχουμε την παραμετροποίηση των κεραιών, το RF μοντέλο κάλυψης, τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα και τις διάφορες απώλειες των γραμμών μεταφοράς και προσαρμογής. Μέσω της διεπαφής αέρα, το BSS προσφέρει μία σύνδεση μεταξύ των χρηστών μία περιορισμένης περιοχής και του NSS. Το BSS αποτελείται από τα εξής στοιχεία: Ένα ή περισσότερους BTS Ένα BSC Ένα TRAU MS (κινητοί συνδρομητές) // Παραδοσιακά σταχειολογείται ως μέρος του επιπέδου ραδιοδικτύου, μπορεί παρ' όλα αυτά να θεωρηθεί και ξεχωριστό επίπεδο, όπως περιγράφηκε 16

17 στην αμέσως προηγούμενη ενότητα Ο Σταθμός Βάσης BTS Ο Σταθμός βάσης παρέχει τη φυσική σύνδεση μίας φορητής συσκευής με το δίκτυο μέσω μίας διεπαφής αέρα. Από την άλλη, ο Σταθμός Βάσης συνδέεται με τον Ελεγκτή Σταθμού Βάσης μέσω μίας διεπαφής Abis. Οι κατασκευαστές των BTS κατάφεραν να μειώσουν αισθητά το μέγεθός του, παρ όλα αυτά η δομή του δεν έχει τροποποιηθεί από το 1991 και μετά. Οι συστάσεις του GSM επιτρέπουν σε ένα BTS να φιλοξενεί πάνω από 16 πομποδέκτες, παρ όλα αυτά η πλειοψηφία των BTS φιλοξενούν 1-4 πομποδέκτες. Ο βασικός ρόλος του BTS είναι να μεταδίδει και να λαμβάνει ραδιοσήματα από και προς μία κινητή μονάδα μέσω μίας διεπαφής αέρα. Για να εκτελέσει αυτή του την λειτουργία, τα σήματα κωδικοποιούνται, κρυπτογραφούνται, πολυπλέκονται, διαμορφώνονται και στη συνέχεια μεταφέρονται από και προς το κεραιοσύστημα α Αρχιτεκτονική και Λειτουργικότητα BTS Ένας BTS αποτελείται από τα εξής στοιχεία: Πομποδέκτες (TRX- Transceiver) Ενισχυτές Ισχύος Πολυπλέκτης Duplexer Κεραία Μονάδες επεξεργασίας σήματος Οι κατασκευαστές των BTS έχουν καταφέρει με την πάροδο των χρόνων να μειώσουν αισθητά το μέγεθός τους καθιστώντας πιο εύκολη την τοποθέτησή τους σε διάφορα σημεία. Σήμερα το μέγεθός τους προσιδιάζει σε αυτό ενός κουτιού αλληλογραφίας. Παρ' όλα αυτά η βασική δομή του δεν έχει αλλάξει. Οι συστάσεις του GSM επιτρέπουν σε ένα BTS να φιλοξενεί πάνω από 16 πομποδέκτες, πρακτικά όμως οι περισσότεροι φιλοξενούν από έναν μέχρι τέσσερις. Οι πομποδέκτες (TRX) από μεριάς επεξεργασίας του σήματος, είναι το σημαντικοτερο στοιχείο του BTS. Αποτελούνται από χαμηλόσυχνα μέρη για ψηφιακή επεξεργασία σήματος και ένα μέρος υψηλής συχνότητας για GMSK διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση. Τα δυο μέρη συνδέονται μέσω μίας μονάδας frequency hopping. Όλα τα μέρη του BTS σχετίζονται με τους πομποδέκτες και έχουν πιο βοηθητικό ρόλο. Η μονάδα λειτουργίας και διατήρησης (operations and maintenance module- O&M) αποτελείται από τουλάχιστον μία κεντρικήμονάδα, που ελέγχει όλα τα μέρη ενός BTS. Γι' αυτό το λόγο είναι απευθείας συνδεδεμμένη με το BSC μέσω ενός αφιερωμένου Ο&Μ καναλιού. Αυτό επιτρέπει στη συγκεκριμένη μονάδα να επεξεργάζεται τις εντολές από το BSC ή το MSC απευθείας στο BTS και να αναφέρει το αποτέλεσμα. Τυπικά η κεντρικήμονάδα συμπεριλαμβάνει το λειτουργικό που σχετίζεται με τους πομποδέκτες. Επιπλέον η μονάδα Ο&Μ παρέχει μία διεπαφή 17

18 ανθρώπου-μηχανής (human- machine interface HMI) που επιτρέπει τοπικό χειρισμό του BTS. Οι μονάδες για παραγωγή και διανομή ρολογιού είναι επίσης μέρος της περιοχής O&M. Παρ' ότι η τάση είναι να αντληθεί το ρολόι αναφοράς από το PCM σήμα στην A-bis διεπαφη, η παραγωγή ενός εσωτερικού ρολογιού στο BTS είναι υποχρεωτική. Είναι απαραίτητο ειδικά σε περιπτώσεις που το BTS θα δοκιμαστεί αποκομένος σε ένα περιβάλλον χωρίς σύνδεση σε BSC ή όταν το PCM ρολόι δεν είναι διαθέσιμο λόγω σφάλματος στη σύνδεση. Παρ' όλα αυτά η παραγωγή ρολογιού από την σηματοδοσία PCM έχει το πλεονέκτημα οτι το εσωτερικό ρολόι είναι πολύ φθηνότερο, διότι δεν απαιτείται η ίδια μακροχρόνια σταθερότητα όπως σε μία ανεξάρτητη γεννήτρια ωρολογιακών παλμών. Όταν αναλύονται λάθη στη διαχείριση κλήσεων, κυρίως στις περιπτώσεις handover, ακόμα και μικρές αποκλίσεις από το ρολόι πρέπει να θεωρηθούν ως πιθανοί υπαίτιοι για το λάθος. Στο GSM απαιτείται όλοι οι πομποδέκτες ενός BTS να χρησιμοποιούν τους ίδιους παλμούς ρολογιού. Φίλτρα Εισόδου και Εξόδου: Και τα δυο χρησιμοποιούνται για να μειώσουν το εύρος του λαμβανόμενου και του εκπεμπόμενου σήματος. Το φίλτρο εισοδου είναι ένα μη προσαρμοσμένο wide-band φίλτρο που επιτρέπει να περνούν όλες οι συχνότητες του συστήματος στην uplink κατεύθυνση. Αντίθετα, wideband ή απομακρυσμένου χειρισμού φίλτρα χρησιμοποιούνται στην downlink κατεύθυνση και έτσι περιορίζεται το εύρος του εξερχόμενου σήματος στα 200kHz. Όταν είναι απαραίτητο το κέντρο O&M ελέγχει τις ρυθμίσεις των φίλτρων, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση αλλαγής συχνότητας. Ο εκάστοτε Σταθμός Βάσης εξυπηρετεί μία κυψέλη και ελέγχεται από έναν Ελεγκτή Σταθμού Βάσης (BSC). Τυπικά ένας Σταθμός Βάσης μπορεί να διαχειριστεί 3-5 ραδιοδιαύλους (radio carriers?), εξυπηρετώντας κάπου μεταξύ ταυτόχρονες κλήσεις β Μορφή BTS Διαφορετικές διαμορφώσεις των BTS θα πρέπει να χρησιμοποιούνται ανάλογα με το φορτίο, τη συμπεριφορά των συνδρομητών τη δομή του εδάφους, έτσι ώστε να επιτευχθεί βέλτιστη ραδιοκάλυψη μίας περιοχής. Οι πιο γνωστές και ευρέως χρησιμοποιούμενες μορφές είναι οι εξής: Κανονική Μορφή Σε κάθε BTS αποδίδεται μία ταυτότητα κελιού (cell identity- CI). Ένας αριθμός από BTS ή και ένα μόνο του διαμορφώνουν μία περιοχή. Τα συστήματα δεν είναι τέλεια συγχρονισμένα συνήθως, κάτι που αποτρέπει τη συγχρονισμένη μεταπομπή (handover) μεταξύ τους. Αυτή η μέθοδος είναι μια από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες. 18

19 Σχήμα 1.3: Κανονική μορφή BTS Umbrella Cell Διαμόρφωση Αποτελείται από ένα BTS με υψηλή ισχύ μετάδοσης και μία κεραία εγκατεστημένη ψηλά πάνω από το έδαφος που χρησιμεύει σαν ομπρέλα για έναν αριθμό από BTS μικρότερης ισχύος μετάδοσης και μικρότερης διαμέτρου. Κάτι τέτοιο αρχικά φαίνεται δυσλειτουργικό καθώς δεν επιτρέπει επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων λόγω παρεμβολής, παρ' όλα αυτά σε κάποιες ειδικές περιπτώσεις έχει κάποια ενδιαφέροντα πλεονεκτήματα και επιτρέπουν την ανακούφιση του δικτύου. Για παράδειγμα, όταν τα αυτοκίνητα κινούνται με γρήγορες ταχύτητες σε ένα δίκτυο με μικρά κελιά, χρειάζονται συνεχείς μεταπομπές για να μη διακοπεί η κλήση. Συνεπώς τα συνεχή handover δημιουργούν μία υπερσηματοδοσία. Παρ' όλα αυτά λόγω υψηλού φόρτου απαιτούνται μικρά κελιά. Η αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος απαιτεί και μικρά και μεγάλα κελιά και αυτή τη δυνατότητα τη δίνει η ομπρέλα. Για να μην υπερφορτωθεί το σύστημα μόνο ταχέως κινούμενοι χρήστες εξυπηρετούνται από την ομπρέλα. Αυτή η λύση, ελαφραίνει τα μικρά κελιά από το βάρος της σηματοδοσίας και επιτρέπει καλύτερη εξυπηρέτηση στους ταχέως κινούμενους χρήστες. Το BSC είναι αυτό που αποφασίζει από ποιά δομή θα εξυπηρετηθεί ο εκάστοτε χρήστης. 19

20 Σχήμα 1.4: Umbrella διαμόρφωση Τμηματοποιημένοι BTS Σε αυτή την περίπτωση ένας αριθμός από BTS 2 ή 3 τοποθετούνται σε ένα σημείο και οι κεραίες τους καλύπτουν μία περιοχή 180 ή 120 μοιρών αντίστοιχα. Συνήθως χρησιμοποιείται σε BTS με λίγους πομποδέκτες και χαμηλή ισχύ μετάδοσης. Όπως και η ομπρέλα χρησιμοποιείται σε αστικές περιοχές με μεγάλο φορτίο. Ένα ενδιαφέρον στοιχείο είναι οτι επιτρέπει τον άψογο συγχρονισμό μεταξύ των κελιών και την συγχρονισμένη μεταπομπή μεταξύ τους. Αυτή η δομή έχει ένα επιπλέον πλεονέκτημα: Με το να γίνει χρήση κελιών με γωνία 120 μοιρών επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων σε έναν τομέα που διαφορετικά θα προκαλούσε παρεμβολές. Σχήμα 1.5: Τμηματοποιημένοι BTS 20

21 Η διεπαφή μεταξύ του BTS και του BSC είναι μία A-bis διεπαφή Ελεγκτήρας Σταθμού Βάσης-BSC Ο BSC είναι το κέντρο του υποσυστήματος ραδιοδικτύου. Όπως περιγράφηκε είνει συνδεδεμένος με το ψηφιακό κέντρο από τη μία και με BTS από την άλλη. Ένας BSC μπορεί να συνδεθεί με πολλά BTS (εξαρτάται από τον κατασκευαστή) μέσω Abis διεπαφής. Από τεχνικής άποψης το BSC είναι ένα μικρός ψηφιακός κόμβος (digital exchange) με κάποιες προσθήκες. Το BSC δημιουργήθηκε ουσιαστικά ως οντότητα για να αποσυμφωρηθούν τα ψηφιακά κέντρα (MSC). Η δομή και οι λειτουργίες του BSC λοιπόν προέκυψαν ως αποτέλεσμα του σκοπού αυτού. Ο BSC κάνει τη διαχείριση των ραδιοπόρων του συστήματος για την περιοχή που βρίσκεται υπό τον έλεγχό του. Αναθέτει και απελευθερώνει συχνότητες και χρονοθυρίδες για όλες τις συσκευές στην περιοχή του. Ο BSC πραγματοποιεί τη μεταγωγή για συνδρομητές μεταξύ δυο BTS υπό τον έλεγχό του. Κάνει επίσης τις αλλαγές στον διαμοιρασμό συχνοτήτων στην περιοχή του για να ανταπεξέλθει το σύστημα στις απαιτήσεις κυρίως σε ώρες αιχμής. Ο BSC ελέγχει την ισχύ μετάδοσης για τα BSS και MS στην περιοχή του. Το ελάχιστο επίπεδο ισχύος για μία φορητή συσκευή μεταδίδεται μέσω του BCCH καναλιού. Από τον BSC εκπορεύονται τα κανάλια που είναι απαραίτητα για τον χρονικό και συχνοτικό συγχρονισμό. Μετράει επίσης την χρονική καθυστέρηση από τα λαμβανόμενα σήματα από τον κινητό συνδρομητή και τα σχετίζει με το ρολόι BTS. Αν το λαμβανόμενο σήμα δεν είναι επικεντρωμένο στην διατεθειμένη προς αυτό χρονοθυρίδα στο BTS, ο BSC μπορεί να κατευθύνει το BTS να ενημερώσει τη συσκευή έτσι ώστε να επιτευχθεί συγχρονισμός. Ο BSC ελέγχει το frequency hopping για όλα τα BTS και MS στην περιοχή του. Καθορίζει τη σειρά με την οποία θα αλλάξουν οι συχνότητες για κάθε BTS και στη συνέχεια ο BTS ενημερώνει το MS που βρίσκεται κάτω από την επιρροή του για τη νέα συχνότητα. Ο BSC μπορεί επίσης να κάνει συγκέντρωση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης για να μειώσει τον αριθμό των γραμμών μετάδοσηα από το BSC στα BTS. Αρχιτεκτονική και λειτουργίες του BSC Σχήμα 1.6: Αρχιτεκτονική και δομή BTS 21

22 Πίνακας Μεταγωγής Λόγω του οτι το BSC έχει την λειτουργία ενός μικρού ψηφιακού κόμβου η λειτουργία του είναι να μετάγει τα εισερχόμενα κανάλια στα σωστά εξερχόμενα κανάλια της Abis διεπαφής. Ο BSC λοιπόν έχει έναν διακόπτη μεταγωγής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κεντρικοποιημένο έλεγχο και για τη διασφάλιση της λειτουργικότητας. Τερματικά Στοιχεία Ελέγχου (TCE) Abis διεπαφής Η σύνδεση με το BTS επιτυγχάνεται μέσω των τερματικών στοιχείων ελέγχου Abis (TCE) που παρέχουν λειτουργίες ελέγχου για ένα BTS, λίγο εώς πολύ ανεξάρτητα από την κεντρική μονάδα BSC. Ο αριθμός των Abis TCE που μπορεί να περιλαμβάνει ένας BSC, εξαρτάται από τον αριθμό των BTS που μπορεί κατασκευαστικά να εξυπηρετήσει. Η διεπαφή A-bis (τα Abis TCE) είναι υπεύθυνη για τη μεταφορά κίνησης και σηματοδοσίας μεταξύ του BTS και του BSC, το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά των πληροφοριών είναι το LAP (link access protocol) μέσα από το κανάλι D (LAPD). Ανάλογα με τον κατασκευαστή τα Abis TCE μπορεί εκτός των άλλων να είναι υπεύθυνα για τη διαχείριση των ραδιοπόρων των BTS. Αυτό συνεπάγεται την ανάθεση και ελευθέρωση καναλιών κίνησης και σηματοδοσίας μέσω των διεπαφών Abis και αέρα για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων από το BTS σχετικά με τα ανενεργά και τα απασχολημένα κανάλια που είναι σημαντικά για τον έλεγχο ισχύος και χρησιμοποιούνται στη λήψη αποφάσεων για handovers. Ο τελικός έλεγχος λειτουργικότητας παραμένει στον BSC αν και το GSM επιτρέπει μία προεπεξεργασία των μετρήσεων από το BTS. Τερματικά στοιχεία ελέγχου διεπαφής Α. Η σύνδεση μεταξύ ενός BSC κι ενός MSC επιτυγχάνεται μέσω A-TCE. Αν και μόνο ένα BSC συνδέεται με ένα MSC, ένας μεγάλος αριθμός από A-TCE απαιτείται για την υποστήριξη της διεπαφής Α, μιάς και το φορτίο αλλά και η πλειοψηφία της σηματοδοσίας του επιπέδου διεξάγονται μέσω της διεπαφής αυτής. Βάση Δεδομένων Ο ελεγκτήρας σταθμού βάσης είναι το κέντρο ελέγχου για το υποσύστημα ραδιοδικτύου. Για το λόγο αυτό διατηρεί μία αρκετά μεγάλη βάση δεδομένων η οποία διαχειρίζεται την κατάσταση του δικτύου, την ποιότητα των ραδιοπόρων, των χερσαίων πόρων και ούτο καθ' εξής. Επιπροσθέτως, η βάση δεδομένων του BSC περιλαμβάνει το πλήρες λογισμικό λειτουργιών του BTS για όλα τα συνδεδεμένα BTS και όλες τις συγκεκριμένες πληροφορίες για το BSS όπως οι συχνότητες που έχουν αντιστοιχηθεί. Κεντρική Μονάδα Μία από τις κύριες λειτουργίες του BSC είναι να αποφασίσει πότε πρέπει να συμβεί Handover. Το ΒSC μπορεί να αποφασίσει για ένα handover εντός του BTS ή του BSC χωρίς να χρειαστεί να μεσολαβήσει ο MSC. Αντίθετα για όλα τα handover που γίνονται εκτός BSC, απαιτείται η εμπλοκή του ΜSC. Η απόφαση για τα handover και ο έλεγχος ισχύος είναι οι βασικές λειτουργίες της κεντρικής μονάδας. 22

23 Σύνδεση στο OMC Μία άλλη λειτουργία που διάφοροι κατασκευαστές αποφάσισαν να αναθέσουν στην κεντρική μονάδα είναι να δημιουργεί σύνδεση με το OMC. Κάθε BSS ελέγχεται και διαχειρίζεται από ένα OMC μέσω του BSC TRAU (Transcoding Rate and Adaptation Unit) Ένα σημαντικό στοιχείο του Επιπέδου Ραδιοδικτύου, που κατά την GSM αρχιτεκτονική θεωρείται κομμάτι του BTS είναι η TRAU που βρίσκεται μεταξύ BSC και MSC. Το καθήκον της TRAU είναι να συμπιέζει και να αποσυμπιέζει την ομιλία μεταξύ του MS και της TRAU. Η χρησιμοποιούμενη μέθοδος ονομάζεται regular pulse excitation-long term prediction (RPE-LTP). Μπορεί να συμπιέσει την ομιλία από τα 64Kbps στα 16Kbps σε κανάλι πληρους ρυθμού και σε 8Kbps σε κανάλι ημίσεως ρυθμού. Η TRAU δεν χρησιμοποιείται όταν γίνεται ανταλλαγή δεδομένων. Επιλογή θέσης για την εγκατάσταση της TRAU Αν και η συμπίεση ομιλίας χρησιμοποιείται κυρίως για την εξοικονόμηση πόρων για τη διεπαφή αέρα, είναι επίσης χρήσιμη για να περιορίσει το κόσμος της γραμμής όταν εφαρμόζεται σε επίγειες γραμμές. Όταν η TRAU εγκαθίσταται στη μεριά του MSC ένα κανάλι πλήρους ρυθμού χρησιμοποιεί μόνο 16Kbps πάνω από τη σύνδεση μεταξύ BSC-MSC. Επιτρέπεται επίσης η εγκατάσταση της TRAU μεταξύ BTS-BSC όμως σε αυτή την περίπτωση απαιτείται η χρήση καναλιών ταχύτητας 64Kbps μεταξύ BSC-MSC και ως εκ τούτου τη χρήση περισσότερων γραμμών. Η δομή αυτή χρησιμοποιείται σπάνια καθώς με την εγκατάσταση κοντά στην MSC επιτρέπεται η καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση των πλεονεκτημάτων της συμπίεσης. Σχήμα 1.7: Πιθανές θέσεις της TRAU 23

24 Σχέση μεταξύ της TRAU και του BSS Η TRAU λειτουργικά σχετίζεται με το BSS ανεξάρτητα από του που θα επιλεγεί να τοποθετηθεί. Και ο σταθμός βάσης αλλά και η TRAU έχουν μία διεπαφή για το φορτίο που είναι φανερή στον BSC. Το φορτίο τοποθετείται σε πλαίσια TRAU και στη συνέχεια στέλνεται μέσω γραμμών PCM μεταξύ της TRAU και του BTS με διάρκεια πλαισίου 20ms. Οι πληροφορίες που περιλαμβάνονται στα πλαίσια αυτά σχηματίζουν τις εισερχόμενες και εξερχόμενες αξίες για την κωδικοποίηση καναλιού. Για συνδέσεις δεδομένων η λειτουργία κωδικοποίησης πρέπει να σταματά. Ο τύπος της σύνδεσης κοινοποιείται στην TRAU κατά τη διάρκεια ανάθεσης καναλιών κίνησης. Στο ακόλουθο σχήμα, ο BTS ξεκινά να μεταδίδει πλαίσια TRAU στο uplink, αμέσως μόλις λάβει το μήνυμα CHAN_ACT. Αυτά τα πλαίσια φέρουν σηματοδοσία που ανταλλάσσεται μεταξύ BTS-TRX (συγκεκριμένα της μονάδας κωδικοποίησης) και της TRAU για να ρυθμίσουν τα χαρακτηριστικά μία σύνδεσης. Μέρος της πληροφορίας που ανταλλάσσεται έχει να κάνει με τον συγχρονισμό δεδομένων, την ασυνεχή μετάδοση (DTX) on/off και τον τύπο της σύνδεσης (halfrate/fullrate). Σημειώνεται εδώ οτι τα πλαίσια TRAU μεταφέρονται μέσω καναλιών κίνησης και όχι καναλιών ελέγχου και είναι πολύ σημαντικά για ανάλυση λαθών σε συνδέσεις δεδομένων. Σχήμα 1.8: Ενεργοποιήσεις της TRAU Το επίπεδο Μεταγωγής (NSS) Το ΝSS έχει τον κεντρικό ρόλο σε κάθε δίκτυο κινητών επικοινωνιών. Ενώ το BSS παρέχει την πρόσβαση για τους χρήστες, τα διάφορα στοιχεία που συμπεριλαμβάνονται στο NSS έχουν την ευθύνη για όλες τις λειτουργίες που απαιτούνται για να εγκατασταθούν οι κλήσεις 24

25 χρησιμοποιώντας στοιχεία όπως η κρυπτογράφηση, η πιστοποίηση και η περιαγωγή. Για να πραγματοποιήσει τις λειτουργίες του το NSS απότελείται από τις ακόλουθες οντότητες: MSC (ψηφιακό κέντρο) HLR (home location register) VLR (visitors location register) EIR (equipment identity register) Τα υποσυστήματα συνδέονται άμεσα ή έμμεσα μέσω του δικτύου SS7. Η τοπολογία του NSS είναι πιο ελαστική από την ιεραρχική δομή του BSS. Ένας αριθμός MSC για παράδειγμα μπορεί να χρησιμοποιεί μία κοινή VLR, η χρήση της EIR δεν είναι επιβεβλημένη και ο αριθμός των συνδρομητών καθορίζει και τον αριθμό των HLR. Σχήμα 1.9: NSS HLR (Home Location Register) και AuC (Authentication Center) Κάθε πάροχος κινητής τηλεφωνίας χρειάζεται πρόσβαση σε τουλάχιστον μία HLR σαν μόνιμο αποθηκευτικό χώρο δεδομένων. Η HLR είναι ουσιαστικά μία μεγάλη βάση δεδομένων με χρόνους πρόσβασης που πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότεροι. Όσο πιο γρήγορη είναι η απάντηση από τη βάση δεδομένων τόσο πιο γρήγορα αποκαθίσταται η κλήση. Στην HLR αποθηκεύονται και διατηρούνται συγκεκριμένες παράμετροι που αφορούν στον εκάστοτε χρήστη. Κάθε συνδρομητής ανατίθεται σε μία συγκεκριμένη και μόνη HLR που λειτουργεί σαν σημείο αναφοράς όπου βρίσκεται αποθηκευμένη η πληροφορία για την προσωρινή τοποθεσία του χρήστη. Για να μειωθεί το φορτίο στην HLR εισήχθη η VLR για να χειρίζεται κάποιες από τις αιτήσεις των χρηστών. Λόγω της κεντρικής λειτουργίας της HLR και της ευαισθησίας των αποθηκευμένων δεδομένων, είναι κρίσιμο να γίνει κάθε δυνατή προσπάθεια για να αποφευχθούν διακοπές ή 25

26 απώλεια πληροφοριών συνδρομητών Οι πληροφορίες που διατηρεί η HLR μπορούν να χωριστούν σε δυο κατηγορίες, στη στατική (μόνιμη) πληροφορία και στη δυναμική (προσωρινή). Οι πληροφορίες που αποθηκεύονται μόνιμα στην HLR είναι: Ο αριθμός του συνδρομητή (MSN), η ταυτότητα IMSI που ταυτοποιεί τον συνδρομητή, πληροφορίες χρέωσης, πληροφορίες για το ποιές υπηρεσίες είναι διαθέσιμες στον συνδρομητή, το κλειδί της αυθεντικοποίησης. Η δυναμική πληροφορία που αποθηκεύεται είναι ουσιαστικά ο τρέχοντας location area code που αντιστοιχεί στο MSC (και κατ' επέκταση στο VLR) στο οποίο μπορεί να συνδεθεί η συσκευή. Το κέντρο αυθεντικοποίησης (AuC) λογίζεται ως ένα εσωτερικό κομμάτι της HLR. Η βασική λειτουργία του AuC είναι να υπολογίζει και να παρέχει τις τριπλέτες πιστοποίησης, που είναι η υπογεγραμμένη απάντηση (SRES), ο τυχαίος αριθμός (RAND) και το Kc. Για κάθε συνδρομητή πάνω από πέντε τέτοιες τριπλέτες μπορεί να υπολογιστούν στη στιγμή και να σταλούν στην HLR. Η HLR προωθεί τις τριπλέτες στην VLR που τις χρησιμοποιεί σαν παραμέτρους εισόδου για πιστοποίηση και κρυπτογράφηση VLR (Visitor Location Register) H VLR όπως και η HLR είναι μία βάση δεδομένων, αλλά οι λειτουργίες της διαφέρουν από αυτές της HLR. Η VLR παρέχει δυναμική διαχείριση δεδομένων συνδρομητή. Για παράδειγμα στην περίπτωση ενός περιαγώμενου συνδρομητή, όπως κινείται από μία περιοχή σε μία άλλη, δεδομένα μετακινούνται μεταξύ της VLR που αφήνει ο συνδρομητής και της VLR της τοποθεσίας που εισέρχεται. Υπάρχουν και περιπτώσεις που η VLR της νέας περιοχής πρέπει να επικοινωνήσει με την HLR για επιπλέον πληροφορίες. Συγκεκριμένα, ο VLR ζητά πληροφορίες για το νέο κινητό σταθμό (MS) από τους HLR του δικτύου. Έτσι ο HLR εντοπίζει την καινούρια θέση του MS και η παλιά καταχώρηση του MS στον άλλο VLR θα ακυρωθεί. Για τον εκάστοτε κινητό σταθμό σε περιαγωγή εκτελείται μια διαδικασία εγγραφής, η οποία περιλαμβάνει τις παρακάτω ενέργειες: Ο VLR αναγνωρίζει ότι ο κινητός σταθμός προέρχεται από ένα άλλο PLMN δίκτυο, από διαφορετικό τηλεπικοινωνιακό φορέα. Εάν η περιπλάνηση επιτρέπεται, ο Καταχωρητής Θέσης Επισκεπτών (VLR) εντοπίζει τον Καταχωρητή Θέσης Οικίων (HLR) του κινητού σταθμού στο οικείο PLMN δίκτυο. Ο VLR κατασκευάζει έναν σφαιρικό τίτλο global title (GT) χρησιμοποιώντας δεδομένα από την ταυτότητα IMSI για να επιτραπεί η σηματοδοσία από τον VLR προς τον HLR του κινητού σταθμού μέσω των δικτύων PSTN ή ISDN. Ο VLR κατασκευάζει τον Αριθμό Περιαγωγής Κινητού Σταθμού Mobile Station Roaming Number (MSRN). O MSRN χρησιμοποιείται για τη δρομολόγηση των εισερχόμενων κλήσεων προς τον κινητό σταθμό. Ο MSRN στέλνεται στον HLR του οικείου δικτύου του κινητού σταθμού. Σε περίπτωση που επικοινωνεί χρήστης συστήματος GSM, με χρήστη PSTN η κλήση δρομολογείται πρώτα σε GMSC, το οποίο συμβουλευόμενο της HLR, δρομολογεί την κλήση στο σωστό MSC. 26

27 Ο VLR περιλαμβάνει πολλές και χρήσιμες πληροφορίες: τον αριθμό MSRN, την ταυτότητα TMSI, την περιοχή εντοπισμού στην οποία έχει εγγραφεί ο κινητός σταθμός και στοιχεία σχετικά με τις συμπληρωματικές υπηρεσίες. Περιλαμβάνονται ακόμα, αν βέβαια από τις εκάστοτε συνθήκες καταστεί υποχρεωτικό: ο αριθμός MS ISDN, η διεύθυνση του HLR ή ο GT, και η ταυτότητα IMSI. Ακόμη και όταν ο συνδρομητής είναι στην περιοχή που βρίσκεται η HLR του, η VLR είναι αυτή που χειρίζεται τα δυναμικά δεδομένα. Εδώ βλέπουμε και μία βασική διαφορά της HLR από τη VLR, ο ρόλος της VLR περιορίζεται σε αυστηρά γεωγραφικά πλαίσια, ενώ η HLR είναι ουσιαστικά ανεξάρτητη από τη γεωγραφική περιοχή, πράγμα λογικό αν αναλογιστούμε οτι δεν χειρίζεται δυναμικά δεδομένα. Τυπικά αλλά όχι απαραίτητα, η VLR συνδέεται με ένα μοναδικό MSC, παρ' όλα αυτά τα standards του GSM επιτρέπουν μία VLR να συνδέεται με περισσότερα του ενός MSC. Στον κάτωθι πίνακα φαίνονται τα σημαντικότερα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στη VLR και στην HLR. Πίνακας 1.2: Δεδομένα αποθηκευμένα στη VLR Παράμετρος HLR/AuC VLR Στοιχεία συνδρομητή IMSI Ki TMSI Περιορισμοί εξυπηρετησης Συμπλ. υπηρεσίες MSISDN (βασική) MSISDN (αλλη) Πιστοποίηση και κρυπρογράφηση Α3 Α5/Χ Α8 RAND πάνω από 5 τριπλέτες SRES πάνω από 5 τριπλέτες Kc πάνω από 5 τριπλέτες CKSN Τοποθεσία συνδρομητή/προώθηση κλήσης 27

28 Αριθμός HLR Αριθμός VLR Αριθμός MSC LAI IMSI MSRN LMSI Αριθμός handover Κέντρο Μεταγωγής Κινητών Επικοινωνιών- MSC (ψηφιακό κέντρο) Ο κύριος ρόλος του MSC είναι να διαχειρίζεται τις επικοινωνίες μεταξύ χρηστών GSM και άλλων χρηστών τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Η βασική λειτουργία μεταγωγής γίνεται από το MSC του οποίου οι βασικές λειτουργίες είναι να συντονίσει κλήσεις από και προς τους συνδρομητές. Το MSC έχει διεπαφές με το BSS από τη μία και από εξωτερικά δίκτυα (ISDN/PSDN κλπ) από την άλλη (ονομάζεται Gateway MSC). Κάθε MSC παρέχει υπηρεσίες σε συνδρομητές που βρίσκονται σε μία συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Είναι ουσιαστικά ένας τηλεφωνικός διακόπτης που εκτελεί όλες τις λειτουργίες μεταγωγής για συνδρομητές στην γεωγραφική περιοχή επιρροής του. Πρέπει επίσης να χειρίζεται διαφορετικούς τύπους αριθμών και ταυτοτήτων που σχετίζονται με τον ίδιο συνδρομητή και περιλαμβάνονται σε διαφορετικά μητρώα (IMSI, TMSI, κλπ). Γενικά οι ταυτότητες χρησιμοποιούνται στις διεπαφές μεταξύ MSC και συνδρομητών, ενώ οι αριθμοί στο σταθερό μέρος του δικτύου. Σχήμα 1.10: Ιεραρχία του NSS 28

29 Το άθροισμα των ψηφιακών κέντρων καθορίζει τη γεωγραφική περιοχή ενός PLMN. Ισοδύναμα, το PLMN μπορεί να θεωρηθεί ως η συνολική περιοχή που καλύπτεραι από BSS συνδεδεμένα σε MSC. Καθώς κάθε ψηφιακό κέντρο έχει τη δική του VLR, ένα PLMN θα μπορούσε να θεωρηθεί επίσης και το άθροισμα όλων των περιοχών VLR. Ας σημειώσουμε εδώ οτι μία VLR μπορεί να εξυπηρετεί περισσότερα από ένα ψηφιακά κέντρα, αλλά ένα ψηφιακό κέντρο χρησιμοποιεί μόνο μία VLR. Λειτουργίες του MSC Όπως αναφέρθηκε η βασική λειτουργία του είναι να συντονίζει την αποκατάσταση των κλήσεων μεταξώ GSM συνδρομητών και PSTN συνδρομητών. Συγκεκριμένα πραγματοποιεί τις εξής λειτουργίες: paging δυναμική κατανομή των πόρων εγγραφή τοποθεσίας κρυπτογράφηση Αλληλεπίδραση με διαφορετικά δίκτυα Διαχείριση handover Λειτουργίες χρέωσης για τους συνδρομητές στην περιοχή τουλάχιστον Ανακατανομή συχνοτήτων στο BTS για να αντεπεξέλθει στη ζήτηση Ανταλλαγή σημάτων σηματοδοσίας μεταξύ διαφορετικών επαφών Συγχρονισμός με BSS Πύλη εξόδου για SMS GMSC (Gateway MSC) Όταν το NSS πρέπει να δρομολογήσει μία κλήση προς ένα χρήστη GSM, η κλήση δρομολογείται αρχικά σε μία πύλη μεταγωγής που ονομάζεται Διαβιβαστικό κέντρο κινητής τηλεφωνίας (GMSC), χωρίς να υπάρχει κάποια a priori γνώση για το πού βρίσκεται ο καλούμενος συνδρομητής. Στην ουσία πρόκειται για έναν κόμβο που διασυνδέει κέντρα διαφορετικών δικτύων. Αποτελεί ουσιαστικά τη διεπαφή σύνδεσης ενός δικτύου GSM, με ένα άλλο δίκτυο GSM, με το PSTN δίκτυο κλπ. Οι GMSC πύλες είναι υπεύθυνες για την ανάκτηση πληροφοριών θέσης και για τη δρομολόγηση της κλήσης προς τα MSC. Οι πύλες GMSC έχουν ουσιαστικά το ίδιο hardware με τα MSC, αλλά πιο εμπλουτισμένο software. 29

30 EIR (Equipment Identity Register) Η ΕΙR είναι μία βάση δεδομένων που αποθηκεύει τις IMEI ταυτότητες όλων των κινητών μονάδων. Υπάρχει γενικά μία EIR ανά πάροχο, που συνδέεται με την HLR του. Η βάση δεδομένων αποθηκεύει πληροφορίες σχετικές με τη συσκευή και δεν έχει να κάνει με τον εκάστοτε συνδρομητή. Υπάρχουν τριων ειδών κατηγοριοποιήσεις από ταυτότητες αποθηκευμένες στην EIR. Υπάρχει η λευκή λίστα που περιλαμβάνει τις IMEI όσων έχουν συνδεθεί με συνδρομητές, η μαύρη λίστα που περιλαμβάνει τις IMEI κινητών που έχουν κλαπεί και η γκρι λίστα που περιλαμβάνει τις IMEI κινητών που έχουν αναφερθεί με πρόβλημα Επίπεδο Διαχείρησης (ΝMS) network management Subsystem Υποσύστημα διαχείρισης και λειτουργίας Ισχυρά συστήματα για τη διαχείριση του δικτύου είναι είναι ιδιαιτέρως σημαντικά για τους χειριστές δικτύου έτσι ώστε να μπορούν να αποδόσουν σε συγκεκριμένα επιθυμητά πλαίσια. Η χρήση κατάλληλου NMS έχει γίνει ένας καθοριστικός παράγοντας στην τεχνική και εμπορική επιτυχία. Μία καλά οργανωμένη διαχείριση δικτύου επιτρέπει γρήγορη αντίδραση και προσαρμογή στις διάφορες απαιτήσεις του τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Εφαρμογές του NMS περιλαμβάνουν την καταγραφή των δεδομένων χρήσης από τα MSC και χειρισμό περίπλοκων καταστάσεων όπως η επέκταση δικτύου και η διαχείριση των σφαλμάτων όλων του συστήματος. Τα μοντέρνα συστήματα διαχείρισης ενσωματώνουν τις επιχειρησιακές λειτουργίες των διαφόρων στοιχείων του δικτύου σε ένα κεντρικό σημείο. Έτσι είναι δυνατόν να ελεγχθεί η αλληλεπίδραση μεταξύ στοιχείων του δικτύου. Για παράδειγμα, το MSC μπορεί να παράσχει πληροφορία σχετικά με την κατάστασή τους (παράμετροι κίνησης, συναγερμοί, προειδοποιήσεις) και επιτρέπουν στον χειριστή στην κεντρική μονάδα να μπορέσει να επέμβει. Σε ένα δίκτυο με εκατοντάδες στοιχεία, ο ρόλος του συστήματος έχει να κάνει με την παροχή μίας ουσιαστικής επισκόπησης της κατάστασής του και με τη βελτίωση των λειτουργιών ελέγχου προκειμένου να επιτραπεί έγκαιρη παρέμβαση. Το NMS μπορεί να χωριστεί σε δυο κομμάτια, το πρώτο είναι η διαχείριση σε τοπικό επίπεδο και το δεύτερο σε εθνικό επίπεδο. Το OMC μπορεί να θεωρηθεί ο τοπικός διαχειριστής για το hardware και το software του δικτύου, καθώς διαχειρίζεται μόνο παραμέτρους που έχουν να κάνουν με το τοπικό δίκτυο. Μιάς και σ' ένα PLMN υπάρχουν κάποιοι operators, υπάρχουν και περισσότερες από μία ανεξάρτητες OMC. Ομοίως με την OMC, η NMC μπορεί να εκληφθεί ως ο συνολικός διαχειριστής του hardware και του software του συστήματος. Οι παράμετροι ελέγχου σε αυτή την περίπτωση συνδέονται με το συνολικό δίκτυο. Το κέντρο διαχείρισης και υποστήριξης (operations and maintenance center- OMC) είναι συνδεδεμένο με όλο τον εξοπλισμό στο NSS και με το BSC. Η εφαρμογή του OMC καλείται OSS. Παρακάτω απεικονίζεται το NMS 30

31 Σχήμα 1.11: ΝΜS OMC (Operation Management Center) Σκοπός του OMC είναι να προσφέρει στον πελάτη οικονομικά αποδοτική υποστήριξη για τις κεντρικές, περιφερειακές και τοπικές λειτουργίες διαχείρισης και συντήρησης ου απαιτούνται για το δίκτυο. Ο κύριος σκοπός του OMC είναι να πραγματοποιήσει όλες τις λειτουργίες διαχείρισης και διατήρησης σε στοιχεία του GSM PLMN sυστήματος. Με αυτή την έννοια παρέχει μία κεντρικοποιημένη επισκόπηση του συστήματος και υποστηρίζει τις λειτουργίες υποστήριξης διαφορετικών O&M οργανισμών. Το OMC χρησιμοποιεί ένα ξεχωρισμό Δίκτυο Διαχείρισης Τηλεπικοινωνιών (telecommunications management network- TMN) προκειμένου να επικοινωνήσει με τα διάφορα στοιχεία του συστήματος GSM. Αυτό συμβαίνει μέσω μισθωμένων γραμμών του PSTN ή άλλων σταθερών δικτύων. Τα μηνύματα και οι πληροφορίες που εκπορεύονται από το OMC μεταδίδονται μέσω του SS7 ή του X.25 πρωτοκόλλου. Κάποιες από τις βασικές λειτουργίες του OMC είναι: Διαχείριση Ασφαλείας Λειτουργίες Συντήρησης Διοίκηση και εμπορική εκμετάλλευση Διεπαφή Χ.25 Διαχείριση λαθών Διαχείριση Απόδοσης 31

32 Συλλογή κίνησης από το δίκτυο Διαχείριση συναγερμών Η δομή του OMC απεικονίζεται στο κάτωθι σχήμα: Σχήμα 1.12: OMC NMC (Network Management Center) Το NMC παρέχει παγκόσμια και κεντρικοποιημένη διαχείρηση για λειτουργίες και υποστήριξη για τα δίκτυα που υποστηρίζονται από OMC και είναι υπεύθυνα για την τοπική διαχείριση του δικτύου. Παρέχει διοικητική και εμπορική διαχείριση, διαχείριση ασφαλείας των εγκαταστάσεων και φυσική διαρήρηση. Είναι συνδεδεμένο με τα υποσυστήματα ενός παρόχου μέσω μισθωμένων γραμμών. Τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι οτι υπάρχει ένα μόνο NMC για κάθε δίκτυο, παρέχει διαχείριση της κίνησης για το δίκτυο, μπορεί να εκτελέσει τα καθόκοντα ενός ΟΜC, παρέχει στους σχεδιαστές του δικτύου χρήσιμες πληροφορίες για την απόδοσή του. Οι λειτουργίες που εκτελεί συνοψίζονται στα εξής: Παρέχει ολοκληρωμένη λειτουργία του δικτύου Ελέγχει το δίκτυο για συναγερμούς υψηλού επιπέδου Παρουσιάζει την κατάσταση των τοπικών δικτύων 32

33 Παρέχει ευρεία διαχείριση κίνησης στο δίκτυο Ελέγχει την κατάσταση των αυτομάτων ελέγχων που εφαρμόζονται στον δικτυακό εκοπλισμό σε κατάσταση υπερφόρτωσης Μπορεί να αναλάβει τη διαχείριση του τοπικού δικτύου Έχει υποστηρικτικό ρόλο στη σχεδίαση δικτύου 1.3 Οι διεπαφές και τα πρωτόκολλα του GSM Πρωτόκολλα Σχήμα 1.13: Πρωτόκολλα GSM Με χρήση του μοντέλου του OSI, το σύστημα μπορεί να περιγραφεί εάν θεωρήσουμε κάποια λειτουργικά επίπεδα διατεταγμένα σε μία ιεραρχική δομή. Αυτή η δομή αποτελείται από το φυσικό επίπεδο το επίπεδο συνδεσης δεδομένων και το 3ο επίπεδο, που αποτελεί ουσιαστικά το επίπεδο εφαρμογών. Το επίπεδο εφαρμογών αποτελείται από 3 υποεπίπεδα, το RR, το ΜΜ και το CM. Το RR σε συνδυασμό με το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων και το φυσικό επίπεδο, δίνουν τα μέσα για μία σημείο προς σημείο σύνδεση στην οποία μεταφέρονται τα μηνύματα ΜΜ και CM. Tο επίπεδο 2 παρέχει μία αφιερωμένη αξιόπιστη σύνδεση σηματοδοσίας μεταξύ MS και BS. Το πρωτόκολλό του βασίζεται στο link access procedure (LAP-D) του ISDN, αλλά προσαρμόστηκε για να λαμβάνει υπόψιν τους περιορισμούς που ειπεισέρχονται εξαιτίας της χρήσης ραδιοδρόμου. Χτησιμοποιείται επίσης στο BSS (μεταξύ BTS και BSC). Το κομμάτι μεταφοράς μηνυμάτων (Message Transfer Part- MTP) του SS7 χρησιμοποιείται στη διεπαφή BSC-MSC για να παράσχει αξιόπιστες υπηρεσίες σύνδεσης δεδομένων. Το ίδιο πρωτόκολλο (MTP1) υπάρχει και μεταξύ των ψηφιακών κέντρω, μεταξύ ψηφιακών κέντρων και HLR/AuC, AuC και GMSC, όπως επίσης και μεταξύ GMSC και PSTN. 33

34 Το επίπεδο τρια χωρίζεται σε τρια υποεπίπεδα όπως αναφέρθηκε. Το πρωτόκολλο RR παρέχει λειτουργίες ελέγχου για τη λειτουργία των κοινών αφιερομένων καναλιών. Το RIL3 RR πρωτόκολλο εγκαθιστά και απελευθερώνει ραδιοκανάλια μεταξύ του συνδρομητή και των διαφόρων BSC κατά τη διάρκεια μία κλήσης, ανεξάρτητα από την κινηση του χρήστη, παρέχει μετάδοση πληροφορίας για το σύστημα, ενδοκυτταρική αλλαγή καναλιών και ρύθμιση κρυπτογράφησης μεταξύ άλλων. Το πρωτόκολλο RSM παρέχει RR λειτουργίες μεταξύ BTS και BSC. Το DTAP πρωτόκολλο παρέχει RR μηνύματα μεταξύ συνδρομητή και ψηφιακού κέντρου. Το πρωτόκολλο BSSMAP παρέχει RR μηνύματα μεταξύ BSC και ψηφιακού κέντρου. Η διάκριση μεταξύ DTAP και BSSMAP δίνεται από μία μικρή κατανομή πρωτοκόλλων σε κατώτερα επίπεδα. Η διαχείριση της κινητικότητας, η οποία καθορίζει τη συνδιάλεξη μεταξύ συνδρομητή και δικτύου, έχει να κάνει με τη διαχείριση της τοποθεσίας του συνδρομητή και τις λειτουργίες ασφαλείας που είναι απαραίτητες. Το MM υποεπίπεδο επίσης παρέχει διαχείριση σύνδεσης στο CC υποεπίπεδο. Το υψηλότερο επίπεδα που βρίσκεται πάνω από το ΜΜ λέγεται CM. Το CM πρωτόκολλο ελέγχει εγκαθίδρυση κλήσεων end-to-end και γενικά όλες τις λειτουργίες που σχετίζονται με τη διαχείριση κλήσεων. To υποεπίπεδο CM περιλαμβάνει επίσης ορισμένες ανεξάρτητες οντότητες, όπως τα πρωτόκολλα SMS και SS. Όλα τα μηνύματα και οι διαδικασίες που απαιτούνται για να εγκαθιδρυθεί μία κλίση, να απολυθεί και η διαχείρηση των SS και SMS περιλαμβάνοντια σε αυτή την οντότητα. Συνεπώς, είναι δυνατόν να παρασχεθούν κάποιες υπηρεσίες σε κάποια χρονική στιγμή και να γίνονται εναλλαγές μεταξύ διαδορετικών υπηρεσιών. Το καθήκον εν ολίγους του επιπέδου εφαρμογών είναι να παράσχει τα μέσα για τα ακόλουθα: Την εγκαθίδρυση, λειτουργία και απόλυση του αφιερωμένου ραδιοκαναλού σύνδεσης (RR) Την ενημέρωση τοποθεσίας, πιστοποίηση και TMSI επανατοποθέτηση (MM) SS και SMS υποστήριξη Επιπλέον υπάρχουν και άλλα πρωτόκολλα όπως το MTP3 και το SCCP που χρησιμοποιούνται πάνω από το επίπεδο σύνδεσης δεδομένων μεταξύ ΒSC και ψηφιακού κέντρου, καθώς και μεταξύ ψηφιακών κέντρων και διαφόρων βάσεων δεδομένων. Το πρωτόκολλο TCAP που βρίσκεται πάνω από το SCCP, υποστηρίζει ποικίλες μεταφορές μεταξύ δυο κόμβων του δικτύου. To TCAP διαχειρίζεται τη μετάβαση από αρχή σε τέλος. Το πρωτόκολλο MAP χρησιμοποιείται μεταξύ MSC,VLR, HLR και AuC σε ένα ενα επίπεδο ανταλλαγής μηνυμάτων. Τα πρωτόκολλα αυτά προσδιορίζονται σαν MAP/C μέσω MAP/H. Για παράδειγμα το ακριβές πρωτόκολλο που χρησιμοποιείτια μεταξύ GMSC και HLR/AuC είναι το MAP/C Διεπαφές Οι διεπαφές που χρησιμοποιούνται στο GSM για να συνδέσουν τις διάφορες οντότητες και τα διάφορα επίπεδα μεταξύ τους είναι ονομαστικά οι: Um, Abis,A,B,C,D,E,F,G Σχηματικά: 34

35 Σχήμα 1.14: Διεπαφές του GSM MS BTS: Επικοινωνούν μέσω της ασύρματης διεπαφής Um (air interface) χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο (LAPDm) Link Access Protocol μέσω του καναλιού σηματοδοσίας D. BTS BSC: Επικοινωνούν μέσω της διεπαφής Abis, και της χρήσης του πρωτοκόλλου Link Access Protocol on the D channel (LAPD). BSC MSC: Επικοινωνούν μέσω της διεπαφής A και τη χρησιμοποίηση υποσύνολου του πρωτόκολλου σηματοδοσίας CCITT Διεπαφή Um Η διεπαφή Um είναι η διεπαφή που βρίσκεται μεταξύ του κινητού συνδρομητή και του BTS. Το φυσικό επίπεδο της Um διεπαφής χρησιμοποιεί τη δομή του TDMA πλαισίου που καθορίζεται από το GSM, ενώ το επίπεδο data link βασίζεται στο πρωτόκολλο LAPDm που προέρχεται από το LAPD. Πάνω από το LAPDm επίπεδο είναι το επίπεδο εφαρμογών που χωρίζεται σε τρια επίπεδα. Το υποεπίπεδο RR για το πρωτόκολλο μεταξύ του κινητού και του BSS που ελέγχει τη συνδεση. Το MM υποεπίπεδο μεταξύ του MS και του υποεπιπέδου δικτύου που χειρίζεται την κινητικότητα του συνδρομητή στο δίκτυο και τα υποεπίπεδα CC, SMS και SS χειρίζονται διαδικασίες που είναι απαραίτητες για την έναρξη υπηρεσιών όπως οι κλίσεις και τα SMS A-bis διεπαφή Είναι η διεπαφή μεταξύ BTS και BSC. Υπάρχουν τρεις εσωτερικές διαρθρώσεις. Πρώτον η λειτουργία ελέγχου βάσεως (Base Control Function-BCF) και ένα μονάδικό συνδυασμό TRX, δεύτερον μερικά TRX με μία μόνο φυσική σύνδεση με το BSC και τρίτον μερικά TRX καθένα εκ των οποίων έχει τη δική του φυσική σύνδεση. Εδώ τα TRX είναι λειτουργικές οντότητες που στηρίζουν οκτώ κανάλια του ίδιου TDMA πλαισίου. Το BCF είναι η λειτουργική οντότητα που 35

36 χειρίζεται λειτουργίες κοινού ελέγχου μέσα σε ένα σταθμό βάσης όπως το frequency hopping, εξωτερικοί συναγερμοί και αποθέματα ισχύος. Όπως αναφέρθηκε υπάρχουν τρια επίπεδα διεπαφών μεταξύ BTS και BSC, ονομαστικά το φυσικό επίπεδο, οι συνδέσεις σηματοδοσίας και το ανώτερο επίπεδο σηματοδοσίας. Το φυσικό επίπεδο ή μεταδίδει στα Kbps ή στα 64Kbps. Τέσσερα κανάλια ομιλίας των 16Kbps μπορούν να πολυπλεχθούν σε ένα 64Κbps. Το κύκλωμα κωδικοποίησης και προσαρμογής ρυθμού χρησιμοποιείται σε αυτή την περίπτωση σε μία διεπαφή μεταξύ BSC και ψηφιακού κέντρου για να μετατρέψει τα κανάλια των 16Kpbs σε ένα κανάλι ρυθμού μετάδοσης 64Kbps. Η διεπαφή σε αυτή την περίπτωση φέρει και τα κανάλια σηματοδοσίας και μετάδοσης φωνής στα 16 ή 64 Kbps. Το δεύτερο επίπεδο χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο LAPD. H διευθυνσιοδότηση των TRX και του BCF γίνεται χτησιμοποιώντας ξεχωριστά τερματικά προσδιορισμού τελικών σημείων (Terminal Endpoint Identifiers-TEIs) για κάθε TRX και BCF. Υπάρχουν τρεις λογικοί σύνδεσμοι μεταξύ BSC και MTS που έχουν διαφορετικά SAPI. Σύνδεσμος ραδιοσηματοδοσίας (Radio Signaling Link-RSL), SAPI=0, χρησιμοποιείται για διαχείριση κίνησης και υπάρχει μία γραμμή ανα TRX Σύνδεσμος λειτουργιών και διαχείρισης (Operations and management Link OML), SAPI=62. Χρησιμοποιείται για να υποστηρίξει διαδικασίες διαχείρισης δικτύου. Υπάρχει μία σύνδεση ανά TRX και BCF. Σύνδεσμος διαχείρισης επιπέδου 2, Layer 2 Management Link (L2ML0, SAPI=63, χρησιμοποιείται για μηνύματα διαχείρισης του δεύτερου επιπέδου σε TRX και BCF. Υπάρχει μία σύνδεση ανά TRX και BCF. Τα μηνύματα στο RSL για τη διαχείριση κίνησης μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις κατηγορίες: διαχείριση ραδιοσυνδέσμου, αφιερωμένο κανάλι διαχείρισης, κοινό κανάλι διαχείρισης και διαχείριση TRX. Το σύνολο των μηνυμάτων για τον ραδιοσύνδεσμο υποστηρίζουν την εγκαθίδρυση, τη χρήση και την απόλυση των συνδέσεων σηματοδοσίας των διεπαφών. Τα μηνύματα που είναι διακριτά από το BTS επίσης ανήκουν σε αυτό το σύνολο. Τα μηνύματα που ανήκουν στο γκρουπ διαχείρισης του αφιερωμένου καναλιού χειρίζονται τα μηνύματα που χρησιμοποιούνται για τη διαχείριση των ραδιοκαναλιών που έχουν ανατεθεί σε έναν συγκεκριμένο χρήστη, για παράδειγμα, ενεργοποίηση καναλιού, πιστοποίηση. Τα μηνύματα διαχείρισης κοινού καναλιού είναι αυτά που χρησιμοποιούνται από τα κανάλια κοινού ελέγχου, όπως, τυχαία πρόσβαση και paging από και προς τον κινητό συνδρομητή. Τα μηνύματα διαχείρισης TRX είναι αυτά που χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν πληροφορία σε ένα TRX. Δεν υπάρχει άμεση σύνδεση μεταξύ BTS και OMC, όλα τα μηνύματα από το OMC πάνε πρώτα στο BSC και στη συνέχεια δρομολογούνται στο BTS. Ο&Μ μηνύματα για το επίπεδο 3 στην A-bis διεπαφή μπορούν να διαχωριστούν σε 3 γκρουπ, ονομαστικά, Ο&Μ, μηνύματα διεπαφής ΜΜΙ και TRU O&M. Τα Ο&Μ διαμορφωμένα μηνύματα μεταφέρουν εντολές, απαντήσεις, αναφορές και αρχεία. Τα μηνύματα αυτά φτάνουν σε πολλά πλαίσια στο επίπεδο δυο και στη συνέχεια στέλνονται στο επίπεδο τρια. Τα μηνύματα διεπαφής ΜΜΙ εγκαθιστούν την διάφανη μεταφορά μηχανισμών στην A-bis διεπαφή. Τα μηνύματα TRU O&M είναι αυτά που επιτρέπου στο BSC να ελέγχει απομακρυσμένα TRU μέσω της διεπαφής A-bis. 36

37 Α διεπαφή Μία διεπαφή μεταξύ MSC και BSC που συνδέονται μέσω του φυσικού επιπέδου, η οποία μεταδίδει δεδομένα χρησιμοποιώντας ένα ή περισσότερα Kbps συστήματα μετάδοσης. Ένα κανάλι δεδομένων σηματοδοσίας χρησιμοποιείται για την εγκαθίδρυση μία κλήσεως, το handover και την απελευθέρωση της κλήσης. Τα πρωτόκολλα του επιπέδου εφαρμογών του BSS μεταδίδουν μόνο RR και O&M μηνύματα. Ο έλεγχος της κλήσης και τα μηνύματα διαχείρισης κινητικότητας περνάνε κατευθείαν από τον συνδρομητή στο ψηφιακό κέντρο. Τα μηνύματα επιπέδων κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες: Μηνύματα DTAP (Direct Transfer Application Part Μηνύματα BSSMAP (BS System Management Application Part Μηνύματα BSS O&M (BS System Operation and Maintenance) Το BSSAP χειρίζεται δυο γκρουπ σηματοδοσίας. Τα μηνύματα DTAP περνάνε κατευθείαν μεταξύ MS και MSC χωρίς να περνάνε μέσα από το BTS/BSC. Τα μηνύματα αυτά έχουν να κάνουν με τον έλεγχο κλήσεων και τη διαχείριση της κινητικότητας. Τα μηνύματα BSSMAP περνάμε μέσα από τα BSC/BTS και εκτελεί λειτουργίες όπως η διαχείριση πόρων και ο έλεγχος του handover. Τέλος τα μηνύματα BSS O&M χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν λειτουργίες και διαχείριση πληροφορίας πάνω από την Α διεπαφή Άλλες διεπαφές Η διεπαφή Β είναι η διεπαφή μεταξύ του MSC και του VLR Η διεπαφή C είναι η διεπαφή μεταξύ MSC και HLR. Χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο MAP για να ληφθεί και να αποθηκευτεί πληροφορία στην HLR. Γίνεται επίσης χρήση του πρωτοκόλλου TCAP για τον διάλογο μεταξύ δυο οντοτήτων του δικτύου. Η διεπαφή D μεταξύ VLR και HLR χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο MAP για μεταφορά, ακύρωση ή τροποποίηση πληροφορίας σε σχέση με συνδρομητές Η διεπαφή Ε μεταξύ δυο MSC χρησιμοποιεί τα πρωτόκολλα ISUP και ΜAP( για ενδοmsc handover και SMS). Η διεπαφή F μεταξύ MSC και EIR, χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο MAP για να αποκτήσει την ταυτότητα ΙΜΕΙ από την EIR. Η διεπαφή G μεταξύ δυο VLR, χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο MAP για να υποστηρίξει μεταφορά πληροφορίας που σχετίζεται με συνδρομητή μεταξύ δυο VLR. Η διεπαφή H μεταξύ HLR και ΑuC είναι εσωτερική διεπαφή και χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο MAP. Η διεπαφή Μ μεταξύ BSC και TRAU είναι επίσης εσωτερική και μετατρέπει με κωδικοποίηση το bit rate της Α διεπαφής (64kbps) σε αυτό της Α-bis (16kbps). 37

38 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό εξετάστηκε η τριεπίπεδη αρχιτεκτονική δομή του GSM. Αναλύσαμε διεξοδικά τα τρια επίπεδα καθώς και το τέταρτο επίπεδο αυτό του κινητού συνδρομητή. Αναφέραμε και εξετάσαμε διεξοδικά τις λειτουργικές οντότητες οι οποίες αποτελούν το σύστημα και το κάθε επίπεδο καθώς και τις λειτουργίες τις οποίες επιτελούν, τη διασύνδεσή τους και την σχεδίαση ανάλογα με τους τύπους των συστημάτων και τις ανάγκες τις οποίες καλούνται να εξυπηρετήσουν. Στο τέλος αναφερθήκαμε στα πρωτόκολλα και στις διεπαφές που χρησιμοποιεί το σύστημα. Εν ολίγοις στο κεφάλαιο αυτό παραθέσαμε μία πλήρη σύνοψη της δομής ενός κινητού τηλεπικοινωνιακού συστήματος, δομημένου κατά τα πρότυπα του GSM. 38

39 Κεφάλαιο 2: Ανάλυση παραμέτρων σχεδίασης δικτύου Εισαγωγή Το ασύρματο τηλεπικοινωνιακό κανάλι είναι το κυρίως μέρος ενός ασύρματου τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Ο ρόλος του είναι καθοριστικής σημασίας στον σχεδιασμό και στον χαρακτηρισμό ενός συστήματος από μεριάς απόδοσης. Το ασύρματο τηλεπικοινωνιακό κανάλι δημιουργείται στον ελεύθερο χώρο και μέσω αυτού διαδίδεται το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που μεταφέρει την πληροφορία. Η μεταφορά του κύματος μέσω του ελεύθερου χώρου μπορεί να γίνει με μία ποικιλία τρόπων που εξαρτώνται άμεσα από το περιβάλλον διάδοσης. Η ασύρματη διάδοση ραδιοκυμάτων τόσο σε εσωτερικό όσο και σε εξωτερικό χώρο, είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη διαδικασία λόγω του οτι η συντομότερη διαδρομή μεταξύ πομπού και δέκτη συνήθως παρεμποδίζεται από τοίχους, κτίρια, ορεινούς όγκους ή άλλα αντικείμενα μικρού ή μεγάλου μεγέθους. Κατά συνέπεια η ισχύς λήψης των σημάτων στον δέκτη είναι αισθητά μειωμένη σε σχέση με την ισχύ που θα είχαμε εάν δεν υπήρχαν εμπόδια, καθώς το σήμα εξασθενεί ακολουθώντας διάφορες διαδρομές. Πέραν των φυσικών εμποδίων που συμβάλλουν στην εξασθένιση του σήματος, έχουμε και την εξασθένιση που οφείλεται στην απόσταση πομπού-δέκτη και δεν έχει να κάνει με την παρουσία εμποδίων. Η ύπαρξη δηλαδή ραδιοδρόμου μετάδοσης από μόνη της, δημιουργεί περιορισμούς σε σχέση με τα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Ο τύπος του μονοπατιού μετάδοσης ποικίλει, από ένα απλό LOS (οπτική επαφή) μονοπάτι, μέχρι ένα μονοπάτι με πολλά εμπόδια. Σε αντίθεση με τα ενσύρματα δίκτυα που είναι στατικά και προβλέψιμα, εδώ υπάρχει μεγάλη τυχαιότητα στη συμπεριφορά των καναλιών. Εκτός των άλλων και η ταχύτητα κίνησης επηρεάζει τα επίπεδα του σήματος λήψης όταν έχουμε κίνηση συνδρομητή. Θεωρητικά θα περίμενε κανείς οτι η στάθμη του σήματος σε μία δεδομένη απόσταση από τον πομπό θα ήταν η ίδια για κάθε χρονική στιγμή, όμως κάτι τέτοιο δεν ισχύει. Η λαμβανόμενη ισχύς ποικίλει για διαφόρους λόγους. Δυο από τους σημαντικότερους είναι: Σκίαση (shadowing)- απόσβεση λόγω μεγάλων εμποδίων Διαλείψεις (fading)- μεταβολές μικρής χρονικής κλίμακας που οφείλονται στο περιβάλλον και στο φαινόμενο της πολυδιόδευσης. Η σκίαση και οι διαλείψεις, μαζί με τις απώλειες λόγω απόστασης, συνιστούν τα είδη των απωλειών και των παραμορφώσεων που υφίσταται ένα εκπεμπόμενο σήμα. Υπάρχουν διάφορα μοντέλα που έχουν προταθεί για την πρόβλεψη των απωλειών που υφίσταται το σήμα κατά τη διάρκεια της διάδοσής του τα οποία αναφέρονται και εξετάζονται στο παρόν κεφάλαιο. Εκτός όμως από τα μοντέλα, υπάρχουν και διάφορες άλλες παράμετροι που πρέπει ένας τηλεπικοινωνιακός μηχανικός να έχει κατά νου όταν σχεδιάζει ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό δίκτυο οι οποίες θα εξεταστούν στο παρόν κεφάλαιο. 39

40 2.1 Γεωγραφική περιοχή κάλυψης και RF μοντέλα Τα μοντέλα διάδοσης εξωτερικού χώρου χρησιμεύουν για τον υπολογισμό της στάθμης της λαμβανόμενης ισχύος στην κεραία του δέκτη ή σωστότερα για την πρόβλεψη της στάθμης του σήματος. Τα μοντέλα που υπολογίζουν το path loss διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, από τη μία είναι τα ντετερμινιστικά και από την άλλη τα εμπειρικά/στατιστικά. Η μετάδοση ραδιοσήματος εξαρτάται από το περιβάλλον διάδοσης το οποίο χωρίζεται σε τρεις βασικές κατηγορίες: το αστικό (urban), το ημιαστικό (suburban) και το αγροτικό- ύπαιθρος (rural) που χαρακτηρίζονται τοιουτοτρόπως βάσει των κατοίκων τους και της πυκνότητας κατοίκησής τους. Στα μεγάλα αστικά κέντρα η γεωγραφική περιοχή χαρακτηρίζεται ως αστική, το συνδρομητικό φορτίο εκεί είναι πυκνό, οι μικρότερες πόλεις που είναι πιο αραιοκατοικημένες ή και τα χωριά χαρακτηρίζονται ως ημιαστικές περιοχές, ενώ οι ανοιχτές γεωγραφικές περιοχές είναι αραιοκατοικημένες. Ο διαχωρισμός αυτός είναι ιδιαίτερα σημαντικός κατά τη διαδικασία του σχεδιασμού του κυτταρικού δικτύου, καθώς καταδεικνύει ποιά μοντέλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό. Η μετάδοση του σήματος σε ένα σύστημα κινητών επικοινωνιών συχνά λαμβάνει χώρα σε μη φυσιολογικό έδαφος. Το προφίλ της εκάστοτε περιοχής πρέπει να ληφθεί υπόψιν κατά τον σχεδιασμό για να εκτιμηθούν οι απώλειες ραδιοδρόμου. Το εδαφικό προφίλ μπορεί να ποικίλει από μία απλή καμπύλωση της γης, μέχρι ένα πολύ ορεινό προφίλ με μεγάλους ορεινούς όγκους. Η παρουσία δέντρων και κτιρίων πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψιν. Μία σειρά μοντέλων που προβλέπουν το ύψος της λαμβανόμενης ισχύος έχουν αναπτυχθεί για διάφορα εδαφικά προφίλ και για μοντέλα εξωτερικού χώρου. Κατηγορίες μοντέλων ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης: Μοντέλα Διάδοσης μεγάλης κλίμακας (Large scale path loss/propagation models) Τα μοντέλα που προβλέπουν τη μέση ισχύ σήματος για αυθαίρετη απόσταση πομπού-δέκτη λέγονται μοντέλα διάδοσης μεγάλης κλίμακας και χρησιμεύουν στην περιγραφή της περιοχής ραδιοκάλυψης ενός πομπού (απόσταση μερικών εκατοντάδων ή και χιλιάδων μέτρων). Τα μοντέλα αυτά εμπεριέχουν απώλειες διάδοσης (μεταβολή της εξασθένισης συναρτήσει της απόστασης και της σκίασης). Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα μοντέλα Longley- Rice και Okumura Μοντέλα διάλειψης ή μικρής κλίμακας (fading models) Η διάλειψη μικρής κλίμακας χρησιμοποιείται για να περιγράψει γρήγορες διακυμάνσεις του πλάτους και της φάσης ενός ραδιοσήματος σε σύντομη χρονική περίοδο ή απόσταση έτσι ώστε να μπορεί να αγνοηθεί το path loss μεγάλης κλίμακας (απόσταση μέτρα σε εξωτερικό χώρο). Η διάλειψη προκαλείται από παρεμβολή ανάμεσα σε δυο ή περισσότερες εκδοχές του μεταδιδόμενου σήματος που φτάνουν στο δέκτη σε ελαφρώς διαφορετικούς χρόνους και με διαφορά φάσης. Τα κύματα αυτά ονομάζοντια κύματα πολλαπλής διαδρομής και συνδυάζονται στην κεραία για να δώσουν ένα συνιστάμενο σήμα. Στα μοντέλα διάδοσης μικρής κλίμακας θα αναφερθούμε διεξοδικά στο 3ο κεφάλαιο. 40

41 Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρατίθενται αναλυτικά τα περισσότερα από τα διαθέσιμα μοντέλα διάδοσης ραδιοσήματος ανοικτού χώρου (RF μοντέλα), ένα εκ των οποίων καλείται ο τηλεπικοινωνιακός μηχανικός να διαλέξει, προκειμένου να προσδιορίσει με σχετική ακρίβεια τις απώλειες, βάσει της γεωγραφικής περιοχής για την οποία προορίζεται η σχεδίαση και των ιδιαιτεροτήτων της Free Space Propagation Model (μοντέλο ελευθέρου χώρου) Το μοντέλο ελεύθερου χώρου χρησιμοποιείται για να προβλέψει την ισχύ του λαμβανόμενου σήματος, όταν ο πομπός και ο δέκτης έχουν μία καθαρή οπτική επικοινωνία (LOS) όπως πχ συμβαίνει στα δορυφορικά συστήματα επικοινωνίας. Όπως συμβαίνει με τα περισσότερα μακροσκοπικά (large scale) μοντέλα, το μοντέλο αυτό προβλέπει οτι η λαμβανόμενη ισχύς μειώνεται σαν συνάρτηση της απόστατης πομπού και δέκτη. Η λαμβανόμενη ισχύς υπολογίζεται από τον τύπο του Friis, όπου ο δείκτης r προσδιορίζει τα μεγέθη στον δέκτη και ο δείκτης t τα μεγέθη στον πομπό. Η εξίσωση του Friis δείχνει οτι τα επίπεδα της λαμβανόμενης ισχύος πέφτουν ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης που χωρίζει τον δέκτη από τον πομπό. Οι απώλειες ραδιοδρόμου (path loss) αναπαριστούν την εξασθένιση του σήματος σαν μία ποσόσητα μετρημένη σε db και ορίζονται ως η διαφορά μεταξύ της ακτινοβολούμενης προς την λαμβανόμενη ισχύ και μπορεί να περιλαμβάνει ή να μην περιλαμβάνει τα κέρδη των κεραιών. To μοντέλο του Friis για τον ελεύθερο χώρο ισχύει για τον υπολογισμό της λαμβανόμενης ισχύος μόνο όταν βρισκόμαστε στο μακρινό πεδίο της κεραίας το οποίο καθορίζεται από την εξίσωση 41

42 όπου D η μεγαλύτερη φυσική διάσταση της κεραίας και df η απόσταση Fraunhofer. Εναλλακτικά η μέση εξασθένιση σήματος δίνεται από τον τύπο: L (db)= logd + 20logf Για την περιοχή των 900MHz η σχέση τροποποιείται ως εξής: L(dB) = 91, logd To μοντέλο ελευθέρου χώρου αποτελεί το βασικό θεωρητικό μοντέλο για τον υπολογισμό της απώλειας οδεύσεως. Για την εφαρμογή του θεωρούμε ιδανική περιοχή, χωρίς γεωγραφικούς περιορισμούς και εμπόδια. Αποτελεί το μοντέλο αναφοράς για όλα τα υπόλοιπα Λογαριθμικής απόστασης (log-distance path loss model) Η απώλεια οδεύσεως υπολογίζεται αναλογικά με το λογάριθμο της απόστασης. Εισάγεται ένας παράγοντας που εκφράζει φαινόμενα τυχαίας σκίασης προς βελτίωση του μοντέλου. Τόσο οι θεωρητικοί υπολογισμοί όσο και τα πειράματα έδειξαν οτι η μέση λαμβανόμενη ισχύς του ληφθέντος σήματος, μειώνεται λογαριθμικά σε σχέση με την απόσταση. Οι μέσες απώλειες ραδιοδρόμου για μία αυθαίρετη απόσταση πομπού-δέκτη, σαν συνάρτηση της απόστασης αυτής με χρήση ενός εκθέτη απόσβεσης n, δίνονται από τον τύπο: Όπου: n, o εκθέτης απόσβεσης d, η απόσταση εκπομπής λήψης d0, η απόσταση αναφοράς, η οποία θεωρούμε οτι εισάγει γνωστή εξασθένιση στο ωφέλιμο σήμα και έχει προσδιοριστεί με μετρήσεις που έχουν γίνει κοντά στον πομπό και πάντα στο μακρινό πεδίο της κεραίας. Ο εκθέτης απόσβεσης n, δείχνει τον ρυθμό με τον οποίο οι απώλειες αυξάνονται συναρτήσει της απόστασης και εξαρτάται από το περιβάλλον μετάδοσης. Για παράδειγμα στον ελεύθερο χώρο 42

43 έχουμε n=2 και όταν υπάρχουν εμπόδια η τιμή του n, αυξάνεται. Πίνακας 2.1: Συντελεστής απόσβεσης συναρτήσει του περιβάλλοντος διάδοσης Περιβάλλον Συντελεστής Απόσβεσης n Ελεύθερος χώρος Αστική περιοχή Σκιασμένη αστική περιοχή Ενδοκτηριακό LOS 2 2,7 3, ,6 1,8 Ενδοκτηριακό με εμπόδια 4 6 Εντός εργοστασίου με εμπόδια 2 3 Το μοντέλο που παρετέθη, παραγνωρίζει το γεγονός οτι το περιβάλλον διάδοσης μπορεί να είναι ριζικά διαφορετικό ανά περιοχή. Αυτό οδηγεί πολλές φορές σε μετρήσεις πολύ διαφορετικές σε σχέση με τη θεωρητική πρόβλεψη της εξίσωσης. Οι μετρήσεις έχουν δείξει οτι σε κάθε τιμή του d, οι απώλειες ραδιοδρόμου (path losses Lp(d) ) σε μία συγκεκριμένη περιοχή είναι τυχαίες και η κατανομή που ακολουθούν είναι η κατανομή log-normal. Συνεπώς η σχέση τροποποιείται ως εξής: Όπου ο όρος Χσ στμβολίζει Gaussian τυχαία μεταβλητή (εκφρασμένη σε db), μηδενικής μέσης τιμής και απόκλισης σ (επίσης σε db), και είναι αποτέλεσμα της διακύμανσης που μπορεί να παρουσιάσει η μέση εξασθένηση, αιτιολογώντας έτσι τον χαρακτηρισμό log-normal της κατανομής. Η επιλογή του είναι αποτέλεσμα εμπειρικών μετρήσεων και εξαρτάται από την περιοχή επικοινωνίας και τη μορφολογία εδάφους. Συνήθως παίρνει τιμές της τάξεως των 6-10dB ή και μεγαλύτερες Μοντέλο Επίπεδης γήινης επιφάνειας (Plane earth) Το μοντέλο αυτό θεωρεί επίπεδη επιφάνεια εδάφους χωρίς εμπόδια και ανυψώσεις με πεπερασμένη αγωγιμότητα. Πρόκειται για ιδανική περίπτωση. Αποτελεί μοντέλο βάσης σύγκρισης όπως και το μοντέλο ελευθέρου χώρου για άλλα μοντέλα. Η μέση εξασθένιση για λειτουργία στην περιοχή των 900MHz και ύψος κεραίας συνδρομητή 1,5m από το έδαφος, δίνεται από τη σχέση: 43

44 L= logh +40logD (db) Παρατηρούμε οτι για D= h/17 έχουμε ισοδυναμία με το μοντέλο ελευθέρου χώρου Μοντέλο Okumura Είναι ένα από τα πιο διαδεδομένα μοντέλα για πρόβλεψη της στάθμης σήματος λήψης σε αστικές περιοχές με υψηλή κτιριακή δόμηση. Αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται για συχνότητες από 150 εως 1920 MΗz για αποστάσεις από 1-100km και για ύψη κεραίας m. Στο μοντέλο αυτό ανάλογα με την περιοχή πρόβλεψης έχουμε τη διαίρεση σε κατηγορίες περιοχών. Έχουμε λοιπόν την ανοιχτή περιοχή, την ημιαστική και την αστική. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιεί ως βάση την αστική περιοχή και υπάρχουν διάφοροι παράγοντες που προστίθενται για να μπορούν τα αποτελέσματα να αναχθούν στην ανοιχτή και την ημιαστική περιοχή. Το γενικό μοντέλο έχει ως εξής: L50 (db)= LF + Amu(f,d) -G(hte) G(hre) - GAREA όπου, L50 είναι η μέση τιμή του path loss Lf οι απώλειες ελευθέρου χώρο G(hte) είναι ο παράγοντας κέρδους του ύψους της κεραίας του σταθμού βάσης G(hre) είναι ο παράγοντας κέρδους ύψους της κεραίας του κινητού συνδρομητή και το GAREA είναι το κέρδος σύμφωνα με τον τύπο του περιβάλλοντος. Ο Okumura ανέπτυξε ένα σύνολο από καμπύλες που δίνουν τη μέση εξασθένιση σχετικά με τον ελεύθερο χώρο σε μία αστική περιοχή με οιωνεί ομαλό έδαφος με ένα ενεργό ύψος κεραίας του BTS στα 200m και ύψος κεραίας συνδρομητή στα 3m. Αυτές οι καμπύλες αναπτύχθηκαν μετά από σειρά υπολογισμών και μετρήσεων όπου χρησιμοποιήθηκαν κατακόρυφες πανκατευθυντικές κεραίες και στον σταθμό βάσης αλλά και στον συνδρομητή. Πρόκειται για καμπύλες που συσχετίζουν απόσταση με συχνότητα. Για να καθοριστεί το path loss στο μοντέλο Okumura στην αρχή υπολογίζεται το path loss από το μοντέλο ελευθέρου χώρου και στη συνέχεια προστίθεται ένας παράγοντας Amu(f,d) μαζί με διορθωτικούς παράγοντες που έχουν να κάνουν με το εδαφικό προφίλ. Τα συλλεχθέντα δεδομένα εκφράστηκαν με στατιστικό τρόπο και οι παράμετροι επιφανείας συμπεριελήφθησαν. Προέκυψε μία καμπύλη κατανομής και η μέση τιμή υπολογίστηκε δεδομένου οτι οι μετρήσεις έγιναν σε πυκνοκατοικημένη περιοχή. Η μέγιστη απόκλιση σύμφωνα με το πείραμα σημειώθηκε στις προαστικές περιοχές ειδικά όταν η κεραία λήψης είναι μικρό ύψος. Από τις μετρήσεις αυτές και το σύνολο των καμπυλών μπορούμε να υπολογίσουμε path loss με χρήση του μοντέλου μεταξύ δυο σημείων που μας ενδιαφέρουν. 44

45 Σχήμα 2.1: Καμπύλες Okumura Παράγοντες και υπολογισμοί εδάφους στο μοντέλο Okumura Υπάρχουν κάποιες διορθώσεις που μπορούν να εφαρμοστούν στο μοντέλο Okumura. Κάποιες από τις πιο σημαντικές παραμέτρους που σχετίζονται με τη μορφολογία του εδάφους είναι το ύψος των απομονομένων κορυφογραμμών, η μέση κλίση του εδάφους, ο κυματισμός του εδάφους και το ύψος του και παράμετρος που έχει να κάνει με το εάν μεσολαβεί υδάτινο στοιχείο. Μόλις υπολογιστούν οι παράμετροι που έχουν να κάνουν με το έδαφος, οι διορθωτικοί παράγοντες μπορούν να προστεθούν. Οι παράγοντες αυτοί μπορούν να σχηματοποιηθούν σε καμπύλες Okumur Υπάρχουν πέντε παράμετροι που σχετίζονται με το έδαφος και λαμβάνονται υπόψιν στους υπολογισμούς: 1) Το ενεργό ύψος της κεραίας του σταθμού βάσης, από το οποίο μπορεί να υπολογιστεί το κέρδος ύψους της κεραίας, Hte Ηte= Hts-Hgo όπου Hts το ύψος της κεραίας του σταθμού βάσης Ηgo το μέσο επίπεδο εδάφους σε ζώνη 3-15km 2) Διαφορά διακύμανσης εδάφους Δh Προκύπτει ως διαφορά μεταξύ του 10% και του 90% της διακύμανσης του εδάφους σε απόσταση 10km στην κατεύθυνση από τον δέκτη στον πομπό. Η παράμετρος αυτή δεν χρησιμοποιείται σε περίπτωση μονοδιάστατα ανηφορικού ή κατηφορικού δρόμου. 45

46 3) Παράμετρος οδεύσεως στην περίπτωση απομονωμένου βουνού Αφορά στην περίπτωση ενός βουνού το οποίο μοντελοποιείται σαν αιχμή. 4) Μέση γωνία κλίσης εδάφους για κεκλιμένη επιφάνεια (Θm) 5) Παράμετρος απόστασης για υβριδικό μοντέλο ξηράς-θάλασσας Υπάρχουν τρεις περιπτώσεις ύπαρξης υδάτινου μορφώματος στο μονοπάτι διάδοσης: νερό κοντά σε κινούμενο όχημα, νερό κοντά στον σταθμό βάσης ή νερό ανάμεσα στον σταθμό βάσης και σε κινούμενο όχημα. O Okumura βρήκε οτι το G(hte)/κέρδος κεραίας εκπομπής, μεταβάλλεται με ένα ρυθμό 20dB/decade και το G(hre)/κέρδος κεραίας λήψης με ένα ρυθμό 10 db/δεκάδα για ύψος λιγότερο από 3m. Μπορεί να γίνει επιπλέον και μία κατηγοριοποίηση εμποδίων ανάλογα με το είδος της περιοχής στην οποία γίνονται οι μετρήσεις. Σε ανοιχτές περιοχές, θεωρείται οτι δεν υπάρχουν εμπόδια μεταξύ πομπού και δέκτη, συνεπώς οι παράμετροι εδάφους δεν λαμβάνοντια υπόψιν. Σε ημιαστικές περιοχές, που είναι ελαφρώς κατοικημένες μέσα από τις οποίες μπορεί να περνάνε και μεγάλοι αυτοκινητόδρομοι, οι παράμετροι εδάφους είναι πιο σημαντικοί. Τέλος σε αστικές περιοχές, οι παράμετροι εδάφους είναι κομβικής σημασίας. To μοντέλο Okumura βασίζεται όλως δι' όλου σε μετρήσεις και δεν παρέχει αναλυτικές εξηγήσεις. Για πολλές περιπτώσεις μπορούν να γίνουν προεκτάσεις των καμπυλών για να ληφθούν τιμές εκτός του εύρους μέτρησης, αν και η ισχύς αυτών των προεκτάσεων εξαρτάται από τις συνθήκες και την ομαλότητα της καμπύλης που εξετάζεται. Το μοντέλο Okumura θεωρείται ένα από τα πιο απλά και το καλύτερο όσον αφορά στην ακρίβεια της πρόβλεψης για το path loss σε επίγεια κινητά συστήματα επικοινωνιών όπου το περιβάλλον χαρακτηρίζεται από αταξία. Είναι πολύ πρακτικό και έχει γίνει το στάνταρ σύστημα για σχεδιασμό στα σύγχρονα επίγεια κινητά συστήματα στην Ιαπωνία. Το σημαντικότερό του πλεονέκτημα είναι η αργή του ανταπόκριση σε απότομες αλλαγές στο έδαφος, γι' αυτό είναι ιδανικό για αστικές και ημιαστικές περιοχές, αλλά όχι και τόσο καλό για ανοιχτές υπαίθριες περιοχές. Κοινές τυπικές αποκλίσεις μεταξύ της προβλεπόμενης και της μετρούμενης τιμής είναι μεταξύ db. Τέλος, το μοντέλο Okumura δεν θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως το ιδανικό για των υπολογισμό path loss στον ελεύθερο χώρο, παρ' όλα αυτά οποιαδήποτε μέθοδος έχει τυποποιηθεί μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση απώλειας οδεύσειως στον ελεύθερο χώρο. 46

47 2.1.5 Μοντέλο Hata Πρόκειται για εμπειρικό μοντέλο που προσεγγίζει τα γραφικά αποτελέσματα του Οkumura μέσω μίας βασικής εξίσωσης για αστικό περιβάλλον, στην οποίας εισέρχεται διορθωτικός παράγοντας σχετικά με το μέγεθος της υπό κάλυψη αστικής περιοχής. Με συμπληρωματικές εξισώσεις το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ημιαστικές ή ανοιχτές υπαίθριες περιοχές. Εφαρμόζεται για συχνότητες MHz, ύψος κεραίας BTS m και ύψος κεραίας κινητού συνδρομητή 1-10m και απόσταση BTS από κινούμενο συνδρομητή 1-20 km. Το μοντέλο αυτό λοιπόν, εμφανίζει δυο περιορισμούς, έναν στο φάσμα συχνοτήτων, αποκλείοντας συχνότητες των DCS/PCS (1,5-2 GHz) συστημάτων και ένα στο μήκος του μονοπατιού. Για αστικές περιοχές η εξίσωση για το μέσο path loss είναι: L50 (urban) (db) = logfc 13.82loghte a(hre) + ( loghte)logd όπου: d, είναι η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη a(hre), είναι ο διορθωτικός παράγοντας για το ενεργό ύψος της κινητής κεραίας που είναι μία συνάρτηση του μεγέθους της περιοχής κάλυψης hte το ενεργό ύψος πομού σε μέτρα hre το ενεργό ύψος κινούμενου συνδρομητή Για μικρές ή μεσαίου μεγάθους πόλεις, ο διορθωτικός παράγοντας είναι: a(hre) = (1.1logfc 0.7)hre (1.56logfc 0.8) db ενώ για μεγάλες πόλεις είναι a(hre)= 8.29 (log1.54hre)2 1.1 db, fc <= 300MHz a(hre) = 3.2(log11.75hre) db, fc>= 300MHz Για ημιαστική περιοχή η εξίσωση τροποποιείται ως εξής: L50 (db) = L50(urban) 2[log(fc/28)]2 5.4 Ενώ σε ανοιχτή υπαίθρια περιοχή η εξίσωση γίνεται: 47

48 L50(dB)= L50(urban) 4.78(logfc) logfc Αν και το μοντέλο Hata δεν έχει τις διορθώσεις που έχει το Okumura οι ως άνω εκφράσεις έχουν πρακτική αξία. Οι προβλέψεις του μοντέλου Hata είναι πολύ κοντά με αυτές του μοντέλου Okumura όταν η απόσταση είναι πάνω από 1km. Αυτό το μοντέλο είναι ιδανικό για συστήματα με μεγάλες κυψέλες, αλλά όχι για συστήματα PCS (personal communications systems) που έχουν κυψέλες κοντά στο 1km COST- 231 διευρυμένο Hata Πρόκειται για προέκταση του μοντέλου Hata στην περιοχή λειτουργίας των DCS/PCS συστημάτων, μετά από έρευνα της ευρωπαϊκής επιτροπής COST και της ομάδας εργασίας COST231. Χρησιμοποιείται σε αστικές και ημιαστικές περιοχές (με ανάλογη μεταβολή σχετικού συντελεστή στην εξίσωση), λειτουργεί στην περιοχή Mhz για ύψη κεραιών BTS 30200m και κινούμενου συνδρομητή 1-10m. Όπως στο κλασικό μοντέλο Hata και απόσταση BTSσυνδρομητή 1-20 km. Το προτεινόμενο μοντέλο για το path loss είναι: L50 (urban)= logfc 13.82loghte a(hre) + ( loghte)logd + CM όπου οι τιμές για το a(hre) είναι οι ίδιες που ισχύουν για το κανονικό Hata μοντέλο και CM= 0 db για μεσαίου μεγέθους πόλεις και ημιαστικές περιοχές CM= 3 db για μητροπολιτικά κέντρα CCIR- διορθωμένο Hata με παράμετρο για κτήρια Αποτελεί μία ενισχυμένη έκδοση του Hata, καθώς προσθέτει στη βασική σχέση έναν συντελεστή δόμησης Β, που εξαρτάται από την πυκνότητα δόμησης της αστικής περιοχής. Η βασική εξίσωση εν ολίγοις για αστικό περιβάλλον είναι η: L50 (urban) (db) = logfc 13.82log hte a(hre) + ( loghte)logd + B Για μικρή εώς μεσαίου μεγέθους πόλη, ο συντελεστής διόρθωσης είναι a (hre) = 1.1 logfc 0.7)hre (1.56logfc 0.8) db 48

49 Για μία μεγάλη πόλη έχουμε τις εξής δυο σχέσεις: a (hre) = 8.29 (log1.54 hre)2 1.1 db fc<300mhz a (hre) = 3.2 (log11.75hre) db fc>300mhz και ο συντελεστής δόμησης Β δίνεται από τη σχέση: Β= log10x όπου Χ, το % ποσοστό της περιοχής που καλύπτεται από κτίρια. Για ποσοστό δόμησης κάτω του 15% ο συντελεστής μηδενίζεται και η βασική εξίσωση γίνεται η αρχική Hata. Για ποσοστό 20%, Β=-2.5 db Τροποποιημένα μοντέλα Hata Για την επέκταση της απόστασης κάλυψης του μοντέλου Hata, αναπτύχθηκαν 3 μοντέλα με βάση μία αρχική οδηγία της CCIR εκ των οποίων το ένα απορρίπτεται λόγω ασυμφωνίας με το αρχικό μοντέλο Hata για αποστάσεις μικρότερες των 20km και τα άλλα δυο συγκρίνονται με τις καμπύλες Okumura για να αναδειχθεί η βέλτιστη επιλογή. Το πρώτο μοντέλο που δημιουργήθηκε ήταν το εξής: E= logf loghb +a(hm) ( loghb)*logdb Η ασάφεια σε σχέση με τον εκθέτη b και με τον εάν αυτός περικλείει μόνο την απόσταση d ή τη λογαρθμική παράσταση οδήγησε σε πολλαπλές ερμηνείες της εξίσωσης. Η εξίσωση πάντως επισήμως παρουσιάστηκε από τη CCIR όπως κατεγράφη πιο πάνω. Κάποια μεταγενέστερα μοντέλα συμπεριελάμβαναν μόνο την απόσταση και κάποια όλο τον λογαριθμικό όρο υψωμένο εις της b. Γενικά όμως η εξίσωση διατηρήθηκε και το μόνο που άλλαξε κατά περίπτωση είναι η προσθήκε επιπλέον όρων που συνεπάγονται και την αύξηση της καλυπτόμενης απόστασης. Για διευκόλυνση των συγκρίσεων με τις καμπύλες Okumura, τα μοντέλα έχoυν τροποποιηθεί έτσι ώστε να μετράνε την ένταση του πεδίου ενός πομούς 1kW ERP. Κάποια από τα τροποποιημένα μοντέλα δημοσιεύτηκαν σε αυτή τη μορφή και υπάρχει μία μικρή ποικιλία σε κάποιες σταθερές στα διαφορετικά μοντέλα εξαιτίας σφαλμάτων στρογγυλοποίησης. Συγκεκριμένα θα αναφερθούμε σε τρια μοντέλα τα οποία και συγκρίνονται μεταξύ τους, το ITU-R P.529-2, το ITU-R P και το ERC Report

50 2.1.8 ITU-R P Η εξίσωση αυτού του μοντέλου έχει υψωμένη εις της b μόνο την απόσταση: E = logf log(hb) +a(hm) ( loghb)*logdb όπου, a(hm) = (1.1logf 0.7)*hm 1.56logf +0.8 Αυτή όπως και οι υπόλοιπες εξισώσεις, είναι θεωρητικά επεκτάσεις του αρχικού μοντέλου Hata. Παρ' όλα αυτά βλέπουμε οτι σε απόσταση μικρότερη των 20 χιλιομέτρων που είναι και το εύρος του αρχικού μοντέλου, οι εξισώσεις δεν ταυτίζονται. Η πρώτη σταθερά είναι ενώ θα έπρεπε να είναι Αυτό το μοντέλο είναι κατάλληλο για συχνότητες στην περιοχή MΗz ύψος κεραίας σταθμού βάσης m, ύψος κεραίας κινητού συνδρομητή 1-10 m και απόσταση 1 100km ITU-R P Η εξίσωση σε αυτό το μοντέλο έχει υψωμένο εις την b όλο τον λογαριθμικό όρο απόστασης. Εμπεριέχει επίσης μία αλλαγή στον όρο του ύψους κεραίας σταθμού βάσης. Η εξίσωση αυτή είναι απόλυτα ίδια με του αρχικού μοντέλου Hata για αποστάσεις μικρότερες των 20km. E= logf loghb + a(hm) ( loghb)*(logd)b όπου a(hm)= (1.1logf 0.7)*hm 1.56logf

51 Αυτό το μοντέλο είναι κατάλληλο για χρήση σε συχνοτική περιοχή MHz ύψος κεραίας BTS m ύψος κεραίας κινητού συνδρομητή 1-10m και απόσταση km ERC Report 68 Σε αυτό το μοντέλο υπάρχει ένας αριθμός εξισώσεων ανάλογα με τη συχνοτική περιοχή. Στην προκειμενη περίπτωση θα αναφερθεί η εξίσωση που καλύπτει την ίδια συχνοτική περιοχή με το αρχικό μοντέλο Hata. Η εξίσωση αυτή έχει υψωμένο εις την b μόνο τον όρο της απόστασης. Η εξίσωση αυτή για αποστάσεις μικρότερες των 20km είναι σχεδόν ίδια με την αρχική Hata. Ε= logf loghb + α*( loghb)*logd + a(hm) + b(hb) όπου: Αυτό το μοντέλο είναι κατάλληλο για χρήση σε συχνοτική περιοχή MHz, για ύψος κεραίας σταθμού βάσης 1-200m για ύψος κεραίας συνδρομητή 1-200m και για απόσταση 1-100km To πρώτο από τα μοντέλα που παρετέθησαν δεν χρησιμοποιείται λόγω της διαφοράς στη σταθερά με το αρχικό μοντέλο. Συγκρίνοντας το 2ο και το 3ο μοντέλο με τις καμπύλες Okumura 51

52 βλέπουμε οτι δίνουν παρόμοια αποτελέσματα για χαμηλές συχνότητας αλλά για τις υψηλές το μοντέλο ECR 68 αποκλείνει από τις καμπύλες. Συνολικά το μοντέλο ITU-R P είναι πιο κοντά στις καμπύλες Okumura και συνίσταται ως το κατάλληλο μοντέλο για επέκταση του αρχικού Hata σε σχέση με την απόσταση κάλυψης Μοντέλο Walfish- Ikegami Μοντέλο για αστικό περιβάλλον, δίνει την απώλεια οδεύσεως τόσο για περίπτωση LOS όσο και για NLOS, για σενάριο αστικού φαραγγιού (κεραία BTS πιο χαμηλά από τις οροφές των κτιρίων). To μοντέλο Walfish-Ikegami είναι κατάλληλο για συχνότητες στο διάστημα MHz και για μήκος μονοπατιού από 0.02 μέχρι 5 χιλιόμετρα. Στα πλαίσια του μοντέλου αυτού υπάρχουν εξισώσεις τόσο για την περίπτωση που έχουμε LOS, όσο και για την περίπτωση NLOS. Αν σε μία όδευση φαραγγιού έχω αστική ζεύξη, τότε το path loss δίνεται από τη σχέση LLOS = logd +20logfc To μοντέλο αυτό θεωρεί οτι η κεραία του σταθμού βάσης (h>30m) εξασφαλίζει οτι η πρώτη τουλάχιστον ζώνη Fresnel είναι καθαρή. Οι απώλειες ελευθέρου χώρου είναι: Lfs= logd +20logfc Συνεπώς, LLOS = Lfs + 6log(dm/20) ΝLOS Εάν δεν έχουμε επαρκή δεδομένα, το ύψος των κτιρίων σε μέτρα μπορεί να υπολογιστεί χονδρικά με βάση τους ορόφους που το αποτελούν, θεωρώντας οτι κάθε όροφος είναι κατά μέσο όρο 3 μέτρα. 52

53 Lrts διάθλαση κορυφών κτηρίου- δρόμου, απώλειες διασποράς Lmsd απώλεια διάθλασης πολλαπλής επιφάνειας Για το Lrts έχουμε Lrts= logw +l0logf +20log(hr hm) + Lori για hr>hm όπου Για το Lmsd Lmsd = Lbsh +kα +kdlogd +kflogf 9logb To Lbsh αντιπροσωπεύει το κέρδος σκιάς (αρνητικές απώλειες) που προκύπτει όταν η κεραία σταθμού βάσης είναι πιο ψηλά από τις οροφές των κτιρίων. Oι ποσότητες kα, kd και kf καθορίζουν την εξάρτηση των απωλειών από την απόσταση και τη συχνότητα. Το kα που σχετίζεται με τις απώλειες περίθλασης δίνεται από τη σχέση Η σχέση αυτή καταλήγει σε έναν όρο απώλειας της τάξεως των 54dB αν ο σταθμός βάσης είναι πάνω από της οροφές (Δhb>0) και πάνω από 54dB αν είναι κάτω από το επίπεδο των οροφών. Η αύξηση είναι μικρότερη αν η απόσταση είναι μικρή (μικρότερη από 500m). 53

54 O παράγοντας απόστασης kd δίνεται από τον τύπο: O παράγοντας Lmsd αυξάνει με την απόσταση κατα 18db/δεκάδα εάν η κεραία βρίσκεται πάνω από τις οροφές, αλλά αν βρίσκεται κάτω αυξάνει περισσότερο. O παράγοντας συχνότητας kf προσδιορίζεται από τη σχέση: Οι παράγοντες Lfs και Lrts συνδυασμένοι δίνουν μία αύξηση της τάξεως των 30dB ανά δεκάδα συχνότητας. Η έκφραση για το kf δείχνει οτι θα πρέπει να προσαρμοστεί προς τα κάτω για συχνότητα f<6.21 GHz για μεσαίου μεγέθους πόλεις και προαστια ή f<2.29ghz για μητροπολιτικές περιοχές. Για μία τυπική κυτταρική συχνότητα 850MHz η τιμή του kf είναι περίπου -4dB για οποιαδήποτε κατάσταση, οπότε η συνολική εξάρτηση από τη συχνότητα είναι περίπου 26dB ανά δεκάδα Μοντέλο Bertoni- Walfish Ντερερμινιστικό μοντέλο, αναφέρεται στην επίδραση που ασκούν τα κτίρια στη διάδοση του ραδιοσήματος χρησιμοποιώντας την περίθλαση για να προβλέψει τη μέση ισχύ του σήματος σε επίπεδο δρόμου. Εφαρμόζεται σε αστικές και ημιαστικές περιοχές με ομοιόμορφη κτιριακή δόμηση (σχεδόν ίδιο ύψος, κοντινή απόσταση και ομοιόμορφη διάταξη στον χώρο των κτιρίων) Το μοντέλο θεωρεί τις απώλειες ραδιοδρόμου S, σαν απότοκο τριών παραγόντων S= P0Q2P1 Όπου το P0 αναπαριστά τις απώλειες ελευθέρου χώρου μεταξύ ισοτροπικών κεραιών P0 = (λ/4πr)2 54

55 Ο παράγοντας Q2 δίνει τη μείωση στο σήμα του τελευταίου ορόφου εξαιτίας της σειράς των κτιρίων που σκιάζουν άμεσα τον λήπτη στο επίπεδο του δρόμου. Ο παράγοντας P1 βασίζεται στην περίθλαση και δείχνει τις απώλειες σήματος από τον τελευταίο όροφο ως τον δρόμο. Σε db το path loss δίνεται από τον τύπο: S(dB)= Lfs+Lrts+Lms Lms άπώλειες περίθλασης λόγω των κτιρίων Lrts απώλειες περίθλασης και σκέδασης απο σκεπή-σε-δρόμο Η μέση ισχύς απώλειας οδεύσεως σε dβ δίνεται από τον τύπο: L= A 18log(h-hb) +38lod D όπου, Όπου hm το ύψος της κεραίας του συνδρομητή και hb το μέσο ύψος των κτιρίων, d η μέση απόσταση μεταξύ των οικοδομικών τετραγώνων. Το μοντέλο αυτό δεν είναι κατάλληλο για χρήση σε περίπτωση εδαφικών ανωμαλιών Μοντέλο Longley- Rice Το μοντέλο αυτό εφαρμόζεται σε διασημειακά συστήματα σε εύρος συχνοτήτων 20MHz40GHz (το ανώτερο όριο σε κάποιες πιο πρόσφατες αναφορές έχει μειωθεί στα 20GHz) σε διάφορα εδάφη και για μονοπάτια μήκους km. Οι μέσες απώλειες μετάδοσης προβλέπονται χρησιμοποιώντας τη γεωμετρία του ραδιοδρόμου του εδαφικού προφίλ και τη διαθλαστικότητα της τροπόσφαιρας. Γεωμετρικές οπτικές τεχνικές (κυρίως το μοντέλο των 2 ανακλώμενων ακτίνων) χρησιμοποιούνται για να προβλεφθεί η ισχύς του σήματος μέσα στον ραδιο- ορίζοντα. Υπολογίζει τη μέση απώλεια οδεύσεως για ανώμαλη επιφάνεια σε σχέση με την απώλεια οδεύσεως του μοντέλου ελευθέρου χώρου. Το μοντέλο αυτό είναι αλλιώς γνωστό με την ονομασία irregular terrain model (ITM) και δημιουργήθηκε ουσιαστικά για τις ανάγκες του συχνοτικού σχεδιασμού που είχε να κάνει με την μετάδοση τηλεοπτικού σήματος στις ΗΠΑ τη δεκαετία του '70. 55

56 Θεωρούμε οτι χρησιμοποιείται omni κεραία εκτός εάν αναφέρεται η χρήση κατευθυντικής κεραίας. Παράμετροι του μοντέλου Πόλωση: Προσδιορίζεται το είδος της πόλωσης το οποίο πρέπει να είναι το ίδιο και στις δυο κεραίες που εμπλέκονται στη μετάδοση. Η πόλωση μπορεί να είναι κάθετη ή οριζόντια στα πλαίσια του συγκεκριμένου μοντέλου Διαθλασιμότητα (refractivity): Η θεωρούμενη διαθλασιμότητα της ατμόσφαιρας προσδιορίζει ουσιαστικά τον βαθμό κύρτωσης των ραδιοκυμάτων. Στο μοντέλο ITM υπάρχουν τρεις τρόποι να προσδιοριστεί η διαθλασιμότητα. Μπορούμε να εισάγουμε κατευθείαν την τιμή της παραμέτρου διαθλασιμότητας επιφάνειας, μπορούμε να εισάγουμε τη διαθλασιμότητα αναφοράς (επίπεδο θάλασσας) ως Ν0 και η διαθλασιμότητα εδάφους Ns υπολογίζεται βάσει της ανύψωσης του εδάφους. Οι τιμές της Ν0 μπορούν να ανακτηθούν από χάρτες. Τέλος μπορούμε να εισάγουμε την τιμή της ενεργούς καμπυλότητας εδάφους Κ και η διαθλασιμότητα επιφάνειας προσδιορίζεται από τον τύπο: Επιτρεψιμότητα: Η σχετική επιτρεψιμότητα (e) ή η διηλεκτρική σταθερά του εδάφους. Αγωγιμότητα: Η αγωγιμότητα του εδάφους (σε Siemens/m) σε σχέση με τον τύπο του χώματος. Τύπος κλίματος: 7 κλιματικοί τύποι έχουν τυποποιηθεί και αναγνωρίζονται από το μοντέλο Πίνακας 2.2: Σχετική επιτρεψιμότητα και αγωγιμότητα ανάλογα με τον τύπο εδάφους Τύπος εδάφους Σχετική επιτρεψιμότητα Αγωγιμότητα Μέσο/τυπικό Φτωχό Καλό Φρέσκο νερό Θαλασσινό νερό

57 Πίνακας 2.3: Τύποι κλίματος 1 Ισημερινού (Κονγκό) 2 Ηπειρωτικά υποτροπικά (Σουδάν) 3 Θαλάσσια υποτροπικά (Δυτική ακτή της Αφρικής) 4 Ερημος (Σαχάρα) 5 Ηπειρωτικό Εύκρατο 6 Θαλάσσιο Εύκρατο, πάνω από χερσαία γη 7 Θαλάσσιο Εύκρατο, πάνω από θάλασσα Στο μοντέλο Longley-Rice διακρίνουμε τρεις περιπτώσεις μεταβλητότητας: μεταβλητότητα χρόνου, τοποθεσίας και κατάστασης. Οι τρεις αυτές διαστάσεις μεταβλητότητας αναπτύχθηκαν έτσι ώστε να μπορούν να κατηγοριοποιηθούν οι ποικίλες μετρήσεις των μέσως μετρούμενων σημάτων. Η μεταβλητότητα χρόνου αφορά στις αποκλίσεις των ωριαίων μέσων τιμών εξασθένισης. Η μεταβλητότητα τοποθεσίας αφορά σε αποκλίσεις σε μακροπρόθεσμες στατιστικές αναλύσεις που προκύπτους από μονοπάτι σε μονοπάτι. Η μεταβλητότητα κατάστασης αφορά σε αποκλίσεις ανάμεσα σε παρόμοια συστήματα με ίδιες παραμέτρους και περιβαλλοντικές συνθήκες Μοντέλο LEE Το μοντέλο Lee αναπτύχθηκε αρχικά για χρήση στην περιοχή των 900MHz και έχει δυο εκφάνσεις, μία που αφορά μετάδοση από περιοχή σε περιοχή και μία που αφορά μετάδοση από σημείο σε σημείο. Το μοντέλο περιέχει έναν παράγοντα που σχετίζεται με τη συχνότητα και επιτρέπει να γίνει αναγωγή σε μεγαλύτερες συχνοτικές περιοχές. Μοντέλο από περιοχή σε περιοχή Το μοντέλο αυτό περιέχει έναν παράγοντα που μπορεί να προσαρμόσει το μοντέλο έτσι ώστε να είναι πιο ευέλικτο σε διαφορετικές περιοχές μετάδοσης. Επιπρόσθετα το μοντέλο αυτό είναι κατάλληλο για συλλογή δεδομένων σε μία συγκεκριμένη περιοχή, μπορεί να προβλέψει την συμπεριφορά όλων των δρόμων που καταλήγουν στην περιοχή αυτή. L=L0 + γlogd 10log FA 57

58 όπου L0 είναι το path loss αναφοράς σε απόσταση 1km γ είναι η κλίση της καμπύλης του path loss FA είναι ο παράγοντας προσαρμογης Το path loss αναφοράς υπολογίζεται από τον τύπο: L0= GB +GM +20 (logλ logd) -22 όπου GB είναι το κέρδος κεραίας σταθμού βάσης GM το κέρδος κεραίας κινητού συνδρομητή Συνήθως λ= 900MHz GB= 8.41dBi GM= 2.14dBi Πίνακας 2.4: Path loss και κλίση καμπύλης ανάλογα με το περιβάλλον Περιβάλλον L0 (db) γ (db/δεκάδα) Ελεύθερος χώρος Ανοιχτός χώρος Ημιαστικές περιοχές Αστικές: Φιλαδέλφεια Αστικές: Newark Αστικές: Τόκυο Οι παράγοντες προσαρμογής, επιτρέπουν στον χρήστη να προσαρμόσει το μοντέλο, υπολογίζεται από τον τύπο: FA=FBHFBGFMHFMGFF FBH Διορθωτικός παράγοντας για το ύψος της κεραίας σταθμού βάσης FBG Διορθωτικός παράγοντας για το κέρδος της κεραίας σταθμού βάσης FMH Διορθωτικός παράγοντας για το ύψος της κεραίας του κινητού συνδρομητή 58

59 FMG Διορθωτικός παράγοντας για το κέρδος της κεραίας του κινητού συνδρομητή FF Διορθωτικός παράγοντας για τη συχνότητα Μοντέλο από σημείο σε σημείο Περιλαμβάνει έναν παράγοντα προσαρμογής για να κάνει το μοντέλο πιο ελαστικό σε διαφορετικές περιοχές μετάδοσης, επιπλέον είναι κατάλληλο για χρήση σε πληροφορίες που έχουν συλλεχθεί σε μία συγκεκριμένη περιοχή για point to point συνδέσεις. Το μοντέλο περιλαμβάνει έναν παράγοντα που έχει να κάνει με την κλίση του εδάφους όπου, HET (heff) το ενεργό ύψος του εδάφους, που υπολογίζεται με δυο τρόπους, είτε χαράζοντας την κλίση του εδάφους από τον συνδρομητή στον σταθμό βάσης ή υπολογίζοντας το κατακόρυφο ύψος κεραίας πάνω από την χαραγμένη γραμμή που συνιστά την κλίση του εδάφους. 59

60 Σχήμα 2.2: Μοντέλο από σημείο σε σημείο Σύμφωνα με το μοντέλο, η στάνταρ απόκλιση του σφάλματος στον τύπο από περιοχή σε περιοχή είναι 8dB, ενώ από σημείο σε σημείο 3dB. Ο συντελεστής προσαρμογής συχνότητας είναι n=2 για προάστια ή ανοιχτές περιοχές και f<450mhz και n=3 για αστικές περιοχές και f>450mhz σε άλλες περιπτώσεις προσδιορίζεται εμπειρικά Μοντέλο Egli Απλουστευμένο μοντέλο που θεωρεί ομαλή επιφάνεια με μέσο ύψος λόφων περίπου 50 ποδιών. Λόγω της απλούστευσης που υπάρχει δεν περιλαμβάνονται στο μοντέλο πληροφορίες σε σχέση με την ανύψωση του εδάφους μεταξύ πομπού και δέκτη. To path loss εξαρτάται μόνο από τα ύψη των κεραιών. Α= logd +20logf 20log (hthr) A (db) η εξασθένιση ht το ύψος της κεραίας μετάδοσης σε πόδια hr το ύψος της κεραίας λήψης σε πόδια d η απόσταση σε μίλια Η απλότητα του μοντέλου το καθιστά ως ένα από τα γρηγορότερα μοντέλα για υπολογισμούς, παρ' όλα αυτά δεν συνίσταται η χρήση του όταν μεσολαβεί στον ραδιόδρομο μετάδοσης ανώμαλο έδαφος. 60

61 Μοντέλο Ray- tracing Είναι ένα μοντέλο που χρησιμοποιεί μία γεωμετρική προσέγγιση και εξετάζει τα μονοπάτια που ακολούθησε το σήμα για να φτάσει από τον πομπό στον δέκτη, χρήσιμο τόσο για outdoor όσο και για indoor διάδοση. Οι προβλέψεις του μοντέλου είναι καλές όταν υπάρχουν επαρκείς πληροφορίες για την γεωγραφία του μέρους όπου γίνεται η μετάδοση. Τα αποτελέσματα όμως και αυτό είναι ένα από τα αρνητικά του μοντέλου μπορεί να μην είναι τα ίδια σε άλλες περιοχές. Όσο πιο πολλές ακτίνες χρησιμοποιούμε τόσο πιο αξιόπιστο καθίσταται. Συνήθως γίνεται χρήση 8 επιβατικών ακτινών. Τυπικά περιλαμβάνει μόνο ανακλώμενες ακτίνες αλλά μπορεί να τροποποιηθεί έτσι ώστε να περιλαμβάνει και περιθλώμενες ή σκεδασμένες. Το πιο απλό μοντέλο είναι το μοντέλο δυο επιβατικών ακτίνων (two-ray model) που η μία θεωρείται απευθείας συνιστώσα (LOS) και η άλλη ανακλώμενη. Για i ακτίνες το μοντέλο έχει ως εξής: όπου, rl μήκος διαδρομής απευθείας ζεύξης ri μήκος διαδρομής I ακτίνας Ri συντελεστής ανάκλασης Fresnel Gdirect γινόμενο κατευθυντικότητας πομπού-δέκτη για την απευθείας ζεύξη Gri γινόμενο κατευθυντικότητας πομπού-δέκτη για την I ακτίνα Κ= 2π/λ είναι ο κυματάριθμος O συντελεστής Fresnel υπολογίζεται ως εξής: όπου, 61

62 ec σχετική διηλεκτρική σταθερά θi η γωνία πρόσπτωσης της I ακτίνας 2.2 Συνδρομητική κίνηση Ο στόχος κατά τη σχεδίαση ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος είναι να προσαρμοστεί η ποσότητα του απαιτούμενου εξοπλισμού έτσι ώστε οι διαφοροποιήσεις στις απαιτήσεις των συνδρομητών για κλήσεις να μπορούν να ικανοποιηθούν χωρίς να γίνονται αντιληπτές τυχόν αστοχίες ενώ παράλληλα το κόστος εγκατάστασης να είναι μικρό. Ο εξοπλισμός θα πρέπει να χρησιμοποιείται όσο καλύτερα γίνεται. Βασικός παράγοντας στη σχεδίαση κυψελωτών συστημάτων είναι η δυνατότητα εξυπηρέτησης της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Μετά τη διαστασιολόγηση του συστήματος οι ραδιοδίαυλοι κατανέμονται στις κυψέλες λαμβάνοντας υπόψιν της πυκνότητα των χρηστών σε κάθε κυψέλη, την απόσταση επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων και το διαθέσιμο φάσμα. Στη θεωρία της τηλεπικοινωνιακής κίνησης ο όρος κίνηση αναφέρεται στην ένταση της κίνησης. Σύμφωνα με την ITU ο ορισμός της έντασης της κίνησης (traffic intensity) σε ένα σύνολο πόρων, είναι ο αριθμός των απασχολημένων πόρων σε μία δεδομένη χρονική στιγμή. Πιο απλά στα κυψελωτά συστήματα τηλεπικοινωνιακή κίνηση ή απλά κίνηση ορίζεται το σύνολο όσον αφορά στο πλήθος και στη διάρκεια, των κλήσεων από και προς τα κινητά τερματικά που πραγματοποιούνται μέσω ενός αριθμού διαύλων. Η ένταση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης δίνεται από τον τύπο: a=λτ όπου λ είναι ο αριθμός των συνδέσεων ανά μονάδα και Τ είναι η μέση διάρκεια κάθε σύνδεσης. Είναι λοιπόν αναγκαίο να υπάρχει ένα μοντέλο τηλεφωνικής κίνησης με σκοπό την όσο το δυνατόν υψηλότερη ποιότητα παροχής υπηρεσιών. Για την κατασκευή του λαμβάνονται υπόψιν παράγοντες όπως ο αριθμός των συνδρομητών, το πόσο συχνά και σε ποιες περιοχές γίνεται χρήση του κινητού τους (σε ώρες αιχμής), τη μέση διάρκει μίας τηλεφωνικής κλίσης κα. Η μονάδα μέτρησης της τηλεφωνικής κίνησης είναι το 1 Erlang και δίνει τον όγκο της κίνησης που μεταφέρεται από ένα κατειλλημένο κανάλι. Η μεταφερόμενη κίνηση λοιπόν είναι ο μέσος αριθμός των διαύλων που είναι κατειλημμένοι κατά τη διάρκεια της χρονικής περιόδου Τ. Η κίνηση σε Erlang μπορεί να οριστεί ως ο λόγος του χρόνου χρήσης όλων των πόρων προς τον συνολικό χρόνο. Για παράδειγμα, ένα κανάλι που είναι απασχολημένο για 30 λεπτά μεταφέρει 0,5 Erlang. Ένταση 1 Erlang σημαίνει οτι ένας χρήστης μιλάει συνεχώς. Η τηλεφωνική κίνηση συνδρομητή ορίζεται ως η μέση πιθανότητα για έναν συγκεκριμένο συνδρομητή να κάνει χρήση του τηλεφώνου του κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή σε ώρες αιχμής. Κάθε χρήστης παράγει μία ένταση κίνησης Au Erlang 62

63 Au = u * H όπου Η είναι η μέση διάρκεια μία κλίσης και u ο μέσος αριθμός αιτήσεων κλίσης ανά μονάδα χρόνου. Για ένα σύστημα που περιλαμβάνει N χρήστες και έναν μη καθορισμένο αριθμό καναλιών, η συνολική προσφερόμενη κίνηση δίνεται από τον τύπο Α=N*Au Λόγω του περιορισμένου φάσματος που είναι διαθέσιμο για τις κινητές επικοινωνίες προκειμένου να μπορεί να εξυπηρετηθεί μεγάλος αριθμός χρηστών χρησιμοποιείται η μέθοδος της συγκέντρωσης (trunking). Η μέθοδος αυτή εκμεταλλεύεται τη στατιστική συμπεριφορά των χρηστών και αναλύεται στο επόμενο κεφάλαιο. Η ροή της κίνησης μπορεί να χωριστεί σε τρεις κατηγορίες, την προσφερόμενη κίνηση, την εξυπηρετούμενη κίνηση και την μπλοκαρισμένη κίνηση. Σχήμα 2.3: Συνδρομητική κίνηση στα δίκτυα Ο όγκος της κίνησης είναι το μέγεθος της κίνησης που εξυπηρετείται κατά τη διάρκεια μία περιόδου. Οι μονάδες μέτρησής του είναι erlang*hour ή cal*min. Ο όγκος της κίνησης σε μία περίοδο εάν διαιρεθεί με την περίοδο, δίνει τη μέση ένταση της κίνησης την περίοδο αυτή. Η τηλεπικοινωνιακή κίνηση δεν είναι καθόλου εύκολο να προβλεφθεί καθώς είναι μία χρονικά μεταβαλλόμενη παράμετρος. Εξαρτάται άμεσα από την ώρα της ημέρας, από την ημέρα, από την εποχή του έτους. Στη χώρα μας για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού έχουμε αύξηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, ομοίως κατά τη διάρκεια μεγάλων εκδηλώσεων, με κορυφαίο παράδειγμα τους Ολυμπιακούς αγώνες. 2.3 Πιθανότητα μπλοκαρίσματος κλήσης blocking probability/gos Τα κυψελωτά συστήματα βασίζονται στη συγκέντρωση (trunking) έτσι ώστε να μπορούν να εξυπηρετήσουν κατά το δυνατόν μεγαλύτερο αριθμό συνδρομητών δεδομένου του περιορισμένου ραδιοφάσματος που διατίθεται για τις κινητές επικοινωνίες. Η συγκέντρωση εκμεταλλεύεται ουσιαστικά τη στατιστική συμπεριφορά των χρηστών, γεγονός που έχει ως συνέπεια, ένας σταθερός αριθμός διαύλων να δύναται να εξυπηρετεί έναν μεγάλο αριθμό συνδρομητών με τυχαία συμπεριφορά που όμως έχει μοντελοποιηθεί στατιστικά. Σε αυτό το σύστημα, σε κάθε χρήστη ανατίθεται ένα κανάλι για μία κλήση, το οποίο στη συνέχεια, επιστρέφει στη δεξαμενή καναλιών. 63

64 Ο Βαθμός εξυπηρέτησης (GoS) είναι ένα μέτρο της δυνατότητας πρόσβασης ενός χρήστη σε ένα σύστημα με συγκέντρωση κατά την ώρα αιχμής και ορίζεται ως ο λόγος των ανεπιτυχών κλήσεων προς τον συνολικό αριθμό κλήσεων την ώρα αιχμής και αποτελεί έναν δείκτη επίδοσης του συστήματος. Στην ουσία δηλαδή υποδηλώνει την πιθανότητα φραγής ή εναλλακτικά την πιθανότητα να αποκτήσει ένας χρήστης δίαυλο πρόσβασης, δεδομένων των διαθέσιμων διαύλων. Το GoS χρησιμοποιείται για να ορίσει την επιθυμητή απόδοση ενός συγκεντρωτικού συστήματος καθορίζοντας την πιθανότητα να ανατεθεί στον συνδρομητή ένα κανάλι για επικοινωνία, δεδομένων των διαθέσιμων καναλιών. Στόχος είναι η τιμή του να παραμένει σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο, τυπικά στο 2%. Γενικά υπάρχουν δυο κατηγορίες συστημάτων με trunking που χρησιμοποιούνται. Στην πρώτη κατηγορία οι αιτήσεις κλησεων δεν μπαίνουν σε ουρά αναμονής, άρα σε αυτή την περίπτωση το GoS αφορά στην πιθανότητα να αποκλειστεί μία κλήση. Στη δεύτερη κατηγορία, οι κλήσεις που αποκλείονται μπαίνουν σε ουρά αναμονής. Στην περίπτωση αυτή, το GoS αντιστοιχεί στην πιθανότητα μία κλήση να αποκλειστεί αφού πρώτα έχει μπει σε μία ουρά αναμονής περιμένοντας έναν προκαθορισμένο χρόνο για ελεύθερο δίαυλο. Ανάλογα με το σύστημα και τη διαμόρφωσή του αντιμετωπίζονται και οι κλήσεις που βρίσκουν όλους τους διαύλους κατηλειμμένους, έτσι προκύπτουν και οι διάφοροι μαθηματικοί τύποι για τα διάφορα συστήματα. H απόδοση συγκέντρωσης είναι ένα μέτρο του αριθμού των χρηστών οι οποίοι μπορούν να εξυπηρετηθούν με ένα δεδομένο GoS με δεδομένη τη διάταξη των διατιθέμενων σταθερών διαύλων. Εάν αλλάξουμε την ομαδοποίηση των διαύλων δύναται να αλλάξει και ο αριθμός των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετηθούν από το σύστημα Μία έννοια αντίστοιχη του GoS είναι το Blocking probability ή αλλιώς η πιθανότητα μπλοκαρίσματος κλίσης, που ορίζεται ως η πιθανότητα ένας συνδρομητής να πραγματοποιήσει μία κλίση αλλά να του επιστραφεί σήμα κατειλημμένου καθώς δεν υπάρχει ελεύθερο κανάλι για επικοινωνία εκείνη τη στιγμή. Προκειμένου να γίνει σωστή σχεδίαση του δικτύου επικοινωνιών πρέπει πρώτα απ' όλα να διεξαχθεί μία μελέτη συνδρομητικού φορτίου και συνδρομητικής κίνησης τόσο για την ώρα αιχμής όσο και για όλη τη διάρκεια της ημέρας, προκειμένου να μπορούν να καλυφθούν οι απαιτήσεις στην εν λόγω περιοχή αλλά και οι μελλοντικές απαιτήσεις. Ως ώρα αιχμής, ορίζεται το χρονικό σημείο της ημέρας στο οποίο παρατηρείται η μεγαλύτερη τιμή του όγκου της συνδρομητικής κίνησης. Για κάθε δίκτυο υπάρχει μία μέγιστη τιμή blocking probability που επιτρέπεται έτσι ώστε να έχουμε ένα αποδεκτό quality of service (QoS), τις περισσότερες φορές μιλάμε για μία τιμή γύρω στο 2-3%. Μόλις λοιπόν καθορίσει ο τηλεπικοινωνιακός μηχανικός που σχεδιάζει το δίκτυο την επιθυμητή ποιότητα εξυπηρέτησης, με δεδομένο το συντελεστή επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων που έχει επιλεγεί, συμβουλεύεται τον έναν ειδικό πίνακα μέσω του οποίου για δεδομένο blocking probability και για δεδομένο αριθμό καναλιών σε μία κυψέλη, προσδιορίζεται το μέγιστο συνδρομητικό φορτίο το οποίο μπορεί να εξυπηρετηθεί με τον σχεδιασμό αυτό. Ο ειδικός πίνακας που αναφέρθηκε είναι ο πίνακας Erlang B και είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος υπολογισμού και συσχέτισης, καναλιών-qos-αριθμού συνδρομητών. 64

65 H μέθοδος αυτή περιγράφει την πιθανότητα απωλειών κλίσης για μία ομάδα από πανομοιότυπους παράλληλους πόρους (τηλεφωνικές γραμμές, κυκλώματα). Χρησιμοποιείται υπό τον όρο οτι η αποτυχημένη κλήση δεν μπαίνει σε κάποια ουρά ή δεν γίνεται αυτόματη απόπειρα επανάκλισης, αλλά η κλήση απορρίπτεται, ο αριθμός των χρηστών είναι μεγάλος, οι κλήσεις είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους. Η μαθηματική ανάλυση διευκολύνεται πολύ με την εφαρμογή της διαδικασίας γεννήσεωνθανάτων που περιγράφει τη μεταβολή του αριθμού των κατειλλημένων διαύλων συναρτήσει του χρόνου. Το διάγραμμα ρυθμού μετάβασης καταστάσεων της διαδικασίας γεννήσεων-θανάτων έχει ως εξής: Σχήμα 2.4: Διαδικασία γεννήσεων-θανάτων Στη μόνιμη κατάσταση οι ροές μεταξύ των καταστάσεων πρέπει να είναι ίσες Όπου κατάσταση k σημαίνει οτι έχουμε k χρήστες στο σύστημα, Pk είναι η πιθανότητα το σύστημα να βρίσκεται στην κατάσταση k, ο ρυθμός μεταβάσεων από την κατάσταση k<c στην κατάσταση k+1 είναι λpk, ο ρυθμός μεταβάσεων από την κατάσταση k+1>0 στην κατάσταση k είναι (k+1)μpk+1 ενώ μ είναι ο μέσος χρόνος διάρκειας μία κλήσης. Οι υποθέσεις που γίνονται είναι οτι υπάρχουν C διαθέσιμοι δίαυλοι, η κατανομή άφιξης των κλήσεων είναι Poisson με ρυθμό λ και οι κλήσεις που βρίσκουν ελεύθερο δίαυλο εξυπηρετούνται αμέσως. Οι δε κλήσεις που βρίσκουν τους διαύλους κατειλημμένους αποκλείονται και εγκαταλείπουν το σύστημα. Οι χρόνοι κατάληψης των διαύλων είναι ανεξάρτητοι με εκθετική κατανομή και μέση διάρκεια Η=1/μ. Έχουμε επίσης οτι Α=λ/μ, άρα προκύπτει η κάτωθι δέσμη εξισώσεων: 65

66 Όπου έχουμε για το επιθυμητό Pr[blocking] τελικά: 2.4 Απαιτούμενο φάσμα συχνοτήτων Γεννάται λοιπόν το ερώτημα: Δεδομένου του βαθμού εξυπηράτησης και του φορτίου κίνησης, ποιός είναι ο αριθμός των καναλιών που θα πρέπει να ανατεθούν σε ένα κύτταρο για να εξυπηρετήθουν κατά το δυνατόν όλοι οι συνδρομητές; Ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιεί το προς σχεδιασμό δίκτυο (GSM, TETRA, UMTS) η επιτροπή καταχώρησης συχνοτήτων παραχωρεί στον πάροχο ένα τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος το οποίο χρησιμοποιείται από την εν λόγω τεχνολογία. Με βάση λοιπόν το διαθέσιμο, περιορισμένο εύρος ζώνης, θα πρέπει να αποφασίσει ο τηλεπικοινωνιακός μηχανικός πώς θα καταχωρήσει με βέλτιστο τρόπο τις συχνότητες. Συγκεκριμένα στην τεχνολογία GSM 900 ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών για κάθε ζεύξη είναι 124, το εύρος ζώνης κάθε ζεύξης είναι 25MHz και το εύρος ζώνης του αμφίδρομου καναλιού είναι 400KHz. Παρ' όλα αυτά το ήδη περιορισμένο φάσμα, περιορίζεται ακόμη περισσότερο καθώς ένα μέρος του φάσματος μένει αναξιοποίητο, καθώς σε αυτό εμφανίζονται προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3ου ή 5ου βαθμού, ενώ ο πάροχος δεν είναι μόνο ένας άρα οι συχνότητες διαμοιράζονται. Επομένως ο πάροχος μπορεί να αξιοποιήσει ένα υποσύνολο συχνοτήτων για παράδειγμα 62 από τις 124. Καθίσταται λοιπόν σαφές οτι πρέπει να ακολουθηθεί ένας πολύ προσεκτικός σχεδιασμός, έτσι ώστε με τις ελάχιστες αυτές συχνότητες να μπορέσει να εξυπηρετηθεί ένας μεγάλος και συνεχώς αυξανόμενος αριθμός συνδρομητών. Οδηγούμαστε λοιπόν στην λογική της επαναχρησιμοποίησης των διαθέσιμων πόρων, εν ολίγοις στην επαναχρησιμοποίηση της ίδιας συχνότητας σε μία απόσταση ασφαλείας. Εάν κύτταρα που βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο, χρησιμοποιήσουν την ίδια συχνότητα τότε θα έχουμε πολλές παρεμβολές στην επικοινωνία. Συνεπώς η ίδια συχνότητα πρέπει να επαναχρησιμοποιηθεί σε μία απόσταση, στην οποία δεν θα δημιουργεί παρεμβολές. 66

67 Σε αυτό το σημείο στη σχεδίαση, ειπεισέρχεται η έννοια της συγκρότησης κυψελών επαναληψιμότητας (cluster/υπερκύτταρα). Ορίζουμε δηλαδή ένα γκρουπ κυψελών στα οποία καταχωρούνται όλες οι διαθέσιμες συχνότητες από μία φορά και στη συνέχεια επαναλαμβάνουμε αυτό το γκρουπ σε όλη μας τη σχεδίαση. Το μέγεθος του cluster μπορεί να είναι 7,9 ή 12. Στο GSM έχει τυποποιηθεί ένα μέγεθος Ν=12. Παρ' όλα αυτά το Ν=12 δεν είναι πανάκεια, καθώς μπορεί να είμαστε πιο ανεκτικοί σε παρεμβολές, οπότε να μειώσουμε τον συντελεστή και να οδηγηθούμε σε μεγαλύτερη επαναχρησιμοποίηση και περισσότερες συχνότητες ανά κύτταρο. Αφού καταλήξουμε λοιπόν στο μέγεθος του cluster, σειρά έχει η καταχώρηση συχνοτήτων στα κύτταρα, η οποία πρέπει να γίνει με τρόπο έτσι ώστε να λαμβάνει υπόψιν της τις διάφορες παρεμβολές (αναλύονται διεξοδικά στη συνέχεια του κεφαλαίου) και να προσπαθεί να τις εξαλείψει σχεδιαστικά. Για παράδειγμα, εάν υπάρχουν στο ίδιο κύτταρο ή σε γειτονικά κύτταρα γειτονικές συχνότητες, το σύστημά μας θα υποφέρει από παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Στο πλαίσιο της διαχείρισης και ανάθεσης συχνοτήτων, μελετάμε και τις τεχνικές πρόσβασης των συνδρομητών στο δίκτυο. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές πρόσβασης, οι δυο κυρίαρχες είναι με διαίρεση χώρου και χρόνου. Η τεχνική πρόσβασης που έχει κυριαρχήσει όμως είναι η TDMA (διαίρεση χρόνου) στην οποία το χρονικό πλαίσιο διαιρείται σε 8 χρονοθυρίδες, κάθε μία από τις οποίες διατίθεται σε κάποιον συνδρομητή για επικοινωνία. Εν ολίγοις χονδρικά αυτό μπορεί να ερμηνευθεί ως εξής: με την τεχνική αυτή, σε μία συχνότητα, μπορούν να μεταδώσουν 8 χρήστες. H λογική βάσει της οποίας δομείται η μετάδοση απεικονίζεται στο ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 2.5: Διαχείριση συχνοτήτων 67

68 Η τελική απόφαση για τον σχεδιασμό και την ανάθεση συχνοτήτων, λαμβάνεται μετά από σειρά προσομοιώσεων με ειδικά προγράμματα. Όπως περιγράφηκε στην αμέσως προηγούμενη ενότητα η μέθοδος υπολογισμού μίας τριπλέτας αριθμού καναλιών-βαθμού εξυπηρέτησης-μέγιστης τηλεπικοινωνιακής κίνησης, είναι η μέθοδος Erlang B. Υπάρχει λοιπόν ένας ειδικός πίνακας που μας δίνει τιμές για τον εκάστοτε άγνωστό μας. Εάν λοιπόν θέλουμε για παράδειγμα, να βρούμε πόσα κανάλια χρειαζόμαστε όταν έχουμε blocking probability 3% και συνδρομητικό φορτίο 4,7 erlang, ανατρέχουμε στον πίνακα Erlang b και βλέπουμε οτι Κ=9, συνεπώς ξεκινάμε το σχεδιασμό γνωρίζοντας οτι θέλουμε 9κανάλια/κυψέλη. Αντίστοιχα εάν η παράμετρος που γνωρίζουμε είναι ο αριθμός των καναλιών που έχουμε διαθέσιμα και η ποιότητα εξυπηρέτησης, τότε μέσω του πίνακα Erlang B μπορούμε να βρούμε τον μέγιστο αριθμό συνδρομητών που μπορεί να εξυπηρετήσει το σύστημά μας. Σχήμα 2.6: Πίνακας Erlang B Ο αριθμός των καναλιών σε αυτή την περίπτωση καθορίζει και τον αριθμό των συχνοτήτων που θα ανατεθούν σε κάθε κυψέλη. Όπως γνωρίζουμε το TDMA πλαίσιο αποτελείται από 8 χρονοθυρίδες ( timeslots) συνεπώς κάθε συχνότητα αντιστοιχεί σε 8 κανάλια επικοινωνίας. Άρα για να βρούμε τον αριθμό των συχνοτήτων, δεν έχουμε παρά να διαιρέσουμε τον αριθμό των καναλιών δια του 8. Αντίστοιχα σε περίπτωση που γνωρίζουμε οτι διατείθενται χ συχνότητες, για να βρούμε πώς αυτές πρέπει να κατανεμηθούν έτσι ώστε το σύστημά μας να είναι λειτουργικό, αρχικά τις διαιρούμε με το μέγεθος του cluster ή αλλιώς παράγοντα επαναχρησιμοποίησης, βρίσκουμε έτσι πόσες συχνότητες αντιστοιχούν σε κάθε κύτταρο, στη συνέχεια τις πολλαπλασιάζουμε επι 8 και βρίσκουμε πόσα κανάλια αντιστοιχούν σε κάθε κύτταρο. 68

69 2.5 Παρεμβολές Το περιβάλλον επι του οποίου εγκαθίστανται τα συστήματα κινητών επικοινωνιών μαστίζεται από μία ποικιλία παρεμβολών που δημιουργούν πρόβλημα στην επικοινωνία και υποβιβάζουν το QoS. Οι παρεμβολές είναι ο κύριος παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση των κυτταρικών συστημάτων. Πηγές παρεμβολών μπορεί να είναι για παράδειγμα, μία κλίση που βρίσκεται σε εξέλιξη σε γειτονικό κανάλι, άλλοι σταθμοί βάσης που λειτουργούν στις ίδιες συχνότητες... Οι κυριότερες από αυτές είναι η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης, η συγκαναλική παρεμβολή και η παρεμβολή γειτονικού καναλιού Ομοκαναλική παρεμβολή Δεδομένου του περιορισμένου φάσματος συχνοτήτων που είναι διαθέσιμο για τις κινητές επικοινωνίες, ο διαμοιρασμός συχνοτήτων σε σταθμούς βάσης, γίνεται βάσει της αρχής της επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων με στόχο να αποφευχθεί ή να περιοριστεί κατά το δυνατόν το φαινόμενο της ομοκαναλικής παρεμβολής. Μιλούμε για ομοκαναλική παρεμβολή όταν ο πομπός του συστήματος- παρεμβολέα εκπέμπει στην ίδια συχνότητα φέροντος με τον δέκτη του παρεμβαλλομενου συστήματος, ώστε το εύρος ζώνης του σήματος βασικής ζώνης του παρεμβολέα να καλύπτει μέρος ή ολόκληρο το εύρος βασικής ζώνης του δέκτη του παρεμβαλλομένου συστήματος. Τα κελιά που χρησιμοποιούν την ίδια ομάδα συχνοτήτων ονομάζονται ομοκαναλικά κελιά. Σε αντίθεση με τον θερμικό θόρυβο που μπορεί να αντιμετωπιστεί με αύξηση του λόγου σήματος προς θόρυβο, μία ενδεχόμενη αύξησή του προς αντιμετώπιση της ομοκαναλικής παρεμβολής θα είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της έντασης της παρεμβολής. Ο μόνος τρόπος να αντιμετωπιστεί αυτό το φαινόμενο, είναι ο σωστός διαμοιρασμός συχνοτήτων στα κελιά, ωστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή απόσταση μεταξύ των κελιών που χρησιμοποιούν το ίδιο μπουκέτο συχνοτήτων. Όταν το μέγεθος των κελιών που απαρτίζουν ένα σύστημα είναι το ίδιο και οι σταθμοί βάσης μεταδίδουν την ίδια ισχύ, ο λόγος ομοκαναλικής παρεμβολής είναι ανεξάρτητος της μεταδιδόμενης ισχύος και είναι συνάρτηση της ακτίνας του κελιού (R) και της απόστασης των κέντρων από τα κοντινότερα ομοκαναλικά κελιά (D). Αυξανομένου του D/R, αυξάνεται η απόσταση μεταξύ των ομοκαναλικών κελιών, έτσι οι παρεμβολές μειώνονται. Η παράμετρος Q, που ονομάζεται λόγος ομοκαναλικής επαναχρησιμοποίησης, σχετίζεται με το μέγεθος του cluster, Q= D/R = (3N)1/2 όπου Ν= i2 +ij + j2 Η διαδικασία εύρεσης των κοντινότερων ομοκαναλικών κελιών για ένα συγκεκριμένο κανάλι έχει ως εξής: 69

70 1ο βήμα: Μετακινούμαστε κατά i κύτταρα κατά μήκος οποιασδήποτε αλυσίδας εξαγώνων 2ο βήμα: Στο iοστο κύτταρο πραγματοποιείται στροφή 60ο με κατεύθυνση αντίθετη από την κίνηση των δεικτών του ρολογιού 3ο βήμα: Μετακινούμαστε κατά j κύτταρα κατά μήκος της νέας αλυσίδας εξαγώνων To jοστο κύτταρο είναι το ζητούμενο συγκαναλικό κύτταρο, δηλαδή το κύτταρο στο οποίο επαναχρησιμοποιούνται οι συχνότητες του κυττάρου απο το οποίο ξεκινήσαμε (κύτταρο αναφοράς). Ομοίως βρίσκονται και τα υπόλοιπα συγκαναλικά κύτταρα. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνονται τα ομοκαναλικά κύτταρα για cluster size K=7, i=2, j=1 Σχήμα 2.7: Ομοκαναλική παρεμβολή Τα συγκαναλικά κύτταρα θα μπορούσαν να προσδιοριστούν πραγματοποιώντας μετακίνηδη κατά j κύτταρα πριν την περιστροφή και κατόπιν μετακίνηση κατά i στην νέα κατεύθυνση. Υπάρχουν 4 τρόποι εύρεσης των συγκαναλικών κυττάρων και έχουν ως αποτέλεσμα 2 διαφορετικούς σχηματισμούς. Μετά το πέρας της διαδικασίας, τα κύτταρα σχηματίζουν το συγκρότημα κυψελών επαναληψιμότητας (cluster). Ο αριθμός των κυττάρων που απαρτίζει κάθε συγκρότημα (cluster) είναι N. H επιλογη του αριθμού των κυττάρων ανά cluster έχει να κάνει με τους περιορισμούς που 70

71 τίθενται για την ομοκαναλική παρεμβολή. Ενδεχόμενη αύξηση του Ν συνεπάγεται αύξηση της απόστασης των συγκαναλικών κυττάρων, άρα μείωση των παρεμβολών καθώς αυξάνεται ο λόγος σήματος προς παρεμβολής (SIR signal to interference ratio) Παρεμβολή Ενδοδιαμόρφωσης Η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης ανήκει στην κατηγορία των προβλέψιμων παρεμβολών και απαντάται στα κυκλώματα εξόδου των πομπών ή στα κυκλώματα εισόδου των δεκτών και οφείλεται στη μη- γραμμικότητα των κυκλωμάτων. Η παρουσία μη γραμμικών στοιχείων σε ένα σύστημα προκαλεί στο σήμα παραμόρφωση καθώς όταν το ημιτονικό σήμα περνά από τη μη γραμμική διάταξη πολλαπλασιάζεται με ένα πολυώνυμο και έτσι δημιουργούνται αρμονικές συχνότητες λόγω των όρων του πολυωνύμου. Έτσι το σήμα διευρύνει το φάσμα του. Κατά τη μίξη δυο σηματων, δημιουργούνται σήματα σε νέες συχνότητες, οι νέες αυτές συχνότητες ονομάζονται προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης. Ο γενικός τύπος των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης είναι fk= nfi +mfi ( ή -) όπου fk είναι η συχνότητα του σήματος στην έξοδο από το μη γραμμικό στοιχείο fi και fj οι συχνότητες των σημάτων εισόδου στο μη γραμμικό στοιχείο και n,m ακέραιοι που καθορίζουν την τάξη των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης. Ως τάξη προϊόντος ενδοδιαμόρφωσης ορίζεται η απόλυτη τιμή του αθροίσματος των n, m, δηλαδή Τάξη Π.Ε. = n+ m Τα προϊόντα περιττής τάξης είναι αυτά που παίζουν τον κύριο ρόλο στην υποβάθμιση του λόγου σήματος προς θόρυβο των κυτταρικών συστημάτων κινητής τηλεφωνίας. Από το σύνολο των προϊόντων αυτών, αυτά που είναι της μορφής nfi -mfj πλήττουν κυρίως τους ραδιοδιαύλους επικοινωνίας του συγκεκριμένου κυτταρικού συστήματος σε συνθήκες λειτουργίας αυτού σε ώρα αιχμής. Όσο αυξάνεται η τάξη του προϊόντος, τόσο το πλάτος αυτών είναι μικρότερο, κατά συνέπεια τα προϊόντα 3ης και 5ης τάξης είναι τα πιο σημαντικά και αυτά που προκαλούν τα μεγαλύτερα προβλήματα στην επικοινωνία (πιο έντονες παραμορφώσεις). Η αντιμετώπιση της παρεμβολής ενδοδιαμόρφωσης επιτυγχάνεται με τη δημιουργία καταλόγων συχνοτήτων απαλλαγμένων από προιόντα νοστης τάξης. Με τον τρόπο αυτό οι συχνότητες πάνω στις οποίες σκάνε τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης τίθενται εκτός του φάσματος που είναι προς χρήσιν, αλλά κερδίζουμε σε ποιότητα επικοινωνίας. 71

72 2.5.3 Παρεμβολή γειτονικού καναλιού Η παρεμβολή γειτονικού καναλιού εμφανίζεται όταν τα φίλτρα αποκοπής συχνοτήτων στον πομπό και στον δέκτη δεν έχουν απότομη συνάρτηση μεταφοράς και αδυνατούν να αποκόψουν συχνότητες εκτός του εύρους συχνοτήτων λειτουργίας που τους έχει ανατεθεί. Σαν αποτέλεσμα δημιουργούνται παρεμβολές σε ένα σύστημα από συστήματα που χρησιμοποιούν γειτονικές συχνότητες λειτουργίας. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται με τον περιορισμό των ουρών του φασματικού εύρους από τα φίλτρα. Αυτό γίνεται εφικτό με την κατασκευή φίλτρων με απότομη συνάρτηση μεταφοράς, κάτι που είναι δύσκολο και ακριβό ή με μείωση του εύρους ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας κάτι που όμως δεν είναι συμφέρον λόγω του περιορισμένου φάσματος που διατίθεται. Με ανάθεση διαδοχικών καναλιών στη ζώνη συχνοτήτων σε διαφορετικά κελιά, πολλά σχήματα κατανομής μπορούν να ξεχωρίσουν τα γειτονικά κανάλια από το κανάλι ενός κυττάρου χωρίζοντας το συνολικό εύρος ζώνης σε Ν εύρη ζώνης καναλιού, όπου Ν το μέγεθος του cluster. Μερικά σχήματα κατανομής εμποδίζουν επίσης μία δευτερεύουσα παρεμβολή με την αποφυγή χρησιμοποίησης γειτονικών συχνοτήτων σε γειτονικά κύτταρα. Εάν ο παράγοντας επαναχρησιμοποίησης της συχνότητας είναι μικρός, μπορεί ο διαχωρισμός μεταξύ γειτονικών καναλιών να μην είναι επαρκής. 2.6 SNR (Signal to noise ratio) Ο μηχανικός που ασχολείται με τα συστήματα μετάδοσης χρησιμοποιεί κατά κόρον ως κριτήριο τον λόγο σήματος προς θόρυβο. Το SNR εκφράζει σε decibel το ποσο κατά το οποίο το επίπεδο ενός σήματος υπερβαίνει τον θόρυβο που εμφανίζεται σε αυτό, εν ολίγοις πόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς του σήματος από την ισχύ του θορύβου. Είναι ουσιαστικά ο λόγος της ισχύος του σήματος, προς την ισχύ του θορύβου. Ανάλογα με τον τύπο της πληροφορίας που μεταδίδεται υπάρχει ένα μίνιμουν επίπεδο SNR που πρέπει να διασφαλιστεί προκειμένου να θεωρείται η μετάδοση ποιοτικά ικανοποιητική. Για μετάδοση φωνής, ανέρχεται στα 30dB, για μετάδοση βίντεο στα 45dB ενώ για μετάδοση δεδομένων στα 15dB (βασισμένο σε ένα καθορισμένο BER και τύπο διαμόρφωσης) Ένα ενδιαφέρον μέγεθος που σχετίζεται με το SNR είναι ο λόγος Eb/N0 που είναι η ενέργεια ανά bit προς την φασματική πυκνότητα του θορύβου. Πρόκειται ουσιαστικά περι κανονικοποίησης του SNR. Είναι ιδιαιτέρως χρήσιμο μέγεθος όταν συγκρίνουμε απόδοση BER σε διαφορετικές διαμορφώσεις. Ισούται με το SNR εάν το διαιρέσουμε με την ακαθάριστη φασματική απόδοση σε Hz. Η φασματική πυκνότητα θορύβου συνήθως εκφράζεται σε W/Hz αλλά μπορεί να θεωρηθεί οτι έχει διαστάσεις ενέργειας. Συνεπώς ο λόγος Eb/N0 είναι αδιάστατος. Για ψηφιακά συστήματα μετάδοσης η έκφραση αυτή είναι καταλληλότερη για να περιγράψει ένα ληφθέν σήμα σε σχέση με το SNR. Η έκφραση αυτή ουσιαστικά δίνει την ενέργεια του ληφθέντος σήματος ανα bit ανα Hz θερμικού θορύβου. 72

73 Ανάλογα με τη διαμόρφωση που χρησιμοποιείται, τον τύπο του ανιχνευτή περιβάλλουσας και την κωδικοποίηση του σήματος που μεταδίδεται, ο απαιτούμενος λόγος Eb/N0 για ένα δεδομένο BER μπορεί να ποικίλει από 4 μέχρι 25 db. 2.7 ΒΕR (bit error rate) Στην ψηφιακή μετάδοση, ο αριθμός των λάθος bit είναι ο αριθμός των ληφθέντων bit, των οποίων η αξία έχει αλλάξει λόγω θορύβου, παρεμβολών ή λαθών συγχρονισμού. Το BER είναι ο αριθμός των λάθος bit διαιρεμένος με τον συνολικό αριθμό των bit που μεταδόθηκαν κατά τη διάρκεια του χρόνου στον οποίο αναφερόμαστε. Είναι μία αδιάστατη μονάδα που συνήθως εκφράζεται σε ποσοστά %. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την τιμή του BER μπορεί να είναι ο θόρυβος, οι παρεμβολές, προβλήματα συγχρονισμού, εξασθένιση, φαινόμενα πολυδιόδευσης, παραμόρφωση κλπ. Πρέπει να σημειωθεί οτι το BER μετάδοσης, είναι ο αριθμός των λανθασμένων bit πριν τη διόρθωση λαθών, διαιρεμένο με τον συνολικό αριθμό των bit. Υπο φυσιολογικές συνθήκες το BER μετάδοσης είναι μεγαλύτερο του τελικού BER μετά την αποσφαλμάτωση. Το χειρότερο σενάριο είναι ένα εντελώς τυχαίο κανάλι, οπου κυριαρχεί ο θόρυβος, κάτι τέτοιο καταλήγει σε ένα BER 50%. Σε ένα κανάλι με θόρυβο, το BER συχνά εκφράζεται σαν μία συνάρτηση του κανονικοποιημένου SNR. Στο κάτωθι διάγραμμα απεικονίζεται η σχέση μεταξύ BER και Eb/N0 ανάλογα με τον τύπο της διαμόρφωσης που έχει επιλεγεί. 73

74 Σχήμα 2.8: BER συναρτήσει Εb/N0 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό είδαμε τον πλήθος των παραμέτρων που πρέπει να λάβει υπόψιν του ένας τηλεποικοινωνιακός μηχανικός ο οποίος προχωρά στη σχεδίαση συστήματος κινητών επικοινωνιών σε μία περιοχή κάτι που αναδεικνύεται σε ένα πολύ δύσκολο πρόβλημα. Η γεωγραφική περιοχή καθορίζει τον τύπο του μοντέλου το οποίο θα επιλέξει για τις προσομοιώσεις και για την εκτίμηση της στάθμης του σήματος ο μηχανικός. Ακολούθως παράμετροι όπως το συνδρομητικό φορτίο, ο παράγοντας επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων, οι παρεμβολές και η προσπάθεια μείωσης τους, καθώς και ο επιθυμητός βαθμός εξυπηρέτησης, καθορίζουν το πώς θα ανατεθούν οι διαθέσιμες συχνότητες στα κύτταρα τα οποία θα καλύψουν την περιοχή ενδιαφέροντός μας. 74

75 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηρισμός Ασύρματου καναλιού Εισαγωγή Η ισχύς του σήματος που θα φτάσει στον δέκτη σε ένα περιβάλλον διάδοσης εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, η σημαντικότετη από αυτές είναι η απόσταση που καλείται να διανύσει το σήμα. Τις πλείστες των περιπτώσεων στον ραδιόδρομο που ενώνει τον πομπό με τον δέκτη, υπάρχουν εμπόδια και στα αστικά κυρίως περιβάλλοντα δεν υπάρχει οπτική επαφή πομπού-δέκτη (line of sight-los). Η μετάδοση του σήματος λοιπόν στηρίζεται κυρίως στις πολλαπλές ανακλώμενες σε διάφορα αντικείμενα, συνιστώσες, οι οποία αθροίζονται διανυσματικά στην κεραία του δέκτη άμα τη αφίξει τους. Το φαινόμενο αυτό των πολλαπλών ανακλάσεων ονομάζεται πολυδιόδευση. Οι πολλαπλές συνιστώσες που αθροίζονται στον δέκτη, έχουν συνήθως διαφορετικά πλάτη, φάσεις, γωνία άφιξης ή και μικρές διαφοροποιήσεις στη συχνότητα, συνεπώς έχουμε έντονες διακυμάνσεις στο ληφθέν σήμα. Οι διακυμάνσεις αυτές ονομάζονται διαλείψεις πολλαπλών διοδεύσεων (multipath fading). Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζουμε τους μηχανισμούς διάδοσης, τις διαλείψεις και τα είδη τους και τέλος τα μαθηματικά μοντέλα-κατανομές, που έχουν τυποποιηθεί έτσι ώστε να μπορούμε στατιστικά να προβλέψουμε την κατανομή των διαλείψεων και την περιβάλλουσά τους. 3.1 Μηχανισμοί διάδοσης Οι κύριοι φυσικοί μηχανισμοί που λαμβάνουν χώρα κατά τη διέλευση του σήματος μέσα από ένα φυσικό μέσο διάδοσης είναι η ανάκλαση, η περίθλαση και η σκέδαση. Τα περισσότερα κυτταρικά δίκτυα βρίσκονται εγκατεστημένα σε αστικά περιβάλλοντα όπου τις πλείστες των περιπτώσεων δεν υπάρχει LOS και η κτιριακή δόμηση είναι υψηλή, συνεπώς οι μηχανισμοί αυτοί διαδραματίζουν κομβικό ρόλο στη μετάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που μέσω διαφορετικών μονοπατιών που καθορίζονται από τους μηχανισμούς, καταλήγουν στον τελικό παραλήπτη. Σχήμα 3.1: Μηχανισμοί Διάδοσης Ανάκλαση συμβαίνει όταν το ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει πάνω σε ένα μία ομαλή επιφάνεια, με πολύ μεγαλύτερες διαστάσεις από το μήκος κύματός του. Ανάκλαση έχουμε για παράδειγμα από την επιφάνεια της γης ή πάνω σε κτήρια. Περίθλαση/ Διάθλαση (σκίαση) συμβαίνει όταν στη φυσική διαδρομή μεταξύ πομπού και δέκτη 75

76 παρεμβάλλονται μεγάλες ανομοιομορφίες. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό, δευτερεύονται κύματα ακολουθούν καμπύλη τροχιά γύρω από το εμπόδιο και τελικά ένα ποσοστό του σήματος φτάνει στον δέκτη, ακόμα και στην περίπτωση που δεν υπάρχει οπτική επαφή. Σε υψηλές συχνότητες το φαινόμενο της διάθλασης εξαρτάται από τη γεωμετρία του αντικειμένου που παρεμβάλλεται καθώς και από τα φυσικά χαρακτηριστικά του προσπίπτοντος κύματος. Σκέδαση: Εμφανίζεται όταν ένα κύμα προσπίπτει σε ένα αντικείμενο με διαστάσεις της τάξεως μεγέθους του μήκους κύματος ή και μικρότερες. Το φαινόμενο της σκέδασης στις κινητές επικοινωνίες το προκαλούν για παράδειγμα φύλλα δένδρων, αέρια της ατμόσφαιρας, αιωρούμενα σωματίδια... Θεωρητικά θα περίμενε κανείς οτι η στάθμη του σήματος σε μία δεδομένη απόσταση από τον πομπό θα ήταν η ίδια για κάθε χρονική στιγμή, όμως κάτι τέτοιο δεν ισχύει. Η λαμβανόμενη ισχύς ποικίλει για διαφόρους λόγους. Δυο από τους σημαντικότερους είναι: Σκίαση (shadowing)- απόσβεση λόγω μεγάλων εμποδίων Διαλείψεις (fading)- μεταβολές μικρής χρονικής κλίμακας που οφείλονται στο περιβάλλον και στο φαινόμενο της πολυδιόδευσης. 3.2 Το φαινόμενο των διαλείψεων Διαλείψεις σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα ονομάζονται οι διακυμάνσεις του σήματος στον δέκτη που έχουν να κάνουν με το πλάτος, τη γωνία αφίξεως και τη φάση του και οφείλονται στην συμβολή σημάτων που έχουν φτάσει στον δέκτη ακολουθώντας διαφορετικές διαδρομές. Θεωρούμε λοιπόν οτι το μέσον διάδοσης δεν είναι ιδανικό, οτι υπάρχουν εμπόδια και οτι έχει εμφανιστεί τουλάχιστον ένας από τους μηχανισμούς διάδοσης που περιγράφηκε. Οι διαλείψεις μπορούν να χωριστούν σε δυο τύπους με κριτήριο την αιτία εμφάνισης αλλά και την κατανομή που ακολουθούν, τις διαλείψεις μεγάλης κλίμακας και τις διαλείψεις μικρής κλίμακας. Οι διαλείψεις αυτές αφορούν σε μεταβολή της στιγμιαίας τιμής του πλάτους του σήματος γύρω από μία μέση τιμή, η πραγματική στιγμιαία ισχύς του σήματος δεν μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια, μπορεί όμως να προσδιοριστεί το διάστημα τιμών μέσα στο οποίο κινείται η στιγμιαία ισχύς. Το διάστημα αυτό ορίζει και την συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF- probability density function) που περιγράφει πώς κατανέμεται το πλάτος του σήματος γύρω από την εκάστοτε μέση τιμή. Λόγω του γεγονότος οτι δουλεύουμε με μέσες τιμές και όχι με στιγμιαίες τιμές ιδιαίτερα σημαντικό είναι το Κεντρικό Οριακό Θεώρημα (CLT). To Θεώρημα Κεντρικού Ορίου περιγράφει τα χαρακτηριστικά του πληθυσμού των μέσων τιμών που σχηματίζεται από τις μέσες τιμές άπειρων πληθυσμιακών δειγμάτων, καθένα από τα οποία αποτελείται από Ν τυχαία δείγματα. Το θεώρημα αυτό προβλέπει εκτός των άλλων ανεξάρτητα από τη μορφή της κατανομής που ακολουθεί ο μητρικός πληθυσμός, οτι η κατανομή του πληθυσμού των μέσων τιμών τείνει προς την κανονική (γκαουσιανή) κατανομή, όσο αυξάνει ο αριθμός Ν των δειγμάτων. Συνεπώς όταν λαμβάνουμε τις μέσες τιμές μετρήσεων μίας ποσότητας, η κατανομή τους τείνει στην κανονική. Η επιπλέον σημαντικότητα του θεωρήματος έγκειται στο οτι αν η μεταβλητή που μετρούμε, εξαρτάται στην πραγματικότητα από πολλές άλλες μεταβλητές που μπορεί να είναι 76

77 ανεξάρτητες μεταξύ τους και που μπορεί να ακολουθούν διαφορετικές κατανομές, το τυχαίο σφάλμα που συνοδεύει τις μετρήσεις, τείνει να αποκτήσει κανονική κατανομή. Η εξίσωση που περιγράφει την κανονική Gaussian κατανομή είναι η ακόλουθη: ενώ η γραφική της παράσταση είναι η γνωστή γκαουσιανή καμπάνα. Τα μοντέλα διάδοσης που υπάρχουν, παραδοσιακά επικεντρώνουν στην πρόβλεψη της μέσης στάθμης του ληφθέντος σήματος σε μία δεδομένη απόσταση από τον πομπό, όπως επίσης και την διαφοροποίηση της ισχύος του σήματος σε περιορισμένο περιβάλλοντα χώρο από το σημείο. Τα μοντέλα που προβλέπουν τη μέση ισχύ για μία αυθαίρετη απόσταση πομπού-δέκτη είναι χρήσιμα για την εκτίμηση της περιοχής κάλυψης ενός πομπού και ονομάζονται large-scale μοντέλα μιας και έχουν να κάνουν με την ισχύ του σήματος σε μεγάλες αποστάσεις. Ο όρος small-scale fading ή απλά 'fading' χρησιμοποιείται για να περιγράψει τις γρήγορες αλλαγές στο πλάτος ενός ραδιοσήματος σε μία μικρή χρονική περίοδο ή απόσταση, έτσι ώστε τα large-scale path loss φαινόμενα να μπορούν να αγνοηθούν. Η εξασθένιση προκαλείται από αλληλεπίδραση που δημιουργεί παρεμβολές, μεταξύ δυο ή περισσότερων εκδοχών του μεταδιδόμενου σήματος που φτάνουν στον δέκτη σε ελάχιστα διαφορετικούς χρόνους. Αυτά τα κύματα που ονομάζονται πολυοδεύοντα κύματα, αθροιζόμενα διανυσματικά στον δέκτη δίνουν ένα σήμα που ποικίλει όσον αφορά στο πλάτος και τη φάση του, εξαρτώμενο από την κατανομή της έντασης, το εύρος ζώνης του σήματος και τον σχετικό χρόνο διάδοσής του. Η πολλαπλή διάδοση προκαλεί τρια κυρίως φαινόμενα: Γρήγορες χωρικές και χρονικές μεταβολές της έντασης του σήματος Τυχαία διαμόρφωση συχνότητας λόγω των μετατοπίσεων Doppler στη συχνότητα του σήματος των διαφόρων διοδεύσεων Χρονική διασπορά λόγω διαφορετικών καθυστερήσεων διόδευσης. Σε αστικές περιοχές, διαλείψεις προκύπτουν εξαιτίας του ύψους στο οποίο βρίσκονται οι κεραίες και του ύψους των κτιρίων κάτι που κάνει την LOS σύνδεση πρακτικά αδύνατη. Ακόμη κι εάν υπάρχει οπτική επαφή, multipath fading συνεχίζει να υπάρχει εξαιτίας των μηχανισμών διάδοσης. Το σήμα που λαμβάνεται από το κινητό ανά πάσα στιγμή μπορεί να αποτελείται από μεγάλο αριθμό συμβαλόντων κυμάτων. Ακόμη κι εάν ο χρήστης είναι ακίνητος μπορεί να παρουσιαστεί διάλειψη λόγω της κίνησης άλλων αντικειμένων. Εάν τα αντικείμενα και το ραδιοκανάλι είναι στατικά, τότε η κίνηση θεωρείται οτι οφείλεται μόνο στον συνδρομητή και η διάλειψη είναι μόνο χωρικό φαινόμενο. Ένας συνδρομητής ο οποίος κινείται με μεγάλη ταχύτητα μπορεί να περάσει μέσα από έναν μεγάλο αριθμό εξασθενίσεων σε μικρό χρόνο. Σε μία πιο σοβαρή περίπτωση, ένας συνδρομητής μπορεί να σταματήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα σε ένα μέρος όπου το σήμα είναι πολύ εξασθενημένο. Σε μία τέτοια περίπτωση 77

78 είναι ιδιαιτέρως δύσκολο να διατηρηθεί η ποιότητα της επικοινωνίας και η επικοινωνία η ίδια, αν και ανακλάσεις σε διερχόμενα αυτοκίνητα ή κινούμενα αντικείμενα μπορούν να βοηθούν περιστασιακά σε αυτό. Λόγω της σχετικής κίνησης μεταξύ του συνδρομητή και του σταθμού βάσης, κάθε κύμα σε κάθε μονοπάτι ενδέχεται να έχει διαφορετική συχνότητα από το άλλο. Η αλλαγή στη συχνότητα του ληφθέντος σήματος λόγω της κίνησης ονομάζεται φαινόμενο Doppler και είναι ευθέως ανάλογο της ταχύτητας και της κατεύθυνσης της κίνησης του κινητού. 3.3 Small-scale fading Σε αποστάσεις μικρής κλίμακας μπορούμε να αντιληφθούμε αλλαγές συγκρίσιμες με το μήκος κύματος, έχουμε δηλαδή small-scale fading. Οι αργές διαλείψεις μπορεί να προκληθούν από τη σκίαση, όπου μεγάλα εμπόδια εμποδίζουν την ύπαρξη LOS. Εάν η παρατήρηση γινόταν σε μεγάλες αποστάσεις, θα μας έδινε πιο αργές αλλαγές. Τα large scale propagation models προβλέπουν τη μέση ισχύ του σήματος, ενώ τα small-scale τις γρήγορες εναλλαγές. Διαφορετικά μοντέλα χρησιμοποιούνται ανάλογα με το εάν υπάρχει ή όχι LOS και του πόσα μονοπάτια χρησιμοποιούνται. Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας προκαλούνται από την υπέρθεση ή την αλληλοεξόντωση σημάτων που έχουν φτάσει στο δέκτη ακολουθώντας διαφορετικές διαδρομές. Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις κατηγορίες, ανάλογα με τα φαινόμενα διαλείψεων στα οποία οφείλονται: Επίπεδες διαλείψεις Διαλείψεις επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα Γρήγορες Διαλείψεις Αργές Διαλείψεις Προκειμένου να μπορέσει να προβλεφθεί η επίδραση που έχουν οι εναλλαγές αυτές στην ισχύ λήψης του σήματος στον δέκτη, έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα στατιστικά μοντέλα, υπό μορφή συναρτήσεων πυκνότητας πιθανότητας (PDF). Όταν η PDF είναι γνωστή, μπορούμε να υπολογίσουμε την πιθανότητα με την οποία η λαμβανόμενη ισχύς είναι μικρότερη από ένα δεδομένο κατώφλι. Η μέτρηση αυτή ονομάζεται πιθανότητα διακοπής λειτουργίας. Για τη μελέτη και την κατηγοριοποίηση των καναλιών πολυδιόδευσης χρησιμοποιούνται παράμετροι που χαρακτηρίζουν το ασύρματο κανάλι όπως η διασπορά της καθυστέρησης (delay spread) του καναλιού και το σύμφωνο εύρος ζώνης (coherence bandwidth). Η διασπορά της καθυστέρησης μας δείχνει ουσιαστικά τη χρονική διαφορά με την οποία ο δέκτης λαμβάνει τα διάφορα αντίγραφα του αρχικού σήματος λόγω του φαινομένου της πολυδιόδευσης. Τυπικές τάξεις μεγέθους για το delay spread σε εξωτερικό χώρο είναι msec ενώ σε εσωτερικό nsec. To σύμφωνο εύρος ζώνης χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό του καναλιού στο πεδίο της συχνότητας. Είναι το εύρος ζώνης του φάσματος στο οποίο το κανάλι μπορεί αν θεωρηθεί επίπεδο, δηλαδή όλες οι φασματικές συνιστώσες να είναι συσχετισμένες και να επηρεάζονται με τον ίδιο τρόπο. Είναι αντιστρόφως ανάλογο με τη μέγιστη διαφορά καθυστέρησης που προκαλεί το 78

79 κανάλι. Η διασπορά της καθυστέρησης των σημάτων πολυδιόδευσης είναι η αιτία για τον διαχωρισμό των καναλιών σε δυο κατηγορίες επίπεδα κανάλια από τη μία και κανάλια επιλεκτικών συχνοτήτων από την άλλη Φαινόμενα διαλείψεων εξαιτίας delay spread H χρονική διασπορά εξαιτίας της πολυδιόδευσης προκαλεί στο μεταδιδόμενο σήμα επίπεδες διαλείψεις ή διαλείψεις επιλεκτικών συχνοτήτων Επίπεδα κανάλια διαλείψεων μη επιλεκτικών συχνοτήτων Εάν το ραδιοκανάλι έχει ένα σταθερό κέδρος και γραμμική απόκριση φάσης για ένα εύρος ζώνης μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης του σήματος μετάδοσης, τότε το κανάλι ονομάζεται επίπεδο. Σε ένα τέτοιο κανάλι, η δομή του είναι τέτοια έτσι ώστε τα φασματικά χαρακτηριστικά του σήματος που εξεπέμφθη δεν αλλοιώνονται κατά τη μετάδοση. Παρ' όλα αυτά η ισχύς του ληφθέντος σήματος αλλάζει με το χρόνο λόγω της πολυδιόδευσης. Τα επίπεδα κανάλια ονομάζονται αλλιώς και κανάλια μεταβολής του πλάτους ή στενοζωνικά, καθώς το εύρος ζώνης του σήματος εκπομπής είναι μικρότερο του εύρους ζώνης του καναλιού μετάδοσης. Τυπικά επίπεδα κανάλια προκαλούν μεγάλες εξασθενίσεις κι έτσι μπορεί να απαιτούν μεγαλύτερη ισχύ μετάδοσης (20-30 db παραπάνω) για να διασφαλίσουν μικρά BER κατά τη διάρκεια μεγάλων εξασθενίσεων. Η κατανομή του στιγμιαίοι κέρδους των επιπέδων καναλιών είναι σημαντική για τον σχεδιασμό των ραδιοδρόμων και η πιο κοινή κατανομή για το πλάτος είναι η Rayleigh. Ένα κανάλι χαρακτηρίζεται ως επίπεδο όταν: Bs<<Bc και Ts>>στ όπου Ts είναι η διάρκεια του συμβόλου και Bs είναι το εύρος ζώνης του σήματος εκπομπής, στ και Bc είναι η μέση ενεργός τιμή της διασποτάς της καθυστέρησης και το εύρος ζώνης του καναλιού Κανάλια επιλεκτικών συχνοτήτων Εάν το ραδιοκανάλι έχει ένα σταθερό κέρδος και γραμμική απόκριση φάσης για ένα εύρος ζώνης μικρότερο από το εύρος ζώνης του σήματος μετάδοσης, τότε το κανάλι ονομάζεται κανάλι επιλεκτικών συχνοτήτων. Σε αντίθεση με την προηγούμενη περίπτωση, η διασποτά της καθυστέρησης που προκαλεί το κανάλι είναι μεγαλύτερη από τη διάρκεια του συμβόλου. Όταν συμβαίνει αυτό, το ληφθέν σήμα περιλαμβάνει πολλές βερσιόν της εκπεμφθείσας κυματομορφής που είναι εξασθενημένες και με καθυστέρηση στο πεδίο του χρόνου και γι' αυτό το ληφθέν σήμα είναι παραμορφωμένo καθώς σύμβολα που έχει εκπέμψει ο πομπός σε διαφορετικό χρόνο συμβάλλουν μεταξύ τους στον δέκτη, εμφανίζεται εν ολίγοις το φαινόμενο της διασυμβολικής 79

80 παρεμβολής. Τα κανάλια επιλεκτικών συχνοτήτων μοντελοποιούνται πολύ πιο δύσκολα από τα επίπεδα, καθώς κάθε σήμα από κάθε διαδρομή πρέπει να μοντελοποιηθεί και το κανάλι πρέπει να θεωρηθεί γραμμικό φίλτρο. Ένα από τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση καναλιών επιλεκτικών συχνοτήτων είναι το μοντέλο Rayleigh δυο ή περισσοτέρων ακτίνων. Στα κανάλια επιλεκτικών συχνοτήτων, το φάσμα του σήματος εκπομπής είναι μεγαλύτερο από το σύμφωνο εύρος ζώνης του καναλιού, γι' αυτό το κανάλι ονομάζεται και ευρυζωνικό Για τα κανάλια επιλεκτικών συχνοτήτων ισχύει: Bs> Bc και Ts<στ Φαινόμενα διαλείψεων εξαιτίας της διασποράς Doppler Διασπορά Doppler και σύμφωνος χρόνος (coherence time) Η διασπορά καθυστέρησης και το σύμφωνο εύρος ζώνης είναι παράμετροι που περιγράφουν τη χρονική διασπορά που προκαλεί το ασύρματο κανάλι σε μία περιοχή. Παρ' όλα αυτά δεν παρέχουν πληροφορία σε σχέση με την χρονικά μεταβαλλόμενη φύση του καναλιού που προκαλείται είτε από σχετική κίνηση μεταξύ του κινητού και του σταθμού βάσης, ή από κίνηση αντικειμένων που βρίσκονται εντός του καναλιού. Η διασπορά Doppler και ο σύμφωνος χρόνος είναι παράμετροι που περιγράφρουν τη χρονικά μεταβαλλόμενη φύση του καναλιού σε μία μικρή περιοχή. Η διασπορά Doppler BD είναι ένα μέτρο που χαρακτηρίζει τη διεύρυνση του φάσματος λόγω της χρονικής μεταβολής του ασύρματου καναλιού και ορίζεται ως το εύρος συχνοτήτων στις οποίες το λαμβανόμενο φάσμα Doppler είναι μη μηδενικό. Κατά τη μετάδοση ενός ημιτονοειδούς σήματος συχνότητας fc, το φάσμα του σήματος που λαμβάνεται, που ονομάζεται φάσμα Doppler, θα έχει συνιστώσες σε ένα εύρος fc-fd έως fc+fd, όπου το fd είναι η μετατόπιση Doppler (Doppler shift). Η μετατόπιση Doppler είναι συνάρτηση της σχετικής ταχύτητας του κινητού και της γωνίας θ, μεταξύ της κατεύθυνσης της κίνησης και της κατεύθυνσης άφιξης των περιθλασμένων κυμάτων. Εάν το εύρος ζώνης του σήματος μετάδοσης είναι πολύ μεγαλύτερο του BD τότε η επίδραση της διασποράς Doppler είναι αμελητέα. Τότε μιλάμε για έκα κανάλι αργών διαλείψεων (slow fading channel). Ο σύμφωνος χρόνος Tc είναι το αντίστοιχο της διασποράς Doppler στο πεδίο του χρόνου και χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσε την χρονικά μεταβαλλόμενη φύση της συχνοτικής διασποράς του καναλιού στον χρόνο. Ο σύμφωνος χρόνος και η διασποτά Doppler είναι αντιστρόφως ανάλογα μεταξύ τους. Ο σύμφωνος χρόνος είναι στην πραγματικότητα ένα στατιστικό μέτρο της χρονικής διάρκειας για την οποία η κρουστική απόκριση του καναλιού είναι πρακτικά σταθερή και ποσοτικοποιεί την ομοιότητα της απόκρισης του καναλιού σε διαφορετικές στιγμές. Εάν η διάρκεια ενός συμβόλου που μεταδίδεται είναι μεγαλύτερη από τον σύμφωνο χρόνο του καναλιού, τότε το κανάλι θα αλλάζει κατά τη διάρκεια της μετάδοσης του σήματος, προκαλώντας παραμορφώσεις 80

81 στον δέκτη. Ανάλογα με το πόσο γρήγορα αλλάζει το μεταδιδόμενο σήμα σε σχέση με τον ρυθμό αλλαγής του καναλιού, ένα κανάλι μπορεί να χαρακτηριστεί κανάλι γρήγορων ή αργών διαλείψεων Γρήγορες διαλείψεις Στα κανάλια γρήγορων διαλείψεων, η κρουστική απόκριση του καναλιού αλλάζει ταχύτατα κατά τη διάρκεια ενός συμβόλου, δηλαδή ο σύμφωνος χρόνος του καναλιού είναι μικρότερος από τη χρονική διάρκεια ενός συμβόλου του σήματος εκπομπής. Το φαινόμενο αυτό προκαλεί διασπορά συχνότητας του σήματος λόγω της διασποράς Doppler και την συνακόλουθη παραμόρφωσή του. Στο πεδίο της συχνότητας, η παραμόρφωση είναι ανάλογη με τη διασπορά Doppler. Ένα σήμα υπόκειται σε γρήγορες διαλείψεις αν ισχύουν: Ts>Tc και Bs<Bd Πρέπει να διευκρινιστεί οτι όταν ένα κανάλι χαρακτηρίζεται ως κανάλι γρήγορων ή αργών διαλείψεων, δεν διευκρινίζεται αν είναι επίπεδο ή επιλεκτικών συχνοτήτων. Οι γρήγορες διαλείψεις έχουν να κάνουν μόνο με τον ρυθμό αλλαγής του καναλιού εξαιτίας της κίνησης. Στην περίπτωση επίπεδων καναλιών μπορούμε να θεωρήσουμε την κρουστική απόκριση ως μία απλή συνάρτηση δέλτα. Έτσι λοιπόν ένα επίπεδο κανάλι γρήγορων διαλείψεων είναι ένα κανάλι στο οποίο το πλάτος της δέλτα συνάρτησης αλλάζει πιο γρήγορα από το ρυθμό αλλαγής του μεταδιδόμενου σήματος. Στην περίπτωση ένός καναλιού επιλεκτικών συχνοτήτων γρήγορων διαλείψεων, τα πλάτη, οι φάσεις και οι χρονοκαθυστερήσεις κάθε μίας εκ των πολυοδευόντων συνιστωσών, μεταβάλλονται πιο γρήγορα από τον ρυθμό αλλαγής του μεταδιδόμενου σήματος. Πρακτικά οι γρήγορες διαλείψεις εμφανίζονται μόνο όταν έχουμε πολύ χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων Αργές διαλείψεις Σ' ένα κανάλι με αργές διαλείψεις, η κρουστική απόκριση αλλάζει με έναν ρυθμό πολύ μικρότερο από τη χρονική διάρκεια του συμβόλου του σήματος εκπομπής. Σε αυτή την περίπτωση το κανάλι μπορεί να θεωρηθεί στατικό για ένα διάστημα πολλαπλάσιο της διάρκειας του συμβόλου του σήματος. Στο πεδίο της συχνότητας, αυτό σημαίνει οτι η διασπορά Doppler του καναλιού είναι πολύ μικρότερη από το εύρος ζώνης του σήματος. Ένα σημα υπόκειται σε αργές διαλείψεις όταν ισχύουν: Ts<<Tc και Bs>>Bd 81

82 Η ταχύτητα του κινητού και των αντικειμένων εντός του καναλιού καθορίζουν εάν ένα σήμα υπόκειται σε αργές ή γρήγορες διαλείψεις. Η σχέση μεταξύ των ποικίλων παραμέτρων που έχουν να κάνουν με την πολυδιόδευση και του τύπου των διαλείψεων απεικονίζεται στα κάτωθι σχήματα. Σχήμα 3.2: Παράμετροι που έχουν να κάνουν με τους τύπους των διαλείψεων 82

83 3.3.3 Παράγοντες που επηρεάζουν το small-scale fading Πολλοί παράγοντες στο κανάλι μετάδοσης επηρεάζουν το small-scale fading μεταξύ των οποίων είναι: Πολυδιόδευση Η παρουσία αντικειμένων που προκαλούν ανάκλαση και διάθλαση στο κανάλι δημιουργούν ένα μη σταθερό περιβάλλον διάδοσης που αλλάζει το σήμα κατά πλάτος, φάση συχνότητα και επηρεάζει το χρόνο άφιξης. Τα φαινόμενα αυτά έχουν ως αποτέλεσμα τροποποιημένες κόπιες του σήματος να φτάνουν στην κεραία λήψεις σε διαφορετικούς χρόνους και να συμβάλλουν. Τα διαφορετικά πλάτη και φάσεις των κυμάτων έχουν σαν αποτέλεσμα διαφοροποιήσεις στην ισχύ του σήματος. Η πολυδιόδευση συχνά μεγαλώνει το χρόνο που απαιτείται έτσι ώστε το σήμα να φτάσει στον δέκτη κάτι που μπορεί να προκαλέσει επικάλυψη και αλλοιώσεις στο σήμα λόγω διασυμβολικής παρεμβολής. Η ταχύτητα του κινητού Η σχετική κίνηση μεταξύ του σταθμού βάσης και του κινητού καταλήγει σε τυχαία διαμόρφωση συχνότητας λόγω των μετατοπίσεων Doppler στη συχνότητα των λαμβανομένων σημάτων. Οι μετατοπίσεις Doppler μπορεί να είναι θετικές ή αρνητικές ανάλογα με τη φορά κίνησης του κινητού. Ταχύτητα γύρω αντικειμένων Εάν αντικείμενα που βρίσκονται στον ραδιοδίαυλο είναι σε κίνηση, εισάγουν μία μετατόπιση Doppler στις πολυοδεύουσες συνιστώσες. Εάν τα αντικείμενα κινούνται πιο γρήγορα από το κινητό, τότε το φαινόμενο υπερνικά τις διαλείψεις μικρής κλίμακας. Σε διαφορετική περίπτωση η κίνηση των αντικειμένων στον περιβάλλοντα χώρο μπορεί να αγνοηθεί και λαμβάνεται υπόψιν μόνο η ταχύτητα του κινητού. Το εύρος ζώνης για τη μετάδοση του σήματος Εάν το εύρος ζώνης του σταλθέντος ραδιοσήματος είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης του πολυοδεύοντος καναλιού, το ληφθέν σημα θα είναι παραμόρφωμένο, αλλά η ισχύς δεν θα εξασθενεί πολύ σε μία γύρω περιοχή. To σύμφωνο εύρος ζώνης (coherence bandwidth) είναι ένα μέτρο της μέγιστης διαφοράς συχνότητας για την οποία τα σήματα είναι ισχυρά συσχετισμένα ως προς το πλάτος. Το σύμφωνο εύρος ζώνης ουσιαστικά ποσοτικοποιεί το εύρος ζώνης του καναλιού και συνδέεται με το συγκεκριμένο προφίλ πολυδιόδευσης του καναλιού. 3.4 Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας (σκίαση) large- scale fading Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας αναπαριστούν τις απώλειες ραδιοδρόμου ενός σήματος που επηρεάζεται από μεγάλα αντικείμενα, όπως λόφοι, δάση, κτήρια κλπ που παρεμβάλλονται μεταξύ πομπού και δέκτη. Τις απώλειες αυτές προσπαθούν να υπολογίσουν τα μοντέλα διάδοσης. Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας προκύπτουν σε αστικά, ενδοκτηριακά και outdoor to indoor περιβάλλοντα. Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας έχουν να κάνουν με την μέση τιμή της εξασθένισης της ισχύος λήψης λόγω των απωλειών διαδρομής αλλά και λόγω της σχετικής κίνησης μεταξύ πομπού και δέκτη λόγω των διαφόρων εμποδίων, κάτι που οδηγεί σε μία μεταβαλλόμενη σκίαση του 83

84 δέκτη. Μετά από σειρά πειραμάτων και μετρήσεων έχει δημιουργηθεί ένα αντιπροσωπευτικό μοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών διαδρομής σαν συνάρτηση της απόστασης. Τόσο οι θεωρητικοί υπολογισμοί όσο και τα πειράματα έδειξαν οτι η μέση λαμβανόμενη ισχύς του ληφθέντος σήματος, μειώνεται λογαριθμικά σε σχέση με την απόσταση. Η κατανομή log-normal περιγράφει τα τυχαία φαινόμενα σκίασης σε περιοχές με διαφορετικό δείκτη αταξίας του περιβάλλοντος διάδοσης. Η PDF της log-normal κατανομής είναι η εξής: Η CDF της log-normal είναι: Όπου Φ είναι η CDF της γκαουσιανής κατανομής. Είναι γνωστές και σαν απώλειες διάδοσης μεγάλης ή διαλείψεις log-normal. Tέλος παρατίθενται οι γραφικές παραστάσεις των Log-normal PDF και CDF για διάφορες τιμές του σ. Σχήμα 3.3: Log-normal PDF 84

85 Σχήμα 3.4: Log-normal CDF 3.5 Μοντελοποίηση διαλείψεων μικρής κλίμακας Υπάρχουν δυο κυρίαρχες μοντελοποιήσεις στις διαλείψεις μικρής κλίμακας και ο παράγοντας ο οποίος τις διαφοροποιεί είναι αν υπάρχει (κυρίαρχη) συνιστώσα οπτικής επαφής (LOS). Διακρίνουμε λοιπόν το ασύρματο κανάλι κατά Rayleigh (δεν υπάρχει LOS) και το ασύρματο κανάλι κατά Rice (κυρίαρχη συνιστώσα LOS). Τέλος εξετάζουμε και μία τρίτη μοντελοποίηση, τη Nakagami-m Ασύρματο κανάλι κατά Rayleigh (Rayleigh channel) Όταν η συνθήκη οπτικής επαφής δεν ισχύει και δεν υπάρχει συνιστώσα απευθείας κύματος, η κατανομή που λαμβάνουμε προσεγγίζει τη Rayleigh κατανομή. Συγκεκριμένα, οι προκαλούμενες διαλείψεις και κυρίως η περιβάλλουσα των διαλείψεων (fading envelope) ακολουθεί την κατανομή Rayleigh με την αντίστοιχη συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF). Στο σχήμα 3.5 απεικονίζεται μία τυπική περιβάλλουσα διαλείψεων Rayleigh. Οι διαλείψεις Rayleigh είναι ένας τύπος εξασθένισης του σήματος και προκαλούνται από ανεξάρτητα πολυοδεύοντα σήματα τα οποία χαρακτηρίζονται από την Rayleigh PDF, από μαθηματικής απόψεως είναι ένα στατιστικό μοντέλο. Χρησιμοποιείται για να απεικονίσει το περιβάλλον διάδοσης ενός ραδιοσήματος προκειμένου να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές ασύρματων επικοινωνιών. 85

86 Σχήμα 3.5: Περιβάλλουσα διαλείψεων Rayleigh Οι διαλείψεις κατά Rayleigh είναι ένα ικανοποιητικό μοντάλο για την περιγραφή σήματος το οποίο διαδίδεται στην τροπόσφαιρα, στην ιονόσφαιρα ή σε μία αστική περιοχή με πολύ υψηλή κτιριακή δόμηση. Εν ολίγοις οι διαλείψεις Rayleigh εφαρμόζονται κυρίως όταν δεν υπάρχει line of sight. Το Rayleigh Fading υποθέτει οτι το πλάτος του σήματος το οποίο διέρχεται από το επικοινωνιακό κανάλι θα μεταβάλλεται είτε με τυχαίο τρόπο, είτε θα υφίσταται διαλείψεις οι οποίες θα ακολουθούν την κατανομή κατά Rayleigh. Το συγκεκριμένο μοντέλο περιγράφει το φαινόμενο διάδοσης σε ένα περιβάλλον όπου υπάρχουν πολλά τεχνητά εμπόδια και προκαλούνται πολλαπλά φαινόμενα σκέδασης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος πριν ακόμη φθάσει στον δέκτη. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να ισχύει το Θεώρημα Κεντρικού Ορίου (CLT) Σύμφωνα με το CLT, αν υπάρχει αρκετή διασπορά, η κρουστική απόκριση του καναλιού θα μοντελοποιείται σαν μία διαδικασία Gauss, ανεξάρτητα από την κατανομή των επιμέρους συνιστωσών. Αν δεν υπάρχει κάποια κυρίως συνιστώσα, τότε μία τέτοια διαδικασία έχει μέση τιμή 0 και φάση μεταξύ 0 και 2π που μεταβάλλεται. Σε αυτή την περίπτωση η περιβάλλουσα της απόκρισης του καναλιού έχει κατανομή κατά Rayleigh. Για μία τυχαία μεταβλητή R (πλάτος καναλιού διάλειψης) η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF) είναι: όπου: σ είναι η ενεργός τιμή της στάθμης του ληφθέντος σήματος πριν την ανίχνευση της περιβάλλουσας και σ2 είναι η μέση ισχύς του ληφθέντος σήματος πριν την ανίχνευση της περιβάλλουσας. Η PDF μίας συνεχούς τυχαίας μεταβλητής είναι μία συνάρτηση η οποία μπορεί να ολοκληρωθεί προκειμένου να ληφθεί η πιθανότητα η τυχαία μεταβλητή να λαμβάνει μία τιμή σε ένα δεδομένο διάστημα. 86

87 Η πιθανότητα η περιβάλλουσα του λαμβανομένου σήματος να μην υπερβαίνει μία συγκεκριμένη τιμή R δίνεται από την αθροιστική συνάρτηση κατανομής - CDF. Η μέση τιμή της Rayleigh κατανομής δίνεται από τον τύπο: ενώ η διασπορά της δίνεται από τον τύπο: Ενώ ο μέσος (median) δίνεται από τη σχέση rmedian=1,177σ Συνεπώς η μέση τιμή και ο μέσος διαφέρουν κατά 0,55dB στις διαλείψεις Rayleigh. Αρκετά συχνά χρησιμοποιείται ο μέσος μιάς και τα δεδομένα μετριούνται συχνά επιτόπου και δεν μπορεί να υποτεθεί μία συγκεκριμένα κατανομή. Χρησιμοποιώντας τον μέσο και όχι τη μέση τιμή είναι πιο εύκολο να συγκριθούν μεταξύ τους διαφορετικές κατανομές, των οποίων οι μέσες τιμές μπορεί να διαφέρουν κατά πολύ. Σε σχέση με τη μέση λαμβανόμενη ισχύ, η κατανομή αυτή είναι η χειρότερη δυνατή στην περίπτωση των διαλείψεων μικρής κλίμακας. Tέλος παρατίθενται οι γραφικές παραστάσεις των Rayleigh PDF και CDF για διάφορες τιμές του σ. Σχήμα 3.6: Rayleigh PDF 87

88 Σχήμα 3.7: Rayleigh CDF Διαλείψεις κατά Rice Οι διαλείψεις κατά Rice υπακούουν στη φιλοσοφία ενός στοχαστικού μοντέλου για περιπτώσεις όπου προκαλείται ανωμαλία στη διάδοση λόγω του φαινομένου της πολυόδευσης. Στην περίπτωση αυτή ο δρόμος της συνιστώσας του LOS είναι πολύ πιο ισχυρός από κάθε άλλη επιβατική ακτίνα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος και οι διάφορες συνιστώσες υπερτίθενται σε αυτή. Στην έξοδο ενός ανιχνευτή περιβάλλουσας, κάτι τέτοιο ισοδυναμεί με την προσθήκη μίας dc συνιστώσας. Σχήμα 3.8: Αναπαράσταση συνιστωσών Στην περίπτωση της ανίχνευσης ενός ημιτονικού κύματος στον θερμικό θόρυβο, το αποτέλεσμα της άφιξης της κυρίαρχης συνιστώσας μαζί με τις διάφορες άλλες συνιστώσες μπορεί να μοντελοποιηθεί με μία κατανομή Rician. Όσο το κυρίαρχο σήμα εξασθενεί, το σύνθετο σήμα τείνει να μοιάσει σε ένα σήμα θορύβου, το οποίο έχει μία περιβάλλουσα Rayleigh. Συνεπώς η κατανομή Rician εκφυλίζεται σε μία Rayleigh όσο εξασθενεί η κυρίαρχη συνιστώσα. Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF) της κατανομής Rice είναι: 88

89 Όπου Ιο(.) είναι η μηδενικής τάξης τροποποιημένη συνάρτηση Bessel πρώτου είδους, η παράμετρος Α δίνει τη μέγιστη τιμή του πλάτους της κυρίαρχης συνιστώσας. Η κατανομή Rice συχνά περιγράφεται μέσω της παραμέτρου Κ που ορίζεται ως ο λόγος μεταξύ της ισχύος του σήματος του απευθείας δρόμου και των άλλων δρόμων σκέδασης. Δίνεται από τη σχέση: Η παράμετρος Κ ονομάζεται παράγοντας Rice και προσδιορίζει πλήρως την κατανομή. Ο συγκεκριμένος συντελεστής προσδιορίζει την κατανομή του πλάτους του λαμβανόμενου σήματος και είναι χρήσιμος στον προσδιορισμό του BER του καναλιού. Όταν το Α τείνει στο 0, το Κ τείνει στο μείον άπειρον και όσο μειώνεται το πλάτος της κυρίαρχης συνιστώσας, η κατανομή Rice εκφυλίζεται σε Rayleigh. Tέλος παρατίθενται οι γραφικές παραστάσεις των Ricean PDF και CDF για διάφορες τιμές του Α. Σχήμα 3.9: Ricean PDF 89

90 Σχήμα 3.10: Ricean CDF Nakagami- m Είναι μία μέθοδος παραμετροποίησης των διαλείψεων μικρής κλίμακας που περιλαμβάνει τις ακραίες περιπτώσεις Rice και Rayleigh. Μέσω του μοντέλου αυτού δύναται να υπολογιστούν πλάτη σημάτων που υπόκεινται σε πολύ ισχυρές ή μη, διαλείψεις, κάτι που δεν μπορεί να γίνει με τις ως άνω κατανομές. Η PDF και η CDF της κατανομής αυτής, δίνονται από τους τύπους: Η τιμή του m αυξάνει ανάλογα με το πόσο καλό είναι το κανάλι επικοινωνίας. Αν η μιγαδική περιβάλλουσα ακολουθεί κατανομή Nakagami-m, τότε η αντίστοιχη στιγμιαία ισχύς ακολουθεί την κατανομή Gamma. Η παράμετρος m, καλείται δείκτης διάλειψης ή αλλιώς συντελεστής σχήματος της κατανομής και στην ειδική περίπτωση που m=1, οι διαλείψεις περιγράφονται από το μοντέλο Rayleigh με εκθετικά κατανεμημένη στιγμιαία ισχύ. Όσο αυξάνεται το m, οι διακυμάνσεις της ισχύος του σήματος μειώνονται συγκριτικά με το μοντέλο Rayleigh. Στην περίπτωση που m=0.5 η κατανομή Nakagami γίνεται μονόπλευρη κατανομή κατά Gauss, στην περίπτωση που m= άπειρο, η κατανομή γίνεται impulse. 90

91 Τα μοντέλα Rice και Nakagami κοντά στη μέση τιμή τους συμπεριφέρονται ισοδύναμα. Αυτό πρακτικα σε σχέση με τις PDF τους σημαίνει οτι ενώ στο κύριο σώμα είναι ισοδύναμες, στις απολήξεις αποκλίνουν. Η κατανομή Rice μπορεί να προσεγγισθεί με χρήση της σχέσης που συνδέει τον συντελεστή Rice, K και τον συντελεστή σχήματος Nakagami, m: Οι διαλείψεις αυτές υφίστανται στην περίπτωση που υπάρχει πολυδιόδευση λόγω περίθλασης με μεγάλες αποκλίσεις χρονοκαθυστέρησης και στην περίπτωση που υπάρχει πολυδιόδευση λόγω διαφορετικών ομάδων ανακλώμενων κυμάτων. Tέλος παρατίθενται οι γραφικές παραστάσεις των Nakagami PDF... Σχήμα 3.11: Nakagami PDF.και CDF για διάφορες τιμές των μ και Ω. Σχήμα 3.12: Nakagami CDF 91

92 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό είδαμε τους μηχανισμούς διάδοσης που ευθύνονται για την πολυδιοδευση των κυμάτων και αναλύσαμε τα φαινόμενα των διαλείψεων και της πολυδιόδευσης, παράγοντες οι οποίοι παραμορφώνουν και εξασθενούν το σήμα. Εξετάσαμε τους διαφόρους τύπους διαλείψεων και τέλος είδαμε τα διαθέσιμα μοντέλα που έχουν τυποποιηθεί για την προσέγγιση των διαλείψεων και τον υπολογισμό των PDF και CDF που περιγράφουν ουσιαστικά την πιθανοτική κατανομή των διαλείψεων και της περιβάλλουσάς τους. 92

93 Κεφάλαιο 4: Σχεδίαση συστήματος κινητών επικοινωνιών στο ηπειρωτικό τμήμα της περιφέρειας Αττικής Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει προσομοίωση συστήματος κινητών επικοινωνιών στο ηπειρωτικό τμήμα της περιφέρειας Αττικής όπου θα θεωρήσουμε καταχρηστικά και για να εξάγουμε ένα απλοποιημένο μοντέλο, οτι το συνδρομητικό φορτίο είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο στα πλαίσια δυο κατηγοριων που θα διακρίνουμε ανάλογα με την πυκνότητα κατοίκησης. Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε τον βαθμό εξυπηρέτησης των συνδρομητών του δικτύου, την ισχύ εκπομπής των σταθμών βάσης, καθώς και τον αριθμό των λειτουργικών οντοτήτων που θα απαρτίζουν το δίκτυό μας. Τέλος θα πραγματοποιήσουμε ανάθεση συχνοτήτων στα κύτταρα του συστήματος που σχεδιάστηκε με γνώμονα την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών. 4.1 Περιοχή κάλυψης Θα χωρίσουμε την δοθείσα περιοχή σε δυο είδη περιοχών. Από τη μία οι πυκνοκατοικημένες περιοχές και από την άλλη οι αραιοκατοικημένες, όπου η ακτίνα της κυψέλης θα είναι διαφορετική στις δυο αυτές περιπτώσεις. Συγκεκριμένα η προς εξέταση περιοχή όπως απομονωθηκε μέσω του προγράμματος Google Earth, είναι η κάτωθι: Σχήμα 4.1: Προς εξέταση περιοχή 93

94 Η επιφάνεια που θα εξετάσουμε με απεικόνιση στο ArcGIS είναι η εξής: Σχήμα 4.2: Απεικόνιση στο ArcGIS Όπου η μωβ περιοχή είναι η πυκνοκατοικημένη και αντιστοιχεί την περιοχή ΑθηνώνΠειραιώς, ενώ η γαλάζια περιοχή είναι σχετικά αραιοκατοικημένη και αντιστοιχεί στο Υπόλοιπο Αττικής. Η διάκριση μεταξύ αραιοκατοικημένων και πυκνοκατοικημένων περιοχών και ο τελικός προσδιορισμός τους έγινε δια του οφθαλμού μέσω του Google Earth, ανάλογα με την πυκνότητα κατοίκησης. Η περιοχή ενδιαφέροντος μετρήθηκε μέσω του ArcGIS 2953,16 τετραγωνικά χιλιόμετρα. Οι δυο διακριτές περιοχές όπως και η έκτασή τους καταγράφονται στον κάτωθι πίνακα. Πίνακας 4.1: Περιοχή προς εξέταση και έκταση Περιοχή Έκταση (km2) Αθήνα-Πειραιάς 305,16 Υπόλοιπο Αττικής 2648 Ο σχετικά απλοποιημένος σχεδιασμός για την ραδιοκάλυψη της περιοχής θα ξεχωρίζει όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω δυο είδη περιοχών και ανάλογη θα είναι και η ακτίνα της κυψέλης που θα χρησιμοποιηθεί επαναληπτικά για την κάλυψη της περιοχής. Η ακτίνα της κυψέλης για τις πυκνοκατοικημένες περιοχές θα είναι 0,7 χιλιόμετρα, ενώ για τις αραιοκατοικημένες 5 χιλιόμετρα. 94

95 R1=0,7 km R2=5km Υπολογίζουμε το εμβαδόν του εξαγώνου που θα χρησιμοποιηθεί επαναληπτικά για την κάλυψη της περιοχής. Εφόσον χρησιμοποιούμε κανονικά εξάγωνα για την κάλυψη το εμβαδόν τους θα δίνεται από τον τύπο: Το εμβαδόν των χρησιμοποιούμενων εξαγώνων λοιπόν θα είναι: Ε1=1,27 km2 Ε2=64,93 km2 Πιο αναλυτικά και με αναπαράσταση με το πρόγραμμα ArcMap η πυκνοκατοικημένη περιοχή που θα καλυφθεί από εξάγωνα ακτίνας 700 μέτρων έχει ως εξής: Σχήμα 4.3: Πυκνοκατοικημένη περιοχή 95

96 Ενώ η αραιοκατοικημένη περιοχή έχει ως εξής: Σχήμα 4.4:Αραιοκατοικημένη περιοχή H πυκνοκατοικημένη περιοχή όπως αναφέρθηκε, μετρήθηκε 305,16 km2 και η αραιοκατοικημένη 2648 km2. Χονδρικά λοιπόν η πυκνοκατοικημένη περιοχή θα καλυφθεί από: Ν1=305,16/1,27= 240 περίπου κυψέλες ακτίνας 0,7 χιλιομέτρων. Ενώ η αραιοκατοικημένη περιοχή θα καλυφθεί από Ν2=2648/64,93=41 περίπου κυψέλες ακτίνας 5 χιλιομέτρων. Με χρήση της επιπλέον εργαλειοθήκης που αναπτύχθηκε από τα εργαστήρια Jefferson στο ArcMap παρατίθεται η κάλυψη της πυκνοκατοικημένης περιοχής με κυψέλες ακτίνας 700 μέτρων. 96

97 Σχήμα 4.5: Κάλυψη περιοχής1 με κυψέλες ακτίνας 700 μέτρων Και η κάλυψη της αραιοκατοικημένης περιοχής με κυψέλες ακτίνας 5 χιλιομέτρων: Σχήμα 4.6: Κάλυψη περιοχής2 με κυψέλες ακτίνας 5χιλιομέτρων 97

98 Η κάλυψη του συνόλου της περιοχής με κυψέλες είναι παραστατικά αυτή: Σχήμα 4.7: Κάλυψη Αττικής με κυψέλες Όπως βλέπουμε με την χονδρική κάλυψη που σχεδιάστηκε με κυψέλες της ζητούμενης ακτίνας υπάρχουν κάποιες περιοχές που δεν καλύπτονται από κυψέλη, αλλά θεωρούμε οτι ένας χρήστης που κινείται σε αυτές θα έχει ενδεχομένως χαμηλή στάθμη σήματος που θα παρέχεται από γειτονικούς σταθμούς βάσης. Τα συγκεντρωτικά στοιχεία για τις κυψέλες έχουν ως εξής: Πίνακας 4.2: Εμβαδόν περιοχών, ακτίνα και αριθμός κυψελών Παράμετροι Αθήνα-Πειραιάς Εμβαδόν (km2) Υπόλοιπο Αττικής 305, ,7 5 Εμβαδόν Κυψέλης (km ) 1,27 64,93 Αριθμός Κυψελών Ακτίνα Κυψέλης (km) 2 Με απεικόνιση στο Google Earth η κάλυψη της περιοχής με κυψέλες έχει ως εξής: 98

99 Σχήμα 4.7β: Κυψέλες στην Αττική/Απεικόνιστη στο Google Earth 4.2 Λειτουργικές Οντότητες Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του προηγούμενου κεφαλαίου, στην πυκνοκατοικημένη περιοχή μας θα έχουμε Ν1=240 κυψέλες, ενώ στην αραιοκατοικημένη περιοχή μας Ν2=41 κυψέλες. Στη σχεδίασή μας θα θεωρήσουμε οτι ο Σταθμός Βάσης μας και κατ' επέκτασην η κεραία είναι τοποθετημένη στο κέντρο της κυψέλης, άρα σε κάθε κυψέλη αντιστοιχεί ένας σταθμός βάσης. Συνεπώς το σύνολο των σταθμών βάσης για τη σχεδίασή μας θα είναι BTS=240+41=281 σταθμοί βάσης. Σύμφωνα με τον σχεδιασμό μας, σε κάθε κύτταρο θα έχουμε 5 συχνότητες, άρα θα έχουμε 5 πομπούς και 5 δέκτες ανά κύτταρο και για τη σύνδεση μεταξύ τους θα χρειαστούμε 4 combiners και 4 diplexers ανά κύτταρο. Άρα για την περιοχή Αθηνών -Πειραιώς (περιοχή 1) θα έχουμε: Πομποί=Δέκτες= N1*5=240*5=1200 Combiners=Diplexers= N1*4=240*4=960 Για το Υπόλοιπο Αττικής (περιοχή 2): Πομποί=Δέκτες= N2*5=41*5=205 Combiners=Diplexers= Ν2*4=41*4=164 Στο ακόλουθο σχήμα φαίνονται οι σταθμοί βάσης στο Υπόλοιπο Αττικής: 99

100 Σχήμα 4.8: BTS στην περιοχή2 Ενώ οι σταθμοί βάσης στην περιοχή Αθηνών-Πειραιώς έχουν ως εξής: Σχήμα 4.9: BTS στην περιοχή1 100

101 Συνολικά και στην ίδια τάξη μεγέθους η κάλυψη φαίνεται ως εξής: Σχήμα 4.10: BTS στην περιοχή ενδιαφέροντος Εν ολίγοις οι σταθμοί βάσης στην πυκνοκατοικημένη περιοχή είναι πολύ πυκνοί σε σχέση με την αραιοκατοικημένη. Κάθε ελεγκτήρας σταθμού βάσης χειρίζεται από έναν μέχρι τρεις σταθμούς βάσης, συνεπώς ο αριθμός των ελεγκτήρων σταθμού βάσης στο σύστημά μας θα είναι για τις δυο περιοχές μας: Για την πυκνοκατοικημένη περιοχή: BSC=BTS/3= 240/3=80 BSCs Για την αραιοκατοικημένη περιοχή: BSC=BTS/3= 41/3=14 BSCs Συνολικά λοιπόν στο σύστημά μας θα έχουμε 94 BSCs. Σχηματικά για τους BSCs Για την περιοχή Αθηνών-Πειραιώς 101

102 Σχήμα 4.11: BSC στην περιοχή 1 Ενώ για το Υπόλοιπο Αττικής Σχήμα 4.12: BSC στην περιοχή 2 102