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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ:ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ & ΤΕΝΧΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Κρέτση Γεώργιου του Αθανασίου Αριθμός Μητρώου:8096 Θέμα «Μελέτη παραμέτρων βελτιστοποίσης του QoS των κυψελωτών συστημάτων κινητής τηλεφωνίας 4 ης και 5 ης γενιάς» Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2018

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη παραμέτρων βελτιστοποίσης του QoS των κυψελωτών συστημάτων κινητής τηλεφωνίας 4 ης και 5 ης γενιάς» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κρέτση Γεώργιου του Αθανασίου Αριθμός Μητρώου:8096 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Αντωνακόπουλος Θεόδωρος Καθηγητής 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη παραμέτρων βελτιστοποίσης του QoS των κυψελωτών συστημάτων κινητής τηλεφωνίας 4 ης και 5 ης γενιάς» Φοιτητής: ΚΡΕΤΣΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Επιβλέπων: ΣΤΑΥΡΟΣ ΚΩΤΣΟΠΟΥΛΟΣ 4

5 Περίληψη 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 και επιχειρεί να εφαρμόσει ένα απλοποιημένο μοντέλο ραδιοκάλυψης στην ηπειρωτική περιοχή της περιφέρειας Θεσσαλονίκης. Η μελέτη και η σχεδίαση γίνονται για το σύστημα GSM 900 που χρησιμοποιεί φάσμα συχνοτήτων στην περιοχή των 900MHz. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα δίκτυα 3 ης, 4 ης και 5 ης γενίας, καθώς επίσης και στη βελτίωση του Quality of Service (QoS) των παρεχόμενων υπηρεσιών. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η δόμη, η αρχιτεκτονική και οι οντότητες του δικτύου GSM. Γίνεται αναφορά και ανάλυση των τριών βασικών επιπέδων που απαρτίζουν το δίκτυο GSM τα οποία είναι η κινητη μόναδα, το επίπεδο ραδιοδικτύου, το επίπεδο μεταγώγης και το επίπεδο διαχείρησης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονατι οι τεχνικές παράμετροι των κέραιων μιας ασύρματης ζεύξης, οι απώλειες που παρατηρούνται καθώς επίσης και τα μοντέλα διαλείψεων κατά Rice και κατά Rayleigh. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθονται οι κύριες παρεμβολές των κυψελοειδών συστημάτων και η τεχνική της επαναχρησιμοποιήσης των συχνοτήτων. Επιπλέον παρουσιάζουμε τον τρόπο με τον οποίο διαχειριζόμαστε τις συχνότητες σε ένα κυψελωτο δίκτυο και τις τεχνικές για την αντιμετώπιση των παρεμβολών που προκύπτουν στις συχνότητες. Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιέιται προσομοίωση εφαρμογής δικτύου κινητών επικοινωνιών τεχνολογίας GSM 900 στη γεωγραφική περιοχή της Θεσσαλονίκης. Συγκεκριμένα, λαμβάνοντας υπόψιν το συνδρομητικό φορτίο και την έκταση της περιοχής ενδιαφέροντος, σχεδιάζουμε κυψελωτό δίκτυο, προσδιορίζουμε τις λειτουργικές οντοτητές που θα απαρτίζουν το δίκτυο μας, καταχωρούμε τις συχνότητες στις κυψέλες και υπολογίζουμε την ισχύ εκπομπής των κεραίων για τη σωστή λειτουργία των φορητών συσκευών στη κυψέλη. Τέλος, αποτιμάμε τα αποτελέσματα τις προσομοίωσης σε περιβάλλον Rayleigh και Rice. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται αποτίμηση της προσομοίωσης που πραγματοποιήσαμε και παραθέτουμε τα γενικά συμπερασματα που προεκυψάν κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. 5

6 Abstract 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 and we are finally applying a simplified model of radio coverage in the area of Thessaloniki. The study and design is for the GSM 900 system using a frequency spectrum in the 900 MHz range. In the first chapter reference is made to the 3 rd, 4 th and 5 th generation networks, as well as to the improvement of the Quality of Service (QoS) of the services provided. In the second chapter we analyze the structure, the architecture and the entities of the GSM network. Reference and analysis is made to the three basic levels of the GSM network, which are the mobile unit, the radio network level, the level of transfer and the level of management. In the third chapter we present the technical parameters of the antennas of a wireless link, the losses observed as well as the Rice and Rayleigh fault patterns. In the fourth chapter we introduce the main interference of the cellular systems and the technique of reuse of the frequencies. In addition, we present how we handle frequencies in a cellular network and techniques to address interference occurring in frequencies. In the fifth chapter there is a simulation of the implementation of GSM 900 mobile communication network in the geographical area of Thessaloniki. In particular, taking into account the payload and the extent of the area of interest, we design a cellular network, identify the functional entities that make up our network, register the frequencies in the cells, and calculate the transmitting power of the antennas for proper operation of the handheld devices in the cell. Finally, we evaluate the simulation results in a Rayleigh and Rice environment. In the sixth chapter, we evaluate the simulation we have done and give the general conclusions that come out during the elaboration of the diploma thesis. 6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη... 5 Abstract... 6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ 4 ης ΚΑΙ 5 ης ΓΕΝΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ (GSM) ΔΙΚΤΥΑ 3 ης ΓΕΝΙΑΣ ΔΙΚΤΥΑ 4 ης ΓΕΝΙΑΣ LTE (Long Term Evolution) WIMAX (World Interoperability for Microwave Access) LTE Advanced ΔΙΚΤΥΑ 5 ης ΓΕΝΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ GSM ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ GSM Κινητή μονάδα (MS-Mobile Station) Επίπεδο Ραδιοδικτύου (BSS-Base Station Subsystem) Επίπεδο Μεταγωγής (NSS-Network Switching System) Επίπεδο Διαχείρησης (NMS-Network Management Subsystem) ΔΙΕΠΑΦΕΣ ΤΟΥ GSM ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Διεπαφη Α Διεπαφη Abis Διεπαφη Um Διεπαφη Β Διεπαφη C Διεπαφη D Διεπαφη E Διεπαφη F Διεπαφη G ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM

8 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΙΩΝ Απολαβή (κέρδος) κεραίας Διάγραμμα ακτινοβολίας κεραίας Χαρακτηριστική αντίσταση κεραίας Ενεργός ακτινοβολούμενη ισχυς (ERP) Ζώνες Fresnel ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ Πολυόδευση Σκίαση Ελευθέρου χώρου (FSL) Απώλειες γραμμής μεταφοράς Απώλειες διαδρομής ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας Διαλείψεις μικρής κλίμακας Μοντέλα διαλείψεων ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας (PDF) Συνάρτηση Αθροιστικής Κατανομής (CDF) PDF-CDF στα μοντέλα διαλείψεων Rayleigh και Rice ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΩΝ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΥΡΙΕΣ ΠΑΡΜΒΟΛΕΣ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επαναχρησιμοποίση συχνοτήτων και είδη παρεμβολών Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης (Intermodulation) Παρεμβολή γειτονικού καναλιού (Adjacent channel interference) Παρεμβολή ομοκαναλική (Co-channel interference) ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διαχείρηση συχνοτήτων Καταχώρηση συχνοτήτων Αντιμετώπιση παρεμβολής γειτονικού καναλιού Αντιμετώπιση ομοκαναλικής παρεμβολής Αντιμετώπιση παρεμβολής ενδοδιαμόρφωσης ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Διάσπαση κυττάρων

9 4.4.2 Μεταπομπή (Handover) Πιθανότητα μπλοκαρίσματος κλήσης (Blocking probability) Quality of Service ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ GSM ΣΤΗ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΔΙΑΛΕΙΨΕΩΝ Rayleigh-Rice ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΚΑΛΥΨΗΣ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΚΤΙΝΑΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΧΩΡΗΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΡΑΔΙΟΚΑΛΥΨΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Περιβάλλον Rayleigh Περιβάλλον Rice ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

10 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αυξανόμενη ζήτηση κινητών τηλεφώνων οδήγησε στην εισαγωγή του κυτταρικού ή κυψελοειδούς συστήματος κινητής ραδιοτηλεφωνίας (Cellular Mobile radio). Το πρότυπο που χρησιμοποιείται για την ανάπτύξη του κυψελοειδούς σχεδιασμου των επίγειων δικτύων κινητών επικοινωνιών είναι το GSM. Το πρότυπο GSM χωρίζεταις σε τρία επίπεδα: διαχείρισης, μεταγωγής και ραδιοδικτύου. Εμείς ασχολούμαστε κυρίως με το είπεδο μεταγωγής και ραδιοδικύου. Το ραδιοδίκτυο είναι το μέρος του δικτύου που αποτελείται από το σταθμό βάσης και την κινητή μονάδα καθώς και από τη διεπαφή αναμεσά τους. Στο επίπεδο της μεταγωγής έχουμε το ψηφιακό κέντρο, κατάλληλο λογισμικό για την δρομολόγηση των κλήσεων και βάσεις δεδομένων στις οποίες καταχωρούνται τα στοιχεία των πελατών, οι απαιτήσεις τους και τα στοιχεία της συσκευής μας. Επίσης στο επίπεδο αύτο βρίσκονται τα πρωτόκολλα για την ασφάλεια τους συστήματος από πιθανές παραβιάσεις και πρωτόκολλα για την πιστοποίηση και την αυθεντικότητα των συνδρομητών. Όσον αφορά την διαδικασία κυψελοειδόυς σχεδιασμού στο επίπεδο του ραδιοδικτύου, η γεωγραφική περιοχή που έχουμε στη διάθεση μας διαμελίζεται σε μικρότερες περιοχές σχήματος εξαγώνου που λέγονται κυψέλες, οι οποίες εφάπτονται μεταξύ τους με κάθε κυψέλη να έχει ένα σταθμό βάσης (Base Station) συνθέτοντας μια δομή κυψελών. Ο κυψελοειδής σχεδιασμό ένος δικτύου διέπεται από κάποιες αρχές όπως η πρόβλεψη της κάλυψης, η διαστασιολόγηση του δικτύου, η κυκλοφορικακή ικανότητα του δικτύου και ο σχεδιασμός συχνοτήτων. Όλα τα παραπάνω επιτυγχάνονται στο πλαίσιο της βελτίωσης του Quality of Service (QoS), δηλαδή στη βελτίωση των παρεχόμενων υπηρεσιών. Στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών ορίζεται σαν τη δυνατότητα του παρόχου να προσφέρει ικανοποιητική εξυπηρέτηση η οποία περιλαμβάνει ποιότητα φωνής, ισχύς σήματος, μικρή πιθανότητα μπλοκαρίσματος και αποκοπης της κλήσης, υψηλές ταχύτητες για εφορμογές πολυμέσων και δεδομένων κτλ. Στην ουσία η βελτίωση του QoS επιτυγχάνεται μέσω της μείωσης του SNR, δηλαδή του λόγου σήματος προς θόρυβο. Για υπηρεσίες που βασίζονται στο επίπεδο δικτύου, το QoS εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες : Throughput, είναι ο ρυθμός με τον οποίο τα πακέτα περνούν από το δίκτυο. Είναι επιθυμητό να έχουμε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο ρυθμός μετακίνησης. Delay, είναι ο χρόνος πού κάνει ένα πακέτο για να «ταξιδέψει» από άκρο σε άκρο. Ελάχιστη καθυστέρηση είναι επιθυμητή. Packet Loss Rate, είναι ο ρυθμός με τον οποίο χάνεται ένα πακέτο οποίος πρέπει να ελαχιστοποιείται όσο είναι δύνατον. Packet Error Rate, είναι τα λάθη που εμφανίζονται σε ένα πακέτο λόγω των αλλοιωμένων bits που το απαρτίζουν και τα οποία πρέπει να είναι οσό λιγότερα γίνεται. Reliability, η διαθεσιμότητα μιας κλήσης σε περιπτώσεις μέγαλου συνδρομητικού φορτίου. Για αυτούς τους λόγους, το QoS υπήρξε μια μεγάλη πρόκληση στο παρελθόν και εξακολουθεί να είναι, κάθως συνεχίζει να υπάρχει πολύ περιθώριο και δυνατότητες για την παροχή καλύτερων υπηρεσιών στους συνδρομητές των εκάστοτε δικτύων. 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ 4 ης ΚΑΙ 5 ης ΓΕΝΙΑΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών αποτελούν πλέον αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητάς μας και βασικό πυλώνα για την ανάπτυξη της σύγχρονης κοινωνίας. Διαχειρίζονται έναν τεράστιο αριθμό συνδρομητών και παρέχουν μια ευρεία ποικιλία υπηρεσιών. Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται τα δίκτυα 3 ης, 4 ης και 5 ης γενίας, καθώς επίσης και η βελτίωση του Quality of Service (QoS) των παρεχόμενων υπηρεσιών. 1.2 ΤΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ (GSM) Το Global System for Mobile Communications (Παγκόσμιο Σύστημα Κινητών Επικοινωνιών) είναι ένα κοινό ευρωπαϊκό ψηφιακό σύστημα κινητής τηλεφωνίας. Tο Ευρωπαϊκό Τηλεπικοινωνιακό Συμβούλιο (European Telecommunications Standards Institute) το 1982 άρχισε τη μελέτη για τη δημιουργία ενός κοινού ευρωπαϊκού ψηφιακού συστήματος κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G). Για τρία χρόνια από το 1982 έως το 1985 οι συζητήσεις επικεντρώνονταν στο αν θα έπρεπε να αναπτυχθεί ένα αναλογικό ή ένα ψηφιακό σύστημα, ώσπου το 1985 αποφασίστηκε τελικά το σύστημα να είναι ψηφιακό. Το 1986 εταιρείες συμμετείχαν σε ένα τεστ στο Παρίσι ώστε να αποφασιστεί αν θα επιλεγεί η λύση της narrowband ή της broadband μετάδοσης σήματος. Το Μάιο του 1987 επιλέχθηκε τελικά η narrowband τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαχωρισμό του διαθέσιμου φάσματος συχνοτήτων σε ένα αριθμό καναλιών και τη διαίρεση αυτών σε χρονοθυρίδες για τη μετάδοση σημάτων (narrowband TDMA). Tο πρότυπο GSM δεν αποτελεί μόνο ευρωπαϊκό πρότυπο, αφού υιοθετήθηκε από πολλές άλλες χώρες των άλλων ηπείρων, εκμεταλλευόμενο διάφορες ζώνες συχνοτήτων. Στην αρχή του 1994 υπήρξαν 1,3 εκατομμύρια συνδρομητές παγκοσμίως και ο αριθμός αυτός αυξήθηκε σε περισσότερο από 55 εκατομμύρια συνδρομητές μέχρι τον Οκτώβριο του Τα συστήματα GSM υπάρχουν σε κάθε ήπειρο και το ακρωνύμιο GSM πλέον αντιπροσωπεύει το σφαιρικό σύστημα για την κινητή επικοινωνία. Σε μερικές χώρες ένας πάροχος υπηρεσιών κινητής τηλεφωνίας υποβάλλει αίτηση στο κράτος για να του αποδοθούν προς χρήση διαθέσιμες συχνότητες και να αναπτύξει το δικό του δίκτυο. Σε άλλες χώρες, ο πάροχος αγοράζει τις διαθέσιμες συχνότητες έπειτα από δημοπρασία. Στην Ελλάδα λειτουργούν τρεις εταιρείες κινητής τηλεφωνίας, οι εταιρείες COSMOTE, WIND και VODAFONE. Τα δίκτυα τους χρησιμοποιούν ζώνες συχνοτήτων περί τα 800 MHz, 900 MHz,

12 ΜΗz. Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει με λεπτομέρεια τις υπηρεσίες που τα δίκτυα αυτά παρέχουν και το αντίστοιχο απονεμηθέν φάσμα. Η δεύτερη στήλη αναφέρεται στο downlink, δηλαδή στις συχνότητες στις οποίες εκπέμπει ο σταθμός βάσης. Η τρίτη στήλη αντιστοιχεί στο uplink, δηλαδή στις συχνότητες όπου ο σταθμός βάσης λειτουργεί για τη λήψη σήματος. Στην τέταρτη στήλη, καταγράφεται η τεχνολογία η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κάθε ζώνη συχνοτήτων. Η ένδειξη «χωρίς περιορισμούς» υποδεικνύει ότι κάθε εταιρεία μπορεί να επιλέξει χωρίς περιορισμούς την τεχνολογία που επιθυμεί να χρησιμοποιήσει υπό την προϋπόθεση τήρησης των τεχνικών όρων που αναγράφονται στο σχετικό Δικαίωμα Χρήσης Ραδιοσυχνότητας, εξασφαλίζοντας ταυτόχρονα ότι τα συστήματά της δε δημιουργούν παρεμβολές σε άλλους νόμιμους χρήστες του ραδιοφάσματος και παρέχουν κατάλληλη προστασία σε συστήματα παρακείμενων ζωνών του ραδιοφάσματος. Εικόνα 1.1 : Ζώνες συχνοτήτων και πάροχοι στην Ελλάδα 12

13 1.3 ΔΙΚΤΥΑ 3 ης ΓΕΝΙΑΣ Τα δίκτυα τρίτης γενιάς αναπτύχθηκαν με σκοπό την παροχή υπηρεσιών σε οποιοδήποτε σημείο και οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Χαρακτηρίζονται από μικροκυτταρική και πικοκυτταρική δομή. Χρησιμοποιούν μεταγωγή πακέτου και επιτυγχάνουν υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης μέχρι 2Mbps. Παρέχουν μία πληθώρα υπηρεσιών όπως: παραδοσιακές υπηρεσίες τηλεφωνίας, υπηρεσίες μεταγωγής κυκλώματος, υπηρεσίες πολυμέσων (τηλεειδοποίηση, τηλεδιάσκεψη), πρόσβαση στο διαδίκτυο. Τα δίκτυα 3G αναφέρονται ως Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) στην Ευρώπη και ως International Mobile Telecommunications 2000 (IMT2000) στον υπόλοιπο κόσμο. 1.4 ΔΙΚΤΥΑ 4 ης ΓΕΝΙΑΣ Τα 4G συστήματα ειναι ένα σύνολο IP-based δικτύων τα οποία δεν παρέχουν μονο υπηρεσίες τηλεπικοινωνιακού χαρακτήρα, αλλά υπηρεσίες πολυμέσων και δεδομένων. Στη 4G τεχνολογία όλες οι υπηρεσίες στηρίζονται στη μεταγωγή πακέτων(packet switched), και όχι στη μεταγωγή κυκλωματος(circuit switched). Μας παρέχει αρκετά υψηλές ταχύτητες upload/download και μικρότερο latency (ταχύτερη απόκριση).σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα πού έχουν οριστεί, το 4G οφείλει να έχει peak download 1 Gbps (για ακίνητους χρήστες ή κινούμενους με χαμηλές ταχύτητες) και 100 Mbps για εν κινήσει χρήστες (π.χ. μέσα σε αυτοκίνητο, τραίνο κ.λπ.). Στην Ελλάδα χρησιμοποιούνται οι συχνότητες των 1800 και 2600 MHz για τα 4G δίκτυα αλλά και των 800 MHz, όταν ολοκληρωθεί 100% η μετάβαση στην ψηφιακή τηλεόραση και απελευθερωθεί αυτή η συχνότητα. Η τεχνολογία 4G στηρίζεται πάνω στην τενολογία WiMAX, LTE και LTE Advanced. Εικόνα 1.2 : Δίκτυα και ταχύτητες 13

14 1.4.1 LTE (Long Term Evolution) Στην πραγματικότητα το LTE δεν είναι τεχνολογία,αλλά ο δρόμος για να καταφερουμε να επιτυχουμε τις ταχυτητες που εχει θεσει ο ITU-R για τα 4G δίκτυα. Το πρότυπο αυτό αναπτύσσεται από τον οργανισμό 3GPP και επιτυγχάνει υψηλές ταχύτητες αυξάνοντας τη χωρητικότητα και τη ταχύτητα του δικτύου χρησιμοποιώντας νέες τεχνικές διαμόρφωσης. Το πρότυπο του LTE είναι σχεδιασμένο ώστε να παρέχει ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων στη καθοδική ζεύξη (downlink) της τάξης των 300 Mbps και στην ανοδική (uplink) μέχρι και 75 Mbps. Το εύρος ζώνης του φέροντος σήματος είναι μεταβλητό, κυμαινόμενο από τα 1.4 έως τα 20 ΜΗz και υποστηρίζονται τόσο η διπλεξία διαίρεσης συχνότητας (FDD) όσο και η διπλεξία διαίρεσης χρόνου (ΤDD). Η αρχιτεκτονική του δικτύου βασίζεται σε μια απλοποιημένη μορφή αρχιτεκτονικής IP, το οποίο υποστηρίζει την μετάδοση τόσο δεδομένων όσο και φωνής ακόμα και σε δίκτυα με παλαιότερη τεχνολογία δικτύου (GSM, UMTS) WIMAX (World Interoperability for Microwave Access) Το 2003 η ΙΕΕΕ υιοθέτησε το πρότυπο γνωστό και σαν WiMΑΧ, ώστε να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις για ασύρματη πρόσβαση (με σταθερούς ρυθμούς) ευρείας ζώνης. Το πρότυπο αυτό σχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί σε μια ευρεία μπάντα συχνοτήτων η οποία εκτείνεται από 2 ως 66 GHz. Υποστηρίζει ταχύτητες μετάδοσης ως και 72 Mbps στον αέρα ενώ η πραγματική ταχύτητα στο Ethernet υπολογίζεται στα 50 Mbps. Οι αποστάσεις που μπορεί να καλυφθούν ξεπερνούν τα 50 Km σε συνθήκες οπτικής επαφής. Μια σημαντική διαφορά του προτύπου ΙΕΕΕ σε σχέση με το ΙΕΕΕ είναι ότι το πρώτο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε συνθήκες μη οπτικής επαφής φυσικά με ρυθμούς μετάδοσης πολύ χαμηλότερους των 50 Mbps. Το WiMΑΧ σχεδιάστηκε κατά βάση ώστε να καλύπτει κυρίως Point-to-Multipoint (PTM) συνδέσεις χωρίς ωστόσο να αποκλείεται και η χρήση του για point to point συνδέσεις. Η διαμόρφωση η οποία χρησιμοποιείται ονομάζεται OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Πρόκειται για μια πολύ ανθεκτική διαμόρφωση σε ότι αφορά το φαινόμενο της πολυδιόδευσης ειδικότερα στις συχνότητες πάνω των 2 GHz όπου το πρότυπο χρησιμοποιεί LTE Advanced Αποτελεί την εξέλιξη του LTE ωστε να μπορεσει να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις που έχει ορίσει ο διεθνής οργανισμός ITU-R ώστε να θεωρείται σύστημα 4G. Η συχνότητα μετάδοσης ειναι από 800 MHz μέχρι 2,600 MHz. Οι ταχύτητες της συγκεκριμένης τεχνολογίας ειναι 1.000Mbps peak download και 500Mbps peak download. Επιπλέον προσφέρει τρεις τεχνολογίες οι οποίες αναφέρονται στη συνέχεια. 14

15 Carrier Aggregation Η τεχνολογία αυτή έχει σχεδιαστεί με σκόπο να αυξάνει το bandwidth των LTE συνδέσεων,επιτρέποντας στον χρήστη να λαμβάνει δεδομενα απο πολλαπλα δίκτυα ταυτόχρονα. Ενώνει τα bandwidth από διάφορες LTE συνδέσεις, τα οποία φτάνουν από 1,4 έως 20 MHz, και δημιουργεί ένα νέο bandwidth το οποίο φτάνει μεχρι και τα 100 MHz για μία μόνο σύνδεση MIMO Technology (Multiple Input-Multiple Output) Η τεχνολογία αυτή αυξάνει το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων συνδιάζοντας data-streams από 2 ή περισσότερες κεραίες. Από το να στείλεις μια πληροφορία από ένα πομπό σε ένα δέκτη,μπόρεις να στείλεις την ίδια πληροφορία από πολλαπλούς πομπούς σε πολλαπλούς δέκτες με αποτέλεσμα να αυξάνεται το μέγεθος των δεδομένων που στέλνεις και λαμβάνεις κάθε δευτερόλεπτο Relay Node Η τεχνολογία αυτή βελτιώνει τη διαθεσιμότητα των LTE συνδέσεων, προσφέροντας στο χρήστη ένα μέγαλο εύρος συνδέσεων για να επιλέξει απο πού θα στείλει και θα λάβει δεδομένα. Ένας relay node είναι ένας χαμηλής ενέργειας σταθμός ο οποίος χρησιμοποιείται για να διευρύνει την κάλυψη του δικτύου και συνδέεται ασύρματα στο τέλος της ακτίνας κάλυψης του κεντρικού σταθμού. 1.5 ΔΙΚΤΥΑ 5 ης ΓΕΝΙΑΣ Ο όρος 5G, περιγράφει το επόμενο βήμα, των δικτύων κινητών επικοινωνιών, προχωρώντας πέρα από τις δυνατότητες, που τα σημερινά δίκτυα 4 ης γενιάς, μπορούν να προσφέρουν. Αναμένεται να αποτελέσει την υλοποίηση της επιδίωξης για μία πλήρως διασυνδεδεμένη κοινωνία. Η διαδικασία για την προτυποποίηση των προδιαγραφών των δικτύων 5 ης γενιάς έχει ξεκινήσει από τον οργανισμό 3GPP, με τα πρώτα αποτελέσματα να αναμένονται στα μέσα του Η πλήρης περιγραφή του προτύπου σχεδιάζεται να είναι διαθέσιμη στο τέλος του

16 Εικόνα 1.3 : Δίκτυο 5 ης γενιάς Μέχρι τότε οι απαιτήσεις για τις δυνατότητες των επερχόμενων δικτύων κινητών επικοινωνιών συνοψίζονται ως ακολούθως : - Μέγιστη ταχύτητα ανταλλαγής δεδομένων, που ξεπερνά τα 10 Gbps. - Ελάχιστη ταχύτητα ανταλλαγής δεδομένων της τάξης των 50 Mbps. - Υποστήριξη αξιόπιστης σύνδεσης, εν κινήση, για ταχύτητες εώς και 500 Km/h. - Καθυστέρηση απόκρισης δικτύου, που κυμαίνεται απο 5 ms, εώς και 1 ms, όταν το απαιτεί η εφαρμογή. - Δυνατότητα εξυπηρέτησης όγκου δεδομένων κινητής τηλεφωνίας της τάξης των 10 Tbps/Km 2. - Αξιοπιστία εκτέλεσης εφαρμογών με ποσοστό που ξεπερνά το 99%. - Μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης στο 50% αυτής των σημερινών δικτύων. Τα δίκτυα 5 ης γενιάς αναμένεται να χρησιμοποιήσουν διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων, ανάλογα με τις απαιτήσεις των πολυδιάστατων εφαρμογών που θα κληθούν να εξυπηρετήσουν. Οι περιοχές ενδιαφέροντος μπορούν να ομαδοποιηθούν σε τρεις κατηγορίες και περιλαμβάνουν : 1. τις συχνότητες ύπο το 1 GHz 2. τις συχνότητες μεταξύ του 1 GHz και των 6 GHz 3. τις συχνότητες άνω των 6 GHz 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ GSM 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο αναλύεται η δόμη, η αρχιτεκτονική και οι οντότητες του δικτύου GSM. Γίνεται αναφορά και ανάλυση των τριών βασικών επιπέδων που απαρτίζουν το δίκτυο GSM τα οποία είναι η κινητη μόναδα, το επίπεδο ραδιοδικτύου, το επίπεδο μεταγώγης και το επίπεδο διαχείρησης. Τέλος, γίνεται λόγος στις επιμέρους διεπαφές και πρωτόκολλα του συστήματος και στον τρόπο λειτουργιας τους μέσα στο δίκτυο. 2.2 ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 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 συστημάτων. Τα τρια αυτά επίπεδα είναι : Το επίπεδο ραδιοδικτύου (BSS-Base Station Subsystem), το επίπεδο μεταγωγής (NSS-Network and Switching Subsystem) και το επίπεδο διαχείρισης (NMS-Network Management Subsystem). 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. 17

18 Εικόνα 2.1 : Δομή και λειτουργικά συστήματα GSM Οι λειτουργικές μονάδες και τα επιμέρους συστήματα της Εικόνα 2.1 θα αναλυθούν εκτενώς στη συνέχεια. 2.3 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ GSM Η αρχιτεκτονική ενός σύγχρονου ασύρματου δικτύου GSM αναλύεται στα παρακάτω τέσσερα κύρια μέρη : Κινητή Μονάδα (MS-Mobile Station) Επίπεδο Ραδιοδικτύου (BSS-Base Station Subsystem) Επίπεδο Μεταγωγης (NSS-Network and Switching Subsystem) Επίπεδο Διαχείρησης (NMS-Network Management Subsystem) Σαν σύγχρονο κυψελοειδές σύστημα κινητών επικοινωνιών το δίκτυο GSM μπορεί να διασυνδεθεί με το δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο (PSTN) ή το δίκτυο ISDN, καθώς και με άλλα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας (PLMN-Public Land Mobile Networks), όπως φαίνεται στην Εικόνα

19 Εικόνα 2.2 : Αρχιτεκτονική δικτύου GSM Κινητή μονάδα (MS-Mobile Station) Ένας συνδρομητής χρησιμοποιεί τον κινητό σταθμό για να πραγματοποιήσει και να λάβει κλήσεις μέσω ενός δικτύου GSM. Η κινητή μονάδα (MS-Mobile Station) αποτελείται από δύο κύρια στοιχεία : την τερματική συσκευή ή κινητή συσκευή (ME-Mobile Equipment) τη βαθμίδα ταυτότητας συνδρομητή (SIM-Subscriber Identity Module) Τερματική συσκευή (ME-Mobile Equipment) Λειτουργικά, η τερματική συσκευή 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. 19

20 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 Bαθμίδα ταυτότητας συνδρομητή (SIM-Subscriber Identity Module) 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. Πρόκειται στην ουσία για μια έξυπνη κάρτα που ταυτοποιεί τον συνδρομητή. Η κάρτα SIM έχει μία περιοχή μη-πτητικής μνήμης που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση πληροφορίας που ταυτοποιεί τον συνδρομητή και περιλαμβάνει τη μοναδική ταυτότητα IMSI του χρήστη (International Mobile Subscriber Identity), 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. Χωρίς την κάρτα SIM η τερματική συσκευή δεν μπορεί να λειτουργήσει στο δίκτυο GSM. Επιπλέον η SIM προστατεύεται για λόγους ασφαλείας από έναν 4-ψήφιο προσωπικό αριθμό ταυτότητας (PIN-Personal Identification Number). 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. Μεγάλο πλεονέκτημα της κάρτας SIM είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες τερματικές συσκευές, προσφέροντας με αυτόν τον τρόπο μεγάλη ευκινησία στον συνδρομητή. Αποτελεί στην ουσία το μόνο στοιχείο που προσωποποιεί την τερματική συσκευή. Έτσι λοιπόν ο συνδρομητής του δικτύου μπορεί να έχει πρόσβαση σε όλες τις υπηρεσίες που έχει εγγραφεί σε όποια τερματική συσκευή επιθυμεί χρησιμοποιώντας την ίδια προσωπική του καρτά SIM. 20

21 2.3.2 Επίπεδο Ραδιοδικτύου (BSS-Base Station Subsystem) Το επίπεδο ραδιοδικτύου (BSS-Base Station Subsystem) σε ένα κυψελοειδές δίκτυο 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 Κυψελοειδής δομή Λόγω περιορισμών στο διαθέσιμο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων και της συνεχούς αύξησης των συνδρομητών της κινητής τηλεφωνίας, αναγκαστήκαμε να εισάγουμε προηγμένες στρατηγικές για τη διαχείριση των κινητών δικτύων. Συνεπώς, η βασική ιδέα στην οποία βασίστηκε η κατασκευή των ραδιοδικτύων, είναι η έννοια της κυψέλης, δηλαδή η διάσπαση της γεωγραφικής περιοχής που πρόκειται να καλυφθεί ηλεκτρομαγνητικά σε μικρές ζώνες όπου υπάρχει η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. Οι κυψέλες που καλύπτουν μια περιοχή είναι ίδιες μεταξύ τους και η κάθε μία εξυπηρετείται από έναν σταθμό βάσης. Η μορφή των κυψελών είναι σε σχήμα εξαγώνου, ώστε να μην υπάρχει επικάλυψη σε ορισμένες περιοχές ή απώλεια κάλυψης σε άλλες (αποφυγη χρησιμοποίησης περισσοτερων κυψελών). Ο πυλώνας, ο οποίος αποτελείται από τρία κατευθυντικά κεραιοσυστήματα τοποθετείται σε μία γωνία του εξαγώνου με αποτέλεσμα να καλύπτονται ηλεκτρομαγνητικά τρία εξάγωνα για κάθε πύλωνα. Εικόνα 2.3 : Κυψελωτό δίκτυο 21

22 Το μέγεθος και τα χαρακτηριστικά των κυψελών μεταβάλλονται ανάλογα με την περιοχή της κάλυψης (αστική, ημιαστική, αγροτική), αλλά και την πυκνότητα του πληθυσμού που πρόκειται να χρησιμοποιήσει το δίκτυο. Πέντε είναι τα είδη των κυψελών στο GSM : Πικοκύτταρα (Pico Cells). Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης μικρότερη από 100 m. Η δομή αυτή χρησιμοποιείται για την κάλυψη των 17 επικοινωνιακών αναγκών των χρηστών με φορητές μονάδες οι οποίοι κινούνται γενικά εντός κτιρίων και ειδικότερα αυτών που βρίσκονται μέσα σε τρένα, αεροπλάνα, πλοία και λεωφορεία. Μικροκύτταρα (Micro Cells). Tα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης η οποία έχει ελάχιστη τιμή 100 m και μέγιστη τιμή 1 Km. H δομή αυτή χρησιμοποιείται για την επικοινωνιακή κάλυψη κινητών μονάδων οι οποίες ευρίσκονται και κινούνται στις κεντρικές περιοχές των πόλεων. Μακροκύτταρα (Macro Cells). Tα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης η οποία έχει ελάχιστη τιμή 1 Km και μέγιστη τιμή 20 Km. H δομή αυτή χρησιμοποιείται για την επικοινωνιακή κάλυψη κινητών μονάδων οι οποίες κινούνται σε οδούς εκτός των πόλεων καθώς και σε πυκνοκατοικημένες περιοχές. Υπερκύτταρα (Hyper Cells). Tα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης μεγαλύτερη από 20 Km και χρησιμοποιούνται για την επικοινωνιακή κάλυψη κινητών μονάδων οι οποίες ευρίσκονται εντός επαρχιακών περιοχών. Κύτταρα μεγάλης κάλυψης (Overlay Cells). Tα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης η οποία φθάνει μέχρι μερικές εκατοντάδες Km και χρησιμοποιούνται στη δορυφορική κινητή τηλεφωνία προκειμένου να καλυφθούν επικοινωνιακά οι κινητές και οι φορητές μονάδες που βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές Σταθμός βάσης (BTS-Base Transceiver Station) Ο Σταθμός βάσης (BTS-Base Transceiver Station) 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 (BSC-Base Station Controller) μέσω μίας διεπαφής Abis. Η διεπαφή A- bis είναι υπεύθυνη για τη μεταφορά κίνησης και σηματοδοσίας μεταξύ του BTS και του BSC. Κάθε κυψέλη, άρα και κάθε καιρεοσύστημα, έχει ένα σταθμό βάσης. Σε ένα GSM δίκτυο ο BTS φιλοξενεί τόσους πομποδέκτες όσες και οι συχνότητες που χρησιμοποιούνται σε κάθε κυψέλη. 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. 22

23 Εικόνα 2.4 : Σταθμός βάσης και κεραιοσύστημα Ένας BTS αποτελείται από τα εξής στοιχεία: Πομποδέκτες (Transceivers) Comparatives φίλτρα Duplexers φίλτρα Combiners φίλτρα Κεραία Εικόνα 2.5 : Τοπολογία BTS και φίλτρα 23

24 Οι Πομποδέκτες διαχειρίζονται την αποστολή και λήψη των σημάτων του κεραιοσυστήματος. Τα Combiners φίλτρα πολυπλέκουν τις συχνότητες των πομπών και τις στέλνουν στη κεραία εκπομπής με αποτέλεσμα να χρείαζομαστε μία κεραία ανεξάρτητα από τον αριθμό των πομπών που θα εγκαταστήσουμε στο σταθμό βάσης. Τα συγκεκριμένα φίλτρα έχουν δύο εισόδους και μία έξοδο. Το Comparative φίλτρο λαμβάνουν το σήμα απο τις 2 κεραίες λήψης το πολυπλεκουν και το στέλνουν στους Duplexers. Τα Duplexers φίλτρα χρησιμοποιούνται για να διαχωρήσουν το σήμα το οποίο στέλνεται απο τον Comparative και να το παραδώσουν τελικά στους δέκτες. Τα φίλτρα αυτά έχουν μία είσοδο και δύο εξόδους. Η Κεραία του σταθμού βάσης χρησιμοποιείται για την επικοινωνία του με το ψηφιακό κέντρο στο οποίο ανήκει. 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. Στο κομματι της προσομοίωσης θα χρησιμοποιήσουμε τμηματοποιημένους 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. 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. Εικόνα 2.6 : Τμηματοποιημένοι BTS 24

25 Ελεγκτήρες σταθμού βάσης (BSC-Base Station Controller) Ο Ελεγκτήρας σταθμού βάσης (BSC-Base Station Controller) 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 εντός της περιοχή του. Ο BSC πραγματοποιεί τη μεταγωγή για συνδρομητές μεταξύ δυο BTS. Κάνει επίσης τις αλλαγές στον διαμοιρασμό συχνοτήτων στην περιοχή του για να ανταπεξέλθει το σύστημα στις απαιτήσεις του συνδρομητικού φορτίου κυρίως σε ώρες αιχμής. Ο BSC ελέγχει την ισχύ μετάδοσης για τα BSS και MS στην περιοχή του. Από τον BSC εκπορεύονται τα κανάλια που είναι απαραίτητα για τον χρονικό και συχνοτικό συγχρονισμό. Μετράει επίσης την χρονική καθυστέρηση των λαμβανόμενων σημάτων από τον 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 στην ενημέρωση της συσκευής έτσι ώστε να επιτευχθεί συγχρονισμός. Ο BSC μπορεί επίσης να κάνει συγκέντρωση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης για να μειώσει τον αριθμό των γραμμών μετάδοσης από το BSC στα BTS. Εικόνα 2.6 : Σύστημα BTS-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 του ψηφιακού κέντρου (MSC-Mobile Service Switching Center). Το καθήκον της TRAU είναι να συμπιέζει και να αποσυμπιέζει την ομιλία μεταξύ του MS και του BSC ή μεταξύ του BSC και του BTS. 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. 25

26 Εικόνα 2.7 : Σύστημα TRAU Επίπεδο Μεταγωγής (NSS-Network Switching System) Κύριος ρόλος του δικτύου μεταγωγής είναι η διαχείρηση των επικοινωνιών ανάμεσα στους συνδρομητές του κυτταρικού δικτύου καθώς και με άλλους συνδρομητές, όπως κινητούς συνδρομητές, συνδρομητές PSTN κ.α. Επίσης περιλαμβάνουν βάσεις δεδομένων που είναι απαραίτητες για την αποθήκευση πληροφοριών σχετικά με τους συνδρομητές τους έτσι ώστε να μπορούν να διαχειρησθούν καλύτερα την μετακίνησή τους. Εικόνα 2.8 : NSS 26

27 Οι διεπαφές της Εικόνα 2.8 θα αναλυθούν εκτενώς στη συνέχεια HLR (Home Location Register) και AuC (Authentication Center) Η HLR έχει καταχωρημένες πληροφορίες που αφορούν αποκλειστικά το συνδρομητή, τις υπηρεσίες στις οποίες είναι εγγεγραμμένος, την περιοχή στην οποία βρίσκεται καθώς και άλλες πληροφορίες που σχετίζονται με την κλήση. Σε αυτή τη βάση δεδομένων καταγράφονται μόνιμα όλοι οι συνδρομητές του δικτύου. Κάθε πάροχος κινητής τηλεφωνίας χρειάζεται πρόσβαση σε τουλάχιστον μία HLR σαν μόνιμο αποθηκευτικό χώρο δεδομένων. Συνήθως όμως για λόγους backup ο πάροχος χρησιμοποιεί 2 βάσεις HLR. 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. 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. Το 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 μπορεί να υπολογίσει πάνω από πέντε τέτοιες τριπλέτες 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. Κάθε ψηφιακό κέντρο (MSC) έχει τη δικιά του VLR βάση δεδομένων και είναι αναπόσπαστο κομμάτι αυτού, για αυτό συνήθως αναφέρονται μαζί ως MSC/VLR. Η VLR περιέχει πληροφορίες για συνδρομητές, σχετικά με τη φυσική τους θέση στο δίκτυο, που είναι επισκέπτες στην περιοχή κάλυψης του συγκεκριμένου MSC. Η εγγραφή συνδρομητών στη VLR είναι προσωρινή. 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. 27

28 Κέντρο Μεταγωγης κινητών επικοινωνιών (MSC-Mobile Service Switching Center) Ο κύριος ρόλος του Κέντρου Μεταγωγης κινητών επικοινωνιών ή ψηφιακού κέντρου 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 με εξωτερικά δίκτυα (ISDN/PSDN κλπ) από την άλλη (ονομάζεται Gateway MSC). Τα ψηφιακά κέντρα της περιοχής κάλυψης συνδέονται μεταξύ τους με την τοπολογία πλέγματος. Εικόνα 2.9 : Τοπολογία πλέγματος Το Gateway MSC είναι ουσιστικά η διεπαφή για τη διασύνδεση του κυτταρικού δικτύου με το δίκτυο σταθερής τηλεφωνίας ή με GSM δίκτυο άλλου παρόχου. 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. 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. Ο αριθμός των MSC σε μια περιοχή κάλυψης ορίζεται από το πηλίκο του αριθμού των κυψελών που έχουμε προς 124 (αριθμός σταθμών βάσης που μπορεί να ελέγξει με βάση το GSM πρότυπο). Δηλαδή : Αριθμός Κυψελλών 124 = Αριθμός MSC 28

29 Εικόνα 2.10 : Δομή και διασυνδλεσεις MSC 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 (NMS-Network Management Subsystem) 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. 29

30 Υποσύστημα Διαχείρησης και λειτουργίας (OSS-Operation and Support Subsystem) Το OSS διασυνδέεται με τα δίαφορα τμήματα του NSS και του BSC για να μπορεί να ελέγχει και να παρακολουθεί το δίκτυο GSM. Επίσης διαχειρίζεται το φορτίο κίνησης του BSS. Ο διαρκώς αυξανόμενος αριθμός των BTS οδήγησε κάποιες από τις λειτουργίες συντήρησης από το OSS στο ίδιο το BTS. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να ελλατωθεί σημαντικά το κόστος συντήρησης του συστήματος 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. Πραγματοποιήσει όλες τις λειτουργίες διαχείρισης και διατήρησης σε στοιχεία του GSM PLMN συστήματος. 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 (TMN-Telecommunications Management Network) προκειμένου να επικοινωνήσει με τα διάφορα στοιχεία του συστήματος GSM. Αυτό συμβαίνει μέσω μισθωμένων γραμμών του PSTN ή άλλων σταθερών δικτύων. Το OMC είναι υπεύθυνω για τη διαχείριση ασφαλείας, λειτουργίες συντήρησης, διοίκηση και εμπορική εκμετάλλευση, διαχείριση λαθών, διαχείριση απόδοσης, συλλογή κίνησης από το δίκτυο και τέλος διαχείριση συναγερμών NMC (Network Management Center) Το NMC παρέχει παγκόσμια και κεντρικοποιημένη διαχείρηση λειτουργιών και υποστήριξης 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 και παρέχει στους σχεδιαστές του δικτύου χρήσιμες πληροφορίες για την απόδοσή του. Κάποιες απο τις βασικές λειτουργίες του NMC είναι η παροχή ολοκληρωμένης λειτουργία του δικτύου, ο έλεγχος του δικτύου για συναγερμούς υψηλού επιπέδου, η παροχεή ευρείας διαχείρισης κίνησης στο δίκτυο, ο έλεγχος της κατάστασης των αυτομάτων ελέγχων που εφαρμόζονται στον δικτυακό εξοπλισμό σε κατάσταση υπερφόρτωσης, η δυνατότητα διαχείρισης του τοπικού δικτύου και τέλος έχει υποστηρικτικό ρόλο στη σχεδίαση του δικτύου. 30

31 2.4 ΔΙΕΠΑΦΕΣ ΤΟΥ GSM ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Εικόνα 2.11 : Διεπαφές Σε αυτο το υποκεφάλαιο θα αναλυθούν ο ρόλος και οι λειτουργίες των διεπαφών σε ενα GSM κυψελωτό δίκτυο όπως αυτές φαίνονται στις Εικόνα 2.8 και Εικόνα Διεπαφη Α Η διεπαφή αυτή υφίσταται μεταξύ του Ελεγκτήρα του Σταθμού Βάσης (BSC) και του Ψηφιακού Κέντρου (MSC). Χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της πληροφορίας στα κανάλια κίνησης και για τη μεταφορά μυνημάτων τα οποία προέρχονται από το στρώμα BSSAP Διεπαφη Abis H διεπαφή αυτή υφίσταται μεταξύ του Σταθμού Εκπομπής Λήψης (BTS) και του Ελεγκτήρα του Σταθμού Βάσης (BSC). Μεταφέρεται με τα TDM κυκλώματα και χρησιμοποιείται για την μετάδοση της πληροφορίας στα κανάλια κίνησης (Traffic Channels TCH), για την επίβλεψη του Σταθμού Εκπομπής Λήψης (BTS) και για την σηματοδοσία το Πρωτόκολλο LAPD. Επίσης, καθήκον της διεπαφής αυτής είναι η μεταφορά των στοιχείων του συγχρονισμού από τον Ελεγκτήρα του Σταθμού Βάσης (BSC) στον Σταθμό Εκπομπής Λήψης (BTS) και στην φορητή συσκευή. 31

32 2.4.3 Διεπαφη Um Η διεπαφή αυτή είναι μια διεπαφή αέρος και υφίσταται μεταξύ της φορητής συσκευής και του συστήματος του Σταθμού Βάσης. Με τη συγκεκριμένη διεπαφή υποστηρίζονται οι υπηρεσίες μετάδοσης φωνής και δεδομένων στο ασύρματο κανάλι κατά την επικοινωνία φορητής συσκευής με τον Σταθμό Βάσης. H συγκεκριμένη διεπαφή χρησιμοποιεί το πρωτόκολο LAPDm για τις ανάγκες της σηματοδοσίας, για τον έλεγχο των κλήσεων, για την αναφορά των μετρήσεων, για την μεταπομπή, για τον έλεγχο της ισχύος εκπομπής, για την διακρίβωση και την ασφάλεια πρόσβασης, για την ενημέρωση της θέσης, κ.λ.π. Η συνδρομητική κίνηση και η σηματοδοσία στέλνονται σε ριπές διαρκείας msec και σε χρονικά διαστήματα μεταξύ ριπών msec. Με αυτόν τον τρόπο δομούνται αντίστοιχα πακέτα δεδομένων χρονικής διαρκείας 20 msec εκάστου Διεπαφη Β Η διεπαφή αυτή, υφίσταται μεταξύ του Ψηφιακού Κέντρου (MSC) και της βάσης δεδομένων VLR και υποστηρίζεται από το πρωτόκολλο MAP/B. Το Ψηφιακό Κέντρο πρέπει να έχει πρόσβαση σε δεδομένα τα οποία αφορούν την περιοχή θέσης της φορητής συσκευής και επομένως θα πρέπει να επικοινωνήσουν με την VLR χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο MAP/B και η διενέργεια αυτή θα πρέπει να πραγματοποιηθεί μέσω της διεπαφής Β Διεπαφη C Η διεπαφή αυτή χρησιμοποιείται για τη διασύνδεση της HLR με το Ψηφιακό Κέντρο Πύλη (GMSC) ή με το Κέντρο Πύλη των βραχέων μηνυμάτων (SMS-G). Κάθε κλήση η οποία προέρχεται εκτός δικτύου GSM πρέπει να διέλθει υποχρεωτικά μέσω Πύλης (Gate) για να λάβει την αναγκαία πληροφορία δρομολόγησης προκειμένου να διεκπεραιώσει την διαδικασία της συγκεκριμένης κλήσης. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο MAP/C μέσω της διεπαφής C Διεπαφη D Η συγκεκριμένη διεπαφή χρησιμοποιείται για την διασύνδεση της VLR με την HLR. Στο πλαίσιο της διενέργειας αυτής χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο MAP/D για την ανταλλαγή δεδομένων που αφορούν τη θέση της φορητής συσκευής και στοιχεία που άπτονται της διαχείρισης του συγκεκριμένου συνδρομητή. 32

33 2.4.7 Διεπαφη E Η διεπαφή αυτή χρησιμοποιείται για τη διασύνδεση δύο Ψηφιακών Κέντρων (MSCs). Με την διεπαφή αυτή, ανταλλάσονται δεδομένα που αφορούν την μεταπομπή (handover) των συνδρομητών από το ένα Ψηφιακό Κέντρο στο άλλο. Η ανταλλαγή αυτή πραγματοποιείται με χρήση του πρωτοκόλλου MAP/E Διεπαφη F Η διεπαφή αυτή, συνδέει το Ψηφιακό Κέντρο (MSC) με τη βάση δεδομένων EIR. Για τη διασύνδεση αυτή χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο MAP/F προκειμένου να επαληθευθεί από το Ψηφιακό Κέντρο η κατάσταση της ταυτότητας ΙΜΕΙ της φορητής συσκευής την οποία διαχειρίζεται Διεπαφη G Η διεπαφή αυτή διασυνδέει δύο βάσεις δεδομένων VLR οι οποίες ανήκουν σε διαφορετικά Ψηφιακά Κέντρα (MSCs). Για τη διασύνδεση αυτή, χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο MAP/G το οποίο είναι το αρμόδιο για τη μετάδοση πληροφορίας που αφορούν τους συνδρομητές (π.χ δεδομένα που προέρχονται από τη διαδικασία της ενημέρωσης της θέσης των συνδρομητών). 33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο αναλύονται οι τεχνικές παράμετροι των κέραιων μιας ασύρματης ζεύξης. Στη συνέχεια αναφέρονται αναλυτικά οι απώλειες που παρατηρούνται σε ένα ασύρματο τηλεποικινωνιακό δίκτυο και από που προέρχονται. Τέλος, γίνεται λόγος και πλήρης περιγραφή των μοντέλων διαλείψεων κατά Rice και κατά Rayleigh και των στατιστικών συναρτήσεων που χρησιμοποιόυμε στην πράξη για τον σχεδιασμό ενός GSM δικτύου. 3.2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΕΡΑΙΩΝ Απολαβή (κέρδος) κεραίας Η απολαβή (G) μιας κεραίας, ορίζεται ως ο λόγος της μέγιστης πυκνότητας της ακτινοβολούμενης ισχύος στην κατεύθυνση του κύριου λοβού ακτινοβολίας προς τη μέση πυκνότητα ισχύος που ακτινοβολείται προς όλες τις κατευθύνσεις του χώρου. S = (S r) max (S r ) average = 4 π r2 (S r ) max P r (3.1) Διάγραμμα ακτινοβολίας κεραίας Το διάγραμμα ακτινοβολίας μας δείχνει που η κεραία βγάζει την περισσότερη ενέργεια και που την μικρότερη ενέργεια στον χώρο (ποιες περιοχές υποβαθμίζονται ή που συγκεντρώνεται η ακτινοβολούμενη ισχύς). Το διάγραμμα ακτινοβολίας περιγράφει την ακτινοβολία μιας κεραίας στον τρισδιάστατο χώρο με δύο διαγράμματα : το κάθετο (κάθετη τομή στο τρισδιάστατο επίπεδο) και το οριζόντιο (οριζόντια τομή). Η κεραία θεωρείται οτι βρίσκεται τοποθετημένη στο κέντρο του διαγράμματος. Το διάγραμμα ακτινοβολίας ειναι μια γραφική αναπαράσταση που συνδέει τον χώρο με την ακτινοβολούμενη ισχύς ή αντίστοιχα σε μια κεραία λήψης εκφράζει την ευαισθησία συναρτήσει της διεύθυνσης. 34

35 Εικόνα 3.1 : Διάγραμμα Ακτινοβολίας Χαρακτηριστική αντίσταση κεραίας Η χαρακτηριστική αντίσταση μιας κεραίας έχει την παρακάτω μιγαδική έκφραση : Z A = R A + j X A (3.2) Το πραγματικό μερός της χαρακτηριστικής αντίστασης εκφράζει τις θερμικές απώλειες που εμφανίζει η κεραία καθώς επίσης και την ενέργεια η οποία διαδίδεται μέσω των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και δεν επιστρέφει πίσω στην κεραία. Το φανταστικό μέρος αναφέρεται στην ενέργεια η οποία αποθηκεύεται στην περιοχή του κοντινού πεδίου αυτής. 35

36 3.2.4 Ενεργός ακτινοβολούμενη ισχυς (ERP) Η ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς μιας κεραίας είναι το γινόμενο της απολαβής της κεραίας επί την ισχύ που φτάνει στην κεραία του πομπού από το ομοαξονικό καλώδιο. Όπου : G t = το κέρδος της κεραίας P t = η ισχύς λήψης της κεραίας ERP = G t P t (3.3) Ζώνες Fresnel Αν δεν υπάρχουν εμπόδια, τα ραδιοκύματα ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή από τον πομπό στο δέκτη και μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το σήμα μεταδίδεται σε μια ελλειψοειδή μορφή όπου αν χωρίσουμε αυτό τον ελλειψοειδή χώρο σε ζώνες, τότε αυτές οι ζώνες είναι οι ζώνες Fresnel. Αλλά αν υπάρχουν ανακλαστικές επιφάνειες κατά μήκος της διαδρομής, τα ραδιοκύματα που αντανακλούν σε αυτές τις επιφάνειες μπορεί να φτάσουν με διαφορετική φάση από τα σήματα που ταξιδεύουν απευθείας μειώνοντας την ισχύ του λαμβανομένου σήματος. Από την άλλη πλευρά, η αντανάκλαση μπορεί να ενισχύσει την ισχύ του λαμβανόμενου σήματος, εάν η αντανάκλαση και το άμεσο σήμα φτάσουν με την ίδια φάση. Για να αποφύγουμε αυτά τα προβλήματα πρέπει πάντα να εξασφαλίζουμε την καθαρότητα της 1ης ζώνης Fresnel. Εικόνα 3.2 : Ζώνες Fresnel 36

37 3.3 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ Πολυόδευση Βασικός παράγοντας απωλειών είναι η πολυόδευση ή διάδοση με διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών (multipath fading). H πολυόδευση οδηγεί σε ραγδαίες διακυμάνσεις της φάσης και του πλάτους του σήματος. Το σήμα που φτάνει στο δέκτη δεν περιέχει μόνο το κύμα της άμεσης οπτικής ευθείας, αλλά και μεγάλο αριθμό ραδιοκυμάτων που φτάνουν μέσω ανάκλασης και περίθλασης. Τα πολλαπλά επίπεδα κύματα συνδυάζονται στην κεραία του δέκτη για να παράγουν ένα σύνθετο λαμβανόμενο σήμα Σκίαση Όταν εμφανίζεται ένα μεγάλο εμπόδιο μεταξύ του πομπού και του δέκτη και έχει μεγαλύτερο μέγεθος από το μήκος κύματος του μεταδιδόμενου σήματος, τότε έχουμε το πρόβλημα της σκίασης. Το πρόβλημα αυτό εμφανίζεται με την απότομη πτώση του σήματος λήψης στα σημεία που κρύβει το εμπόδιο αυτό. Για να αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα αυτό υπάρχουν τρεις μέθοδοι. Παθητικό κάτοπτρο: τοποθετείται στην κορυφή του εμποδίου και αντανακλά το σήμα που δέχεται προς την περιοχή που επισκιάζεται. Κεραίες back to back: τοποθετούνται στην κορυφή του εμποδίου και εκπέμπουν και από τις δύο μεριές. Αύξηση ισχύος εκπομπής μέχρι κάποιο επιτρεπτό όριο Ελευθέρου χώρου (FSL) Το μοντέλο της ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης στον ελεύθερο χώρο περιγράφεται από την εξίσωση του Friis : P R (3.4) P T G T G R FSL Όπου : P = η ισχύς λήψης (για κινητα κείμενεται μεταξυ -90dbm με -100dbm). R P = η ισχύς εκπομπής. T G = το κέρδος της κεραίας εκπομπής. T G = το κέρδος της κεραίας λήψης. R Τα μεγέθη της σχέσης 3.4 είναι εκφρασμένα σε dbw, dbw, dbi, dbi και db αντίστοιχα. 37

38 Η εξασθένηση που προκαλείται στο σήμα μετάδοσης από το ασύρματο κανάλι, είναι αποτέλεσμα πολλών παραγόντων με κυριότερο την απόσταση. Συνήθως στην περίπτωση που τα στοιχεία του καναλιού μετάδοσης δεν είναι πλήρως καθορισμένα, αυτό που αναφέρεται είναι η εξασθένηση του σήματος συναρτήσει της απόστασης κατά τη διάδοση στον ελεύθερο χώρο. Επομένως οι απώλειες ελευθέρου χώρου σε db είναι : FSL 20 log (3.5) d Όπου : d = το μήκος κύματος εκπομπής. = η απόσταση της φορητής συσκευής από την κεραία εκπομπής Απώλειες γραμμής μεταφοράς Έκτος από τις απώλειες ελεύθερου χωρου (FSL) έχουμε και τις απώλειες της γραμμής μεταφοράς (ομοαξονικό καλώδιο) που συνδέει τον πομπό με την κεραία αυτού,καθώς επίσης και τις απώλειες της γραμμής μεταφοράς που συνδέει το δέκτη με την κεραία αυτού οι οποίες συμβολίζονται [TLT] και [TLR] αντίστοιχα και είναι σε μονάδες db : (TL) Tx = [μήκος καλωδίου]x[εξασθένηση ανά μονάδα μήκους] (3.6) (TL) Rx = [μήκος καλωδίου]x[εξασθένηση ανά μονάδα μήκους] (3.7) Το μήκος καλωδίου του δέκτη όταν αναφερόμαστε σε φορητή συσκευή θεωρείται αμελητέο. Η εξασθένηση ανά μονάδα μήκους του ομοαξονικόυ καλωδίου δίνεται από τον κατασκευαστή. 38

39 Εικόνα 3.3 : Πίνακας απωλειών ομοαξονικού καλωδίου Τελικά ο τύπος του Friis παίρνει την εξλης μορφή : PR P G G FSL (TL)Tx (TL)Rx (3.8) T T R Απώλειες διαδρομής Οι απώλειες διαδρομής είναι η μείωση της πυκνότητας ισχύος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καθώς διαδίδονται μέσα στο χώρο. Οι απώλειες διαδρομής μπορεί να οφείλονται σε πολλούς λόγους, όπως απώλειες ελευθέρου χώρου, διάθλαση, περίθλαση και ανάκλαση. Οι απώλειες διαδρομής επηρεάζονται επίσης από το περιβάλλον (αστική ή αγροτική, τη βλάστηση και το φύλλωμα), το μέσο διάδοσης (ξηρό ή υγρό αέρα), την απόσταση μεταξύ του πομπού και του δέκτη, καθώς και το ύψος και τη θέση των κεραιών. 39

40 3.4 ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ 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 Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας πραγματεύονται την εξασθένηση της μέσης τιμής της ισχύος του σήματος λήψης εξαιτίας απώλειας στη διαδρομή και τη μεταβολή της τιμής αυτής λόγω της σχετικής κίνησης μεταξύ πομπού-δέκτη. Η ύπαρξη αυτού του φαινομένου είναι αποτέλεσμα της παρεμβολής μεταξύ πομπού και δέκτη, καθώς αλλάζει η σχετική τους θέση, διαφόρων εμποδίων (κτίρια, λόφοι, δασώδεις εκτάσεις κ.λ.π.). Έχουμε λοιπόν μια συνεχή αλλαγή του χώρου που παρεμβάλλεται μεταξύ πομπού και δέκτη που οδηγεί σε μια μεταβαλλόμενη «σκίαση» του δέκτη. Για τον λόγο αυτό, η μεταβολή της μέσης τιμής του σήματος λήψης αναφέρεται ως διαλείψεις σκίασης (Shadow Fading). Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας χαρακτηρίζονται από μία lognormal συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας παρέχοντας έναν τρόπο εκτίμησης των απωλειών διάδοσης ως συνάρτηση του χρόνου Διαλείψεις μικρής κλίμακας Στις διαλείψεις μικρής κλίμακας έχουμε απότομες μεταβολές του πλάτους και της φάσης του λαμβανόμενου σήματος που μπορούν να θεωρηθούν ως αποτέλεσμα μικρών αλλαγών (της τάξης του μισού μήκους κύματος) της απόστασης μεταξύ πομπού και δέκτη ή ως αποτέλεσμα της αλλαγής θέσης, ταχύτητας ή πυκνότητας των σωμάτων που επηρεάζουν έμμεσα τις επικοινωνίες. Τέτοια σώματα είναι τα διάφορα κτίρια, οχήματα και ζωντανοί οργανισμοί που συναντιούνται στις πόλεις, καθώς επίσης και τα διάφορα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας εκδηλώνονται με δύο μηχανισμούς όσον αφορά την παραμόρφωση του λαμβανόμενου σήματος, τη χρονική διασπορά του σήματος (signal dispersion) και τη χρονική διακύμανση της συμπεριφοράς του καναλιού (variance). 40

41 3.4.3 Μοντέλα διαλείψεων Διαλείψεις κατα Rayleigh Το φαινόμενο των διαλήψεων των οποίων η πυκνότητα πιθανότητας του λαμβανόμενου σήματος ακολουθεί τη κατανομή Rayleigh, παρατηρείται σε επικοινωνιακά σενάρια όπου δεν υπάρχει απευθείας οπτική επαφή μεταξύ του κεραιοσυστήματος κυψέλης με την κεραία της φορητής συσκευής που κινείται στη συγκεκριμένη κυψέλη. Εικόνα 3.4 : Φαινόμενο διαλείψεων με κατανομή Rayleigh Επομένως, το λαμβανόμενο σήμα προέρχεται από επιβατικές ακτίνες του ηλεκτρομαγνητικού κύματος οι οποίες υφίστανται πολυόδευση λόγω της ύπαρξης φυσικών και τεχνητών εμποδίων σε μια περιοχή όπου κινείται η φορητή συσκευή. Ο τύπος αυτός των διαλήψεων είναι πολύ συχνό φαινόμενο σε αστικές κυρίως περιοχές και θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για τις εκτιμήσεις της στάθμης του σήματος στα κυψελωτά συστήματα κινητών επικοινωνιών. Η μεταδιδόμενη πληροφορία, λόγω των χρονοκαθυστερήσεων άφιξης των επιβατικών ακτινών εξαιτίας του φαινομένου της πολυόδευσης, λαμβάνεται πολλαπλώς. 41

42 Διαλείψεις κατα Rice Οι διαλείψεις κατά Rice ακολουθούν ένα στοχαστικό μοντέλο για περιπτώσεις όπου προκαλείται ανωμαλία στη διάδοση λόγω του φαινομένου της πολυόδευσης. Πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχει μια κυρίαρχη συνιστώσα του σήματος, δηλαδή ένας κυρίαρχος δρόμος οπτικής επαφής (line of sight-los), που είναι πολύ ισχυρότερη από όλες τις άλλες επιβατικές ακτίνες του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που ακολουθούν διαφορετικές οδεύσεις μέχρι τη λήψη τους από το δέκτη. 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 : Όπου : K = A2 2σ 2 (3.9) Α = η μεγιστη τιμη του πλάτους της κυρίαρχης συνιστώσας σ 2 = η διασπορά των τίμων της κατανομής 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. 3.5 ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ Όταν μιλάμε για περιβάλλοντα ταχέων διαλείψεων που λαμβάνουν χώρα σε μικρές μετατοπίσεις της φορητής συσκευής, θα πρέπει να γνωρίζουμε την έκφραση της σύναρτησης κατανομής της πυκνότητας πιθανότητας, ώστε για παρόμοιες περιπτώσεις και στο πλαίσιο της εκτίμησης, σε δεδομένα σημεία του χώρου, της στάθμης του σήματος, να μπορούμε εύκολα να δίδουμε απαντήσεις, χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες για κάθε φορά παραμέτρους της συνάρτησης κατανομής. Στο πλαίσιο αυτό και σύμφωνα με τη θεωρία πιθανοτήτων, καθορίζουμε τη Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας (Probability Density Function-PDF) και τη Συνάρτηση Αθροιστικής Κατανομής (Cumulative Distribution Function-CDF). 42

43 3.5.1 Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας (PDF) Σύμφωνα με τη θεωρία των πιθανοτήτων η PDF είναι μια συνάρτηση η οποία περιγράφει τη σχετική πιθανότητα ώστε η τυχαία μεταβλητή να λάβει μία συγκεκριμένη τιμή. Πρακτικά αυτό σημαίνει, όταν σε ένα σημείο του χώρου προσδιορίσουμε την τιμή της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος, η PDF μας δηλώνει το πόσο αληθής είναι η συγκεκριμένη τιμή που προσδιορίσαμε. Η πιθανότητα η τυχαία αυτή μεταβλητή να ευρεθεί μέσα σε μια συγκεκριμένη περιοχή τιμών, δίδεται από το ολοκλήρωμα της πυκνότητας της μεταβλητής μέσα στη συγκεκριμένη περιοχή τιμών Συνάρτηση Αθροιστικής Κατανομής (CDF) Η συνάρτηση αθροιστικής κατανομής, περιγράφει την πιθανότητα όπου μια πραγματική τιμή, της τυχαίας μεταβλητής Χ και η οποία έχει δεδομένη κατανομή πιθανότητας, θα είναι μικρότερη ή ίση από μια δεδομένη τιμή χ. Η σημασία της συγκεκριμένης κατανομής είναι σημαντική για τις επικοινωνίες διότι μπορούμε να προκαθορίσουμε τη συγκεκριμένη τιμή χ και να τη θεωρήσουμε ότι είναι η τιμή του κατωφλίου ευαισθησίας του δέκτη. Επομένως μέσω της CDF μας δίδεται η απάντηση στο ερώτημα αν μια υπολογισθείσα τιμή της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος σε ένα σημείο του χώρου είναι κάτω ή είναι ίση με το κατώφλι ευαισθησίας του δέκτη. Συμπερασματικά μας παρέχει πληροφορία σχετικά με την κατάσταση λειτουργίας της φορητής συσκευής σε μια τοπική περιοχή PDF-CDF στα μοντέλα διαλείψεων Rayleigh και Rice Το λαμβανόμενο σήμα προέρχεται από ένα σύνολο επιβατικών ακτινών του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, όπου το άθροισμα αυτών προσεγγίζει την κατανομή Gauss τυχαίων μεταβλητών, τότε το πλάτος του συνιστάμενου σήματος ακολουθεί την κατανομή Rayleigh και οι φάσεις των επιμέρους συνιστωσών κατανέμονται ομοιόμορφα στο διάστημα απο 0 έως 2π. Στην περίπτωση αυτή η PDF είναι : Όπου : PDF = r σ exp ( r2 2 2σ 2) για r 0. (3.10) r = η περιβάλλουσα του λαμβανόμενου σήματος. σ = η τυπική απόκλιση. σ 2 = η διασπορά του λαμβανόμενου σήματος. Αντίστοιχα η CDF είναι : CDF = 1 e r2 2σ 2 (3.11) 43

44 Στην κατανομή Rice, η οποία ακολουθεί και αυτή την κανονική κατανομή, η PDF δίνεται από τον τύπο : Όπου : PDF = r exp [ +A 2 σ 2 (r2 )] Ι 2σ 0( Α r 2 σ 2 ) για r 0. (3.12) Α = το μέγιστο πλάτος της κυρίαρχης συνιστώσας LOS. σ = η τυπική απόκλιση. I0(.) = η συνάρτηση Bessel 1 ου είδους και μηδενικής τάξης. Επίσης η συνάρτηση Bessel ορίζεται ως : Ι 0 (x) 1 +π exp( x cosφ) dφ 2 π π (3.13) Και το μέγιστο πλάτος της κυρίαρχης συνιστώσας LOS ως : A = 2 (P σ 2 ) (3.14) Τέλος, ο συντελεστής Κ του Rice σε db είναι : K = 10 log( A2 2σ2) (3.15) 44

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΩΝ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό αναλύουμε τις κύριες παρεμβολές των κυψελοειδών συστημάτων και την τεχνική της επαναχρησιμοποιήσης των συχνοτήτων.επιπλέον παρουσιάζουμε τον τρόπο με τον οποίο διαχειριζόμαστε τις συχνότητες σε ένα κυψελωτο δίκτυο και τις τεχνικές για την αντιμετώπιση των παρεμβολών που προκύπτουν στις συχνότητες. Επίσης αναφέρουμε τις βασικές λειτουργίες που λαμβάνουν χώρα σε ένα κυψελοειδές δίκτυο, όπως η μεταπομπή και η διαίρεση συχνοτήτων. Τέλος, αναλύουμε βασικές έννοιες του δικτύου, όπως η πιθανότητα μπλοκαρίσματος κλήσης και και το Quality of Service. 4.2 ΚΥΡΙΕΣ ΠΑΡΜΒΟΛΕΣ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επαναχρησιμοποίση συχνοτήτων και είδη παρεμβολών Αποτελεί τη δυνατότητα χρησιμοποίησης ραδιοδιαύλων, οι οποίοι έχουν τις ίδιες συχνότητες φορέα και δεν δημιουργούν προβλήματα παρεμβολών (καταχώρηση συχνοτήτων σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές κάλυψης με επαρκή απόσταση μεταξύ τους). Η λογική του συστήματος επικοινωνίας είναι η διαίρεση καλυπτόμενων περιοχών σε υποπεριοχές-κυψέλες, των οποίων το μέγεθος της διαμέτρου κυμαίνεται από λίγα χιλιόμετρα μέχρι 50 (ή και 100) χιλιόμετρα. Σε κάθε μία κυψέλη παραχωρείται ένα σύνολο συχνοτήτων. Δύο κυψέλες μπορούν να χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες, εφόσον βρίσκονται σε απόσταση τέτοια που αποφεύγονται προβλήματα παρεμβολών. Οι ραδιοδίαυλοι εξυπηρετούν περισσότερες από μία κυψέλες, κυρίως λόγω των ευκολιών που προσφέρουν τα ψηφιακά συστήματα. Οπότε, οι κυψέλες επιτρέπουν την εκτεταμένη επαναχρησιμοποίηση συχνότητας. Η χωρητικότητα του κυψελοειδούς συστήματος, όσον αφορά των αριθμό των χρηστών, εξαρτάται από τον αριθμό των διαθέσιμων συχνοτήτων σε κάθε κυψέλη, καθώς και από τον αριθμό των κυψελών. Επίσης θα πρέπει να έχουμε ελεγχόμενη ισχύ εκπομπής για περιορισμό της ισχύος του σήματος που διαφεύγει στις γειτονικές κυψέλες και να καθοριστεί ο αριθμός των κυψέλων που πρέπει να παρεμβληθούν ανάμεσα σε δύο κυψέλες που χρησιμοποιούν την ίδια συχνότητα. 45

46 Εικόνα 4.1 : Επαναχρησιμοποίση συχνοτήτων Τα είδη των παρεμβολών που συναντάμε στα κυψελοειδή συστήματα είναι : Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Παρεμβολή γειτονικού καναλιού Παρεμβολή ομοκαναλική Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης (Intermodulation) Η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης εμφανίζεται στα κυκλώματα εξόδου των πομπών ή στα κυκλώματα εισόδου των δεκτών, όταν δύο ή περισσότερα σήματα διέρχονται ταυτόχρονα από μη γραμμικά κυκλώματα. Επομένως, η παρουσία μη γραμμικού στοιχείου σε ένα σύστημα προκαλεί στο σήμα γραμμική παραμόρφωση με αποτέλεσμα τη δημιουργία προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης. Τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης είναι ο θόρυβος, ο οποίος παράγεται σε άλλες συχνότητες και μπορούμε να τον προσδιορίσουμε μέσω μαθηματικής ανάλυσης. Με αυτόν τον τρόπο καταλήγουμε στο ότι εμφανίζονται προϊόντα 2ης 3 ης 4 ης..ν-ης τάξης που όσο αυξάνεται η τάξη τόσο μειώνεται η ισχύς τους. Άρα η επίδραση τους ελαττώνεται στο σήμα της εκάστοτε συχνότητας που εμφανίζονται όσο αυξάνεται η τάξη τους. Αυτό σε συνδυασμό με την διαπίστωση ότι τα προϊόντα περιττής τάξης έχουν σημαντική επίδραση στη μείωση του λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR), οδηγεί κατά το σχεδιασμό να λαμβάνουμε υπόψη μας μέχρι προϊόντα 3ης τάξης. Επείδη δεν γίνεται να εξαφανίσουμε τελείως τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης γιατί θα έπρεπε να διαγράψουμε έναν μεγάλο αριθμό συχνοτήτων, κάτι το οποίο είναι πολύ αντιοικονομικό, μέσω διαφόρων τεχνικών έχουμε καταφέρει να μειώσουμε την επίδραση τους και να διαγράψουμε μόνο λίγες συχνότητες. 46

47 Εικόνα 4.2 : Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Παρεμβολή γειτονικού καναλιού (Adjacent channel interference) Η παρεμβολή γειτονικού καναλιού συμβαίνει όταν μέσα σε μία κυψέλη δύο ή περισσότερα κανάλια παρεμβάλλονται το ένα στο άλλο. Το φαινόμενο αυτό συναντάται συνήθως όταν τα κανάλια σχηματίζονται σε κοντινές συχνότητες. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού χρησιμοποιούνται φίλτρα σημάτων και καταβάλλεται προσπάθεια ώστε να παρουσιάζουν όσο το δυνατόν κάθετες πλευρές για να αποκόπτονται οι ανεπιθύμητες συχνότητες. Φίλτρα όμως για να διαχωρίσουν ιδανικά όλες τις συχνότητες δεν υπάρχουν και έτσι πάντοτε κάποια γειτονική συχνότητα περνάει από το φίλτρο και υποβαθμίζει τη λήψη. Εικόνα 4.3 : Παρεμβολή γειτονικού καναλιού 47

48 4.2.4 Παρεμβολή ομοκαναλική (Co-channel interference) Η ομοκαναλική παρεμβολή συμβαίνει όταν δύο συσκευές πομπών, που λειτουργούν στην ίδια συχνότητα, είναι ταυτοχρόνως ενεργοί με αποτέλεσμα ο δέκτης να λαμβάνει το σήμα από τον ένα πομπό και να λαμβάνει και άλλο ένα αδύναμο σήμα από τον άλλο πομπό. Η επίδραση αυτή μετριέται σαν λόγος σήματος που φθάνει στη κεραία του κινητού συνδρομητή από τον τοπικό σταθμός βάσης προς το σήμα που λαμβάνεται στην ίδια κεραία από έναν μακρινό σταθμό βάσης. Για να μπορέσουμε να κάνουμε επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων στις κυψέλες θα πρέπει να εξασφαλίσουμε την απαραίτητη απόσταση r μεταξύ των κυψελών έτσι ώστε να μην παρεμβάλλονται τα δύο σήματα όταν οι πομποί εκπέμπουν στην ίδια συχνότητα. Αυτή η απόσταση ορίζεται από τον τύπο: Όπου : D R > 3 Ν (4.1) D = η απόσταση των κυψελών αν θεωρήσουμε ότι οι κυψέλες έχουν την κεραία τους και είναι πανκατευθυντική. στο κέντρο R = η ακτίνα κάθε κυψέλης. N = ο αριθμός των κυττάρων ανά συστάδα, δηλαδή ο αριθμός των κυψελών που έχει η κάθε ομάδα κυψελών που επαναχρησιμοποιείται. Με τη βοήθεια αυτού του τύπου προσδιορίζουμε την απόσταση, που πρέπει να έχουν τα κέντρα δύο διαδοχικών συγκαναλικών κυττάρων, ως συνάρτηση της ακτίνας του κυττάρου για κάθε τεχνολογία. Εικόνα 4.4 : Παρεμβολή ομοκαναλική 48

49 4.3 ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Διαχείρηση συχνοτήτων Αφού έχουμε υπολογίσει τον αριθμό των καναλιών, πρέπει να προσδιορίσουμε τις συχνότητες που θα χρησιμοποιήσουμε σε κάθε κυψέλη. Ένοντας σα δεδομένο το εύρος των συχνοτήτων που θα χρησιμοποιήσουμε αναλόγα με την τεχνολογία, αυτό που μένει είναι να καταλήξουμε πως θα πρέπει να κατανεμηθούν οι συχνότητες στην κάθε κυψέλη ώστε να αποφύγουμε τις παρεμβολές Καταχώρηση συχνοτήτων Οι τεχνικές καταχώρησης συχνοτήτων αναπτύχθηκαν με σκοπό την όσο το δυνατόν πιο βέλτιστη εκμετάλλευση και διαχείριση των περιορισμένων πόρων έτσι ώστε να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση και προστασία από την ομοκαναλική παρεμβολή, την παρεμβολή γειτονικού καναλιού και την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Μέσω των τεχνικών αυτών τα κανάλια καταχωρούνται στα κύτταρα με βάση την κατανομή της τηλεπικοινωνιακής κίνησης και τις απαιτήσεις των συνδρομητών για πρόσβαση στις υπηρεσίες του δικτύου Σταθερή καταχώρηση συχνοτητών (FCA-Fixed Channel Assignment) Ο τρόπος αυτής της καταχώρησης είναι στατικός και δεν μπορεί να αλλαχθεί. Η καταχώρηση γίνεται με τετοιο τρόπο ώστε να μεγιστοποιείται η παράμετρος της επαναχρησιμοποίησης των διαθέσιμων συχνοτήτων. Επομένως σε ένα FCA σύστημα η απόσταση μεταξύ των κυψελών που χρησιμοποιούν την ίδια συχνότητα είναι η ελάχιστη δυνατή. Το μειονέκτημα της συγκεκριμένης καταχώρησης εμφανίζεται όταν σε κάποιες κυψέλες δεν έχουμε ομοιόμορφη κατανομή συνδρομητών, άρα και ανομοιομορφία στο προσφερόμενο συνδρομητικό φορτίο. Το αποτέλεσμα είναι σε κάποιες κυψέλες η πιθανότητα αποκοπής να είναι πολύ μεγάλη στις περιπτώσεις που αυξάνεται το συνδρομητικό φορτίο Δυναμική καταχώρηση συχνοτητών (DCA-Dynamic Channel Assignment) Η τεχνική αυτή αναπτύχθηκε για να επιλύσει προβλήματα σε θέματα που εμφανίζεται ομοιομορφία στο προσφερόμενο συνδρομητικό φορτίο. Με βάση την τεχνική αυτή δεν υπάρχει σταθερή καταχώρηση καναλιών στις κυψέλες. Ο τρόπος καταχώρησης δυναμικός και πραγματοποιείται με βάση συγκεκριμένους αλγορίθμους. Όλες οι διαθέσιμες συχνότητες είναι σε μία βάση δεδομένων και όταν απαιτείται η χρήση κάποιου καναλιού, τότε επιλέγεται με βάση συγκεκριμένα κριτήρια η Τn διαθέσιμη συχνότητα και πραγματοποιείται η καταχώρηση, διασφαλίζοντας πάντα το κριτήριο της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. Τα μειονεκτήματα της συγκεκριμένης διαδικασίας είναι ο βαθμός τυχαιότητας που εμφανλιζεται με αποτέλεσμα να μην μεγιστοποιείται η φιλοσοφία της επαναχρησιμοποίησης των ίδιων συχνοτήτων. Επιπλέον οι 49

50 αλγόριθμοι που χρησιμοποιεί είναι γενικά πολύπλοκοι και απαιτούν μεγάλη ισχύ, γεγονός που οδηγεί σε καθυστέρηση στη διάθεση κάποιας συχνότητας Υβριδική καταχώρηση συχνοτητών (HCA-Hybrid Channel Assignment) Η μέθοδος αυτή είναι ένας συνδιασμός FCA και DCA. Επομένως ανάλογα με τους στόχους του δικτύου στο πλαίσιο της εξυπηρέτησης των συνδρομητών, από το πλήθος των διαθέσιμων καναλιών, ένα μέρος αυτών καταχωρούνται με στατικό τρόπο (FCA) και τα υπόλοιπα κανάλια χρησιμοποιόυνται με δυναμικό τρόπο (DCA). Ο δανεισμος καναλιών είναι μία περίπτωση HCA. Τα κανάλια καταχωρούνται στις κυψέλες με FCA και εάν απαιτηθεί η χρήση κάποιου επιπλέον καναλιού, τότε διερευνείται η περίπτωση δανεισμού ενός καναλιού από γειτονική κυψέλη. Μετά το πέρας της εξυπηρέτησης, το δανεισθέν κανάλι επιστρέφει για χρήση στην κυψέλη από την οποία προήλθε. Τέλος, και εδώ θα πρέπει να διασφαλίζεται το κριτήριο της επαναχρησιμοποίησης των ίδιων συχνοτήτων Αντιμετώπιση παρεμβολής γειτονικού καναλιού Η παρεμβολή γειτονικού καναλιού εξαρτάται από την απόσταση των δύο πομποδεκτών που χρησιμοποιούν γειτονική συχνότητα και την ποιότητα των φίλτρων συχνοτήτων. Τα φίλτρα συχνοτήτων όμως για να έχουν μεγάλη ακρίβεια, ώστε να μην δημιουργούνται παρεμβολές μεταξύ των γειτονικών καναλιών, είναι ακριβά. Επομένως για να καταφέρουμε να απαλλαγούμε από αυτές τις παρεμβολές θα πρέπει να χρησιμοποιούμε συχνότητες στα γειτονικά κανάλια που έχουν μεγάλες διαφορές. Στο GSM 900 έχουμε για κάθε εταιρία 62 συχνότητες και 12 κυψέλες ανά συστάδα. Αν βάλουμε σε κάθε κυψέλη τις συχνότητες με τη σειρά, δηλαδή η κυψέλη 1 να παίρνει τις συχνότητες 1, 2, 3, 4 η κυψέλη 2 τις 5, 6, 7, 8 κτλ, τότε θα έχουμε παρεμβολές γειτονικών καναλιών, αφού η απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων που θα χρησιμοποιήσουμε σε κάθε κύτταρο θα είναι πολύ μικρή. Ωστόσο, μπορούμε να βάλουμε φίλτρα με πολύ μεγάλη ακρίβεια, τα οποία θα έχουν τη δυνατότητα να ξεχωρίσουν αυτές τις συχνότητες. Όμως κάτι τέτοιο είναι πολύ ακριβό και αν αναλογιστούμε και πόσα φίλτρα χρειαζόμαστε για μία εγκατάσταση, κάτι τέτοιο είναι απαγορευμένο. 50

51 Για το λόγο αυτό κατασκευάζουμε ένα πίνακα με συχνότητες όπως παρακάτω: cell 1 cell 2 cell 3 cell 4 cell 5 cell 6 cell 7 cell 8 cell 9 cell 10 cell 11 cell Πίνακας 4.1 : Αντιμετώπιση παρεμβολής γειτονικού καναλιού Αν διαβάσουμε τον πίνακα ανά στήλη τότε βλέπουμε ότι έχουμε απαλλαγεί από τις παρεμβολές γειτονικού καναλιού, αφού στην κάθε κυψέλη βλέπουμε ότι αντιστοιχούν συχνότητες με αρκετά μεγάλη απόσταση Αντιμετώπιση ομοκαναλικής παρεμβολής Η ομοκαναλική παρεμβολή εξαρτάται από το συντελεστή επαναχρησιμοποίησης Ν. Για να βελτιώσουμε το λόγο σήματος προς παρεμβολή πρέπει να αυξηθεί η απόσταση μεταξύ κυψελών που χρησιμοποιούν τα ίδια κανάλια. D R = 3 N (4.2) Άρα με βάση τον τύπο και αναλόγα την τεχνολογία που θα χρησιμοποιήσουμε θα έχουμε ένα συγκεκριμένο αριθμό κυψελών σε κάθε συστάδα, π.χ. για την GSM τεχνολογία που χρησιμοποιούμε στη συγκεκριμένη περίπτωση το Ν είναι Αντιμετώπιση παρεμβολής ενδοδιαμόρφωσης Σκοπός μας είναι να βρούμε σε ποιες συχνότητες εμφανίζονται τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 2ης και 3ης τάξης. Η πιο διαδεδομένη τεχνική για να εντοπίσουμε τις συχνότητες που έχουν πρόβλημα σε κάθε κύτταρο, είναι ο αλγόριθμος του Mifsud. Aν έχω δεδομένο αριθμό συχνοτήτων (F1,F2,..,FK), οι οποίες ισαπέχουν μεταξύ τους, δημιουργούμε μία λίστα συχνοτήτων με βάση τη σχέση οι οποίες ειναι αυτές οι συχνότητες που έχουν πρόβλημα. 51

52 Με βάση τον Πίνακα 4.1 παρατήρουμε ότι 25=13*2 1, 26=14*2 2 κ.ο.κ και το ίδιο συμαβαίνει για όλες τις συχνότητες άνα τρίτη γραμμή του Πίνακα 4.1. Μετά πρέπει να βρούμε τρόπο να τις αναδιατάξουμε έτσι ώστε να απαλλαγούμε από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης, χωρίς να τις διαγράψουμε. Έτσι αλλάζω τα στοιχεία ανά τρεις σειρές αντιδιαμετρικά, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. cell 1 cell 2 cell 3 cell 4 cell 5 cell 6 cell 7 cell 8 cell 9 cell 10 cell 11 cell Πίνακας 4.2 : Αντιμετώπιση παρεμβολής ενδοδιαμόρφωσης Έτσι οι μόνες συχνότητες που που παρουσιαζουν πρόβλημα ενδοδιαμόρφωσης είναι αυτές με κόκκινο χρώμα στον Πίνακα 4.2 καθώς όλες οι άλλες έχουν απαλλαγεί από προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης. Από εκεί και πέρα ο πάροχος θα αποφασίσει αν θα της χρησιμοποιήσει ή θα τις διαγράψει. 4.4 ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΣΤΑ ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Διάσπαση κυττάρων Αν το κυψελοειδές σύστημα περιέχει Ν κυττάρα και C είναι ο συνολικός αριθμός συχνοτήτων, τότε κάθε κελί θα περιέχει S = C αριθμό συχνοτήτων. Για να αυξηθεί περαιτέρω από τη N χωρητικότητα S, τα όρια των κυττάρων πρέπει να αναθεωρηθούν ώστε κάθε κύτταρο να διαιρεθεί σε μικρότερα κύτταρα. Αυτό αυξάνει τον αριθμό των φορών επαναχρησιμοποίησης των καναλιών. Δηλαδή μία μείωση της ακτίνας στο μισό, αυξάνει τον αριθμό των κυττάρων τέσσερις φορές (υποδιαίρεση σε τέσσερα κύτταρα). Για να μην διαταραχθεί η ισορροπία του συστήματος και για να διατηρηθεί η τιμή του λόγου σήματος προς παρεμβολή ( C I ), πρέπει να ελαττωθεί η ισχύς εκπομπής. Η διάσπαση κυττάρων συνήθως γίνεται σε συγκεκριμένες περιστάσεις όπου έχουμε μεγάλη αύξηςη του συνδρομητικού φορτίου. Η διάσπαση πραγματοποιείται με τη χρήση μη σταθερών κεραιών, που πάνε και τοποθετούνται σε συγκεκριμένα σημεία όταν είναι ανάγκη. Αποτέλεσμα της διάσπασης της υπάρχουσας κυψέλης σε μικρότερη είναι η αύξηση της 52

53 χωρητικότητας σε κανάλια, αύξηση του αριθμού μεταπομπών ανά κλήση, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας στην κινητή συσκευή, μεγαλύτερος χρόνος ομιλίας, αυξημένη πολυπλοκότητα στον εντοπισμό του συνδρομητή, χαμηλότερες απώλειες διαδρομής και αύξηση παρεμβολών. Εικόνα 4.5 : Διαίρεση-Υποδιαίρεση κυτταρων Μεταπομπή (Handover) Όταν μία φορητή συσκευή μετακινείται από μία κυψέλη σε άλλη κατά την διάρκεια μιας επικοινωνιακής ζεύξης, το κέντρο μεταγωγής αυτόματα μεταφέρει την κλήση σε νέο δίαυλο που ελέγχεται από το νέο σταθμό βάσης. Η διαδικασία αυτή της μεταπομπής, εκτός από την αναγνώριση του νέου σταθμού βάσης, προϋποθέτει και την εκχώρηση των καναλιών ελέγχου και ομιλίας στο νέο σταθμό βάσης. Η διαδικασία της μεταπομπής πρέπει να υλοποιείται χωρίς να γίνεται αντιληπτή από το χρήστη. Όταν το κινητό πλησιάζει τα όρια της κυψέλης και η στάθμη του σήματος πέσει κάτω από ένα όριο, τότε το σύστημα ετοιμάζεται να του δώσει σήμα από την κεραία του κυττάρου που εισέρχεται. Υπάρχει και η intracell handover, πραγματοποιείται στο εσωτερικό της ίδιας κυψέλης. Όταν εμφανίζεται κάποιο σφάλμα στη γραμμή που συνδέει τον τερματικό σταθμό με τη βάση και η στάθμη του σήματος δεν είναι πλέον αποδεκτή, τότε το σύστημα παραχωρεί ένα νέο κανάλι σηματοδοσίας σε άλλη συχνότητα. 53

54 Εικόνα 4.6 : Μεταπομπή (Handover) Στην περίπτωση που μια κινητή συσκευή κινείται στα σύνορα δύο κυττάρων, τότε επειδή η στάθμη δεν είναι σταθερή, θα παίρνει σήμα πότε από το σταθμό της μίας και πότε από της άλλης. Σε αυτή την περίπτωση θα καταπονείται το σύστημα και αυτή η καταπόνηση ονομάζεται ping-pong. Εικόνα 4.7 :Διαδικασία ping-pong 54

55 4.4.3 Πιθανότητα μπλοκαρίσματος κλήσης (Blocking probability) Κάθε σταθμός βάσης έχει καθορισμένο αριθμό καναλιών που διατίθενται για τη μεταφορά δεδομένων κυκλοφορίας. Όταν μια νέα κλήση φθάνει στο σταθμό βάσης, θα πρέπει πρώτα να ελεγχθεί η διαθεσιμότητα για ένα ελεύθερο κανάλι. Εάν υπάρχει ελεύθερο κανάλι, τότε αυτό το ελεύθερο κανάλι κατανέμεται για την κλήση. Αν δεν υπάρχει διαθέσιμο κανάλι, τότε η κλήση μπλοκάρεται. Το blocking probability είναι η πιθανότητα να πραγματοποιήσει κλήση μία φορητή συσκευή αλλά το σύστημα να μην έχει διαθέσιμο κανάλι σηματοδοσίας. Δηλαδή όταν λέμε ότι έχουμε 2% blocking probability σημαίνει ότι από τις 100 κλήσεις οι 2 θα αποτύχουν. Μέσω αυτής της παραμέτρου, προσδιορίζουμε πόσους συνδρομητές μπορούμε να εξυπηρετήσουμε και άρα πόσα κανάλια πρέπει να χρησιμοποιήσουμε σε μία συγκεκριμένη περιοχή. Το b.p. το υπολογίζουμε με πάρα πολλές μεθόδους αλλά η πιο εύχρηστη είναι μέσω του τύπου Erlang-B. Όπου : Ε = φορτίο κίνησης. P b = Β(Ε, m) = E m m! m Ei i=0 i! (4.3) m = αριθμός των εξυπηρετητών. Από αυτόν τον τύπο προκύπτει ένας πίνακας ο οποίος μας διευκολύνει στη χρήση του. Εικόνα 4.8 : Πίνακας Erlang B 55

56 4.4.4 Quality of Service Το Quality of Service είναι ο μηχανισμός που ελέγχει την απόδοση, την αξιοπιστία και τη χρηστικότητα των υπηρεσιών τηλεπικοινωνίας. Είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο και μας βοηθάει να προσδιορίσουμε την ποιότητα της σηματοδοσίας, αφού όσο μεγαλώνει αυτός ο λόγος τόσο αυξάνεται η ποιότητα του σήματος. Μέσω της εξίσωσης της θεωρίας πληροφορίας του Shannon προσδιορίζουμε το εύρος. Όπου : W = εύρος ζώνης. S N = λόγος σήματος προς θόρυβο. C = χωρητικότητα. C = W log (1 + S N ) (4.4) 56

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ GSM ΣΤΗ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΔΙΑΛΕΙΨΕΩΝ Rayleigh-Rice 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο πραγματοποιέιται προσομοίωση εφαρμογής δικτύου κινητών επικοινωνιών τεχνολογίας GSM 900 στη γεωγραφική περιοχή της Θεσσαλονίκης. Συγκεκριμένα, λαμβάνοντας υπόψιν το συνδρομητικό φορτίο και την έκταση της περιοχής ενδιαφέροντος, σχεδιάζουμε κυψελωτό δίκτυο και προσδιορίζουμε τις λειτουργικές οντοτητές που θα απαρτίζουν το δίκτυο μας. Επιπλέον, καταχωρούμε τις συχνότητες στις κυψέλες, αντιμετωπίζοντας τις διάφορες παρεμβολές που προκύπτουν, με σκόπο να ικανοποιείται πάντα το κριτηρίο της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. Στη συνέχεια υπολογίζουμε την ισχύ εκπομπής των κεραίων για τη σωστή λειτουργία των φορητών συσκευών στη κυψέλη. Τέλος, αποτιμάμε τα αποτελέσματα τις προσομοίωσης σε περιβάλλον Rayleigh και Rice. 5.2 ΠΕΡΙΟΧΗ ΚΑΛΥΨΗΣ Η περιοχή κάλυψης της προσομοίωσης για το σχεδιασμο του δικτύου GSM 900 MHz είναι τμήμα της γεωγραφική περιοχή του Νομού Θεσσαλονίκης. Εικόνα 5.1 : Περιοχη Θεσσαλονίκης Οι δήμοι που περιλαμβάνονται στη συγκεκριμένη περιοχή και το εμβαδόν τους σε τετραγωνικά χιλιόμετρα (Km 2 ) αναγράφονται αναλυτικά στον παρακάτω πίνακα. 57

58 ΔΗΜΟΣ ΕΜΒΑΔΟΝ(Km 2 ) Δήμος Θεσσαλονίκης 19,3 Δήμος Καλαμαριάς 6,4 Δήμος Νεάπολης - 12,9 Συκεών Δήμος Παύλου Μελά 23,8 Δήμος Κορδελιού - 13,4 Ευόσμου Δήμος Αμπελοκήπων - 9,8 Μενεμένης Δήμος Πυλαίας - 155,6 Χορτιάτη Πίνακας 5.1 : Δημοί Θεσσαλονίκης και εμβαδον Το συνολίκο εμβαδόν τελίκα της περιοχής κάλυψης είναι : 241,2 Km ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Οι πληθυσμοί του κάθε δήμου με βάση την απογραφή του 2011 παρουσιάζονται αναλυτικά στον παρακάτω πίνακα. ΔΗΜΟΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΣ Δήμος Θεσσαλονίκης Δήμος Καλαμαριάς Δήμος Νεάπολης Συκεών Δήμος Παύλου Μελά Δήμος Κορδελιού Ευόσμου Δήμος Αμπελοκήπων Μενεμένης Δήμος Πυλαίας Χορτιάτη Πίνακας 5.2 : Δημοί Θεσσαλονίκης και πληθυσμοί Το συνολικό συνδρομητικό φορτίο λοιπόν που θέλουμε να εξυπηρετήσουμε είναι : συνδρομητές. 58

59 5.4 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΚΤΙΝΑΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΧΩΡΗΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Θα χωρίσουμε την περιοχή ενδιαφέροντος σε πυκνοκατοικημένες και αραιωκατοικημένες περιοχές ανάλογα με τον αριθμό των κατοίκων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο. Παρατηρουμε οτι η μόνη περιοχή-δήμος που μπορεί να χαρακτηριστεί ως αραιοκατοικημένη είναι ο Δήμος Πυλαίας- Χορτιάτη. Πυκνοκατοικημένες Περιοχές-Δήμοι Ο υπολογισμός και σχεδιασμός της ακτίνας κυψέλης είναι άρρηκτα συνδεδεμένος με τον αριθμό των συνδρομητών που θέλουμε να μπορεί να εξυπηρετήσει το δίκτυό μας. Με βάση τον Πίνακα 5.2 πρέπει το δίκτυό μας να είναι σε θέση να εξυπηρετήσει σίγουρα συνδρομητές. Πρεπεί όμως να λάβούμε υπόψην μας πως το νούμερο αυτό αντιστοιχεί σε μόνιμους κατοίκους της συγκεκριμένης περιόχης γεγόνος που μας οδηγεί στο συμπέρασμα πως το δίκτυο μας πρέπει να είναι σε θέση να εξυπηρετήσει περισσοτερους απο συνδρομητές, δηλαδη περιπου συνδρομητές. Σχεδιάζουμε λοιπόν κυψέλη με ακτίνα 0,46 Km. Το εμβαδόν της κυψέλης είναι : ,462 = 0, Km 2. Άρα ο αριθμός των κυψελών του δικτύου μας θα είναι : αριθμός κυψελών = Επομένως θα έχουμε 153 κυψέλες. Συνολικό Εμβαδόν = 85,6 = 152,207 Εμβαδόν Κυψέλλης 0, Εικόνα 5.2 : Κυτταρική κάλυψη πυκνοκατοικημένης περιοχής 59

60 Στη συνέχεια πρέπει να υπολογίσουμε τον αριθμό των συχνοτήτων που θα χρησιμοποιήσουμε στην κάθε κυψέλη. Το bandwidth στο GSM 900 δίκτυο είναι 25 MHz το οποίο υποδιαιρείται σε 124 κανάλια συχνότητας και κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 200 KHz. Επομένως οι ραδιοδίαυλοι είναι : ραδιοδίαυλοι = 25MHz 200KHz = 125. Στο GSM δίκτυο ο αριθμός των κυττάρων ανά συστάδα, δηλαδή ο αριθμός των κυψελών που έχει η κάθε ομάδα κυψελών που επαναχρησιμοποιείται είναι Ν=12. Επομένως συχνότητες = = 10,4167 Άρα θα χρησιμοποιήσουμε 10 συχνότητες στην κάθε κυψέλλη. Η κάθε συχνότητα είναι χωρισμένη σε 8 timeslots. Κρατάμε 1 timeslot για τον πάροχο και τελικά έχουμε 10x7=70 χρονοθυρίδες για την κάθε κυψέλη του δικτύου μας. Στη συνέχεια καταχωρούμε τις συχνότητες με οριζόντια σάρωση ώστε να αποφύγουμε τη παρεμβολή γείτονικού καναλίου (βλέπε Πίνακας 4.1). Παρατηρούμε όμως ότι ανά 3 η γραμμή του πίνακα έχουμε παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης με αποτέλεσμα να οδηγούμαστε στην κατοπτρική αλλαγή των συχνοτήτων στις συγκεκριμένες γραμμές (βλέπε Πίνακας 4.2). Οι κεντρικές συχνότητες είναι στο χέρι του παρόχου αν θα τις χρησιμοποιεισει, εφαρμόζοντας καλύτερα φιλτρα, ή αν θα τις διαγράψει τελείως. Το Blocking Probability στο GSM ειναι περίπου 2% και στις 70 χρονοθυρίδες με βάση την Εικόνα 4.8 έχουμε ότι η μέση προσφερόμενη κίνηση ανά κυψέλη είναι 59,13 Erlang. Άρα η μέγιστη προσφερόμενη κίνηση είναι : 59,13 αριθμός κυψελών = 59, = 9046, 89 Erlang. Επίσης η μέση προσφερόμενη κίνηση ανά συνδρομητή είναι 0,01 Erlang. Τελικά, ο συνολικός αριθμός των συνδρομητών που μπορεί να εξυπηρετήσει το δίκτυό μας είναι : 9046,89 = συνδρομητές. 0,01 Οι συνδρομητές που μπορούν να εξυπηρετηθούν από το δίκτυο σε κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή είναι: χρονοθυρίδες αριθμός κυψελών = = συνδρομητές. Αραιοκατοικημένες Περιοχές-Δήμοι Με βάση τον Πίνακα 5.2 παρατηρούμε ότι η μόνη αραιοκατοικημένη περιοχή είναι ο Δήμος Πυλαίας-Χορτιάτη και πρέπει το δίκτυό μας να είναι σε θέση να εξυπηρετήσει σίγουρα συνδρομητές. Πρεπεί όμως να λάβούμε υπόψην μας πως το νούμερο αυτό αντιστοιχεί σε μόνιμους κατοίκους της συγκεκριμένης περιόχης γεγόνος που μας οδηγεί στο συμπέρασμα πως το δίκτυο μας πρέπει να είναι σε θέση να εξυπηρετήσει περισσοτερους απο , δηλαδη περιπου συνδρομητές. Σχεδιάζουμε λοιπόν κυψέλη με ακτίνα 2,57 Km. Το εμβαδόν της κυψέλης είναι : ,572 = 17, 288 Km 2. Άρα ο αριθμός των κυψελών του δικτύου μας θα είναι : 60

61 αριθμός κυψελών = Επομένως θα έχουμε 9 κυψέλες. Συνολικό Εμβαδόν = 155,6 = 9,0004 Εμβαδόν Κυψέλλης 17,288 Το Blocking Probability στο GSM ειναι περίπου 2% και στις 70 χρονοθυρίδες με βάση την Εικόνα 4.8 έχουμε ότι η μέση προσφερόμενη κίνηση ανά κυψέλη είναι 59,13 Erlang. Άρα η μέγιστη προσφερόμενη κίνηση είναι : 59,13 αριθμός κυψελών = 59,13 9 = 532, 1973 Erlang. Επίσης η μέση προσφερόμενη κίνηση ανά συνδρομητή είναι 0,01 Erlang. Τελικά, ο συνολικός αριθμός των συνδρομητών που μπορεί να εξυπηρετήσει το δίκτυό μας είναι : 532,1973 0,01 = συνδρομητές. Οι συνδρομητές που μπορούν να εξυπηρετηθούν από το δίκτυο σε κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή είναι : χρονοθυρίδες αριθμός κυψελών = 70 9 = 630 συνδρομητές. Στη συνέχεια καταχωρούμε τις συχνότητες με οριζόντια σάρωση ώστε να αποφύγουμε τη παρεμβολή γείτονικού καναλίου (βλέπε Πίνακας 4.1). Παρατηρούμε όμως ότι ανά 3 η γραμμή του πίνακα έχουμε παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης με αποτέλεσμα να οδηγούμαστε στην κατοπτρική αλλαγή των συχνοτήτων στις συγκεκριμένες γραμμές (βλέπε Πίνακας 4.2). Οι κεντρικές συχνότητες είναι στο χέρι του παρόχου αν θα τις χρησιμοποιεισει, εφαρμόζοντας καλύτερα φιλτρα, ή αν θα τις διαγράψει τελείως. Εικόνα 5.3 : Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων 61

62 Εικόνα 5.4 : Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων GSM ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΡΑΔΙΟΚΑΛΥΨΗΣ Ο εξοπλισμός που θα χρειαστούμε για την ριαδιοκάλυψη της περιόχης αναλυτικά είναι : Θα χρειαστούμε 162 κεραίες, όσες δηλαδή και ο αριθμός των κυψελών που υπολογίσαμε παραπάνω. Στο GSM δίκτυο ένα ψηφιακό κέντρο μπορέι να ελέγξει μέχρι 124 κυψέλες, επομένως θα αριθμός κυψελών χρειαστουμε = 162 = 1.3, δηλαδή 2 ψηφιακά κέντρα με αποτέλεσμα να μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το επιπλέον ψηφιακό κέντρο σαν «πύλη» με άλλα δίκτυα. Θα χρειαστούμε 162 σταθμούς βάσεις, όσοι και ο αριθμός των κεραιών που θα ελέγχει ο καθένας. Θα χρειαστούμε 10 πομπούς και 10 δέκτες σε κάθε κυψέλη, όσες και οι συχνότητες, δηλαδή 1620 πομπούς και 1620 δέκτες. Θα χρειαστούμε 9 combiners φίλτρα σε κάθε κυψέλη, αφού έχουν 2 εισόδους και 1 έξοδο, συνολικά δηλαδή 1458 combiners. Θα χρειαστούμε 9 duplexers φίλτρα σε κάθε κυψέλη, αφού έχουν 1 είσοδο και 2 εξόδους, συνολικά δηλαδή 1458 duplexers. Θα χρειαστούμε 1 comparative φίλτρo σε κάθε κυψέλη, συνολικά δηλαδή 162 comparatives. Θα χρειαστούμε 1 επιπλεόν κεραία για κάθε ψηφιακό κέντρο και 1 επιπλέον κεραία για κάθε σταθμό βάσης (η οποία θα έχει τη LOS συνιστώσα με το ψηφιακό κέντρο) σε συχνότητα λειτουργίας 5 GHz, ώστε να επικοινωνούν μεταξύ τους. Σε διαφορετική περίπτωση, μπορούμε να μισθώσουμε επίγειες γραμμές για την επικοινωνία τους. Θα χρειαστούμε 162 πομπούς και 162 δέκτες επιπλέον, για τα ψηφιακά κέντρα, άφου έχουμε μία συχνότητα εκεί, και άλλους τόσους για τους σταθμούς βάσεις. Τέλος, θα χρειαστούμε 2 VLR, όσα και τα ψηφιακά κέντρα, 2 EIR και 2 HLR, το επιπλέον HLR και EIR είναι για backup. 62

63 Επιγραμματικά το hardware του δικτύου μας είναι : Συνολικος Αριθμός Κεραιών : 326 Αριθμός Ψηφιακών Κέντρων : 2 Αριθμός Σταθμών Βάσεων : 162 Συνολικός Αριθμός Πομπών : 1944 Συνολικός Αριθμός Δεκτών : 1944 Αριθμός Combiners φίλτρων : 1646 Αριθμός Duplexers φίλτρων : 1646 Συνολικος Αριθμός Comparatives : 162 VLR : 2 HLR : 2 EIR : 2 Εικόνα 5.5 : Τοπολογία δικτύου 63

64 5.6 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ Για να υπολογισούμε την ισχύ εκπομπής μέσω του τύπου του Friis (σχέση 3.4) πρέπει να γνωρίζουμε την ισχύ λήψης της φορητής συσκευής, το κέρδος της κεραίας εκπομπής, το κέρδος της κεραίας λήψης και τις απώλειες. Μέτα από μετρήσεις με τη χρήση περδιομέτρου και με βάση το GSM 900 MHz βρήκαμε ότι : P R = -90 dbm G T = 8 dbi G R = 1.2 dbi Για να χρησιμοποίησουμε το P R = -120 dbw. P R στον τύπο του Friis το μετατρέπουμε σε dbw, δηλαδη Επιπλέον πρέπει να υπολογίσουμε και τις απώλειες ελευθέρου χώρου οι οποίες είναι: FSL 20 log (3.5) d Πυκνοκατοικημένες Περιοχές-Δήμοι Η μέγιστη δυνατή απόσταση μέσα στη κυψέλλη είναι 2*0.46=0.92 Km, αφού τοποθετούμε την κεραία στην άκρη του εξαγώνου. Για F=900 MHz και c=3*10 8 m, έχουμε ότι λ = c = m. s F Άρα : P T = P R G T G R 20 log ( λ 4πd ) = log(2, ) = 38,3103 Επομένως P T = 38, 3103 dbw Έκτος από τις απώλειες ελεύθερου χωρου (FSL) έχουμε και τις απώλειες της γραμμής μεταφοράς που συνδέει τον πομπό με την κεραία αυτού, καθώς επίσης και τις απώλειες της γραμμής μεταφοράς που συνδέει το δέκτη με την κεραία αυτού οι οποίες συμβολίζονται [TLT] και [TLR] αντίστοιχα και πρέπει να αφαιρεθούν απο την ισχύ εκπομπής (σχέση 3.8). Με βάση την Εικόνα 3.3 σε συχνότητα λειτουργίας 900 MHz οι απώλειες του ομοαξονικού καλωδίου είναι 12.1dB ανα 100m. Θα χρησιμοποιήσουμε 18 μέτρα ομοαξονικό καλώδιο. Επομένως οι απώλειες απο τη μεριά του πομπού είναι : [TLT]=18/100*12.1=2.178 db. Στη συγκεκριμένη περίπτωση μας ενδιαφέρει η ελάχιστη ισχύς που πρέπει να εκπέμπει η κεραία ώστε η λαμβανόμενη ισχύς στη φορητή συσκευή που βρίσκεται σε απόσταση d=0.92 Km να είναι λίγο πάνω από το κατώφλι ευαισθησίας της. Επομένως η ισχύς εκπομπης συνυπολογίζοντας της απώλειες γραμμών του πομπού, διότι του δέκτη θεωρούνται αμελητέες είναι : P = W W=> T P = W. T 64

65 Διότι η προσομοίωση γίνεται σε περιοχές συχνοτήτων γύρω απο τα 900 MHz πρέπει να λάβουμε υπόψιν το μοντέλο απωλειών Hata. Σύμφωνα με την παραμετροποίηση του συγκεκριμένου μοντέλου, οι απώλειες δίδονται από τη σχέση : L(dB) = log 10 f log 10 h bs a(h mu ) + ( log 10 h bs ) log 10 d (5.1) Όπου : f= η συχνότητα λειτουργίας. hbs = το ύψος της κεραίας από την επιφάνεια του εδάφους. hmu = το ύψος της κεραίας της φορητής συσκευής από την επιφάνεια του εδάφους. a(hmu) = συντελεστής διόρθωσης που εξαρταται απο το hmu. d = η απόσταση του κεραιοσυστήματος από την κεραία της φορητής συσκευής. Για μικρές ή μεσαίου μεγέθους πόλεις, όπως στη συγκεκριμένη προσομοίωση, ο συντελεστής διόρθωσης είναι : a(h mu ) = (1.1 log 10 f 0.7) h mu 1.56 log 10 f (5.2) Επομένως απο τη σχέση 5.2 έχουμε : a(h mu ) = (1.1 log 10 ( ) 0.7) log 10 ( ) = = Άρα, από τη σχέση 5.1 οι απώλειες σύμφωνα με το μοντέλο Hata είναι : L = log 10 ( ) log ( log 10 30) log = = db Τελικά, P T = = Watt. Αραιοκατοικημένες Περιοχές-Δήμοι Η μέγιστη δυνατή απόσταση μέσα στη κυψέλλη είναι 2*2.57=5.14 Km, αφού τοποθετούμε την κεραία στην άκρη του εξαγώνου. Για F=900 MHz και c=3*10 8 m, έχουμε ότι λ = c = m. s F Άρα : P T = P R G T G R 20 log ( λ 4πd ) = log( ) = 23,3668 Επομένως P T = 23, 3668 dbw Έκτος από τις απώλειες ελεύθερου χωρου (FSL) έχουμε και τις απώλειες της γραμμής μεταφοράς που συνδέει τον πομπό με την κεραία αυτού, καθώς επίσης και τις απώλειες της γραμμής μεταφοράς που συνδέει το δέκτη με την κεραία αυτού οι οποίες συμβολίζονται [TLT] και [TLR] αντίστοιχα και πρέπει να αφαιρεθούν απο την ισχύ εκπομπής (σχέση 3.8). 65

66 Με βάση την Εικόνα 3.3 σε συχνότητα λειτουργίας 900 MHz οι απώλειες του ομοαξονικού καλωδίου είναι 12.1dB ανα 100m. Θα χρησιμοποιήσουμε 18 μέτρα ομοαξονικό καλώδιο. Επομένως οι απώλειες απο τη μεριά του πομπού είναι : [TLT]=18/100*12.1=2.178 db. Στη συγκεκριμένη περίπτωση μας ενδιαφέρει η ελάχιστη ισχύς που πρέπει να εκπέμπει η κεραία ώστε η λαμβανόμενη ισχύς στη φορητή συσκευή που βρίσκεται σε απόσταση d=0.92 Km να είναι λίγο πάνω από το κατώφλι ευαισθησίας της. Επομένως η ισχύς εκπομπης συνυπολογίζοντας της απώλειες γραμμών του πομπού, διότι του δέκτη θεωρούνται αμελητέες είναι : P T = W W=> = W. Από τη σχέση 5.2 έχουμε : a(h mu ) = (1.1 log 10 ( ) 0.7) log 10 ( ) = = Άρα, από τη σχέση 5.1 οι απώλειες σύμφωνα με το μοντέλο Hata είναι : L = log 10 ( ) log ( log 10 30) log = = db Τελικά, P T = = Watt. P T Εικόνα 5.6 : Κεραιοσύστημα 66

67 5.7 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Τα αποτελέσματα τις προσομοίωσης προκύπτουν με μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε απόσταση όση η δίαμετρος της εκάστοτε κυψέλης Περιβάλλον Rayleigh Πυκνοκατοικημένες Περιοχές-Δήμοι Με τη χρήση πεδιομέτρου μετράμε 10 τίμες της λαμβανόμενης ισχύς σε pw γύρο από τη φορητή συσκευή. Οι τιμές που μετρήσαμε είναι: 1, 1.3, 1.45, 0.77, 2.5, 1.87, 0.87, 2.15, 1.17, Άρα η μέση λαμβανόμενη ισχύς είναι : P = P i 10 = 1, 531. Η RMS τιμή τυπικής απόκλισης είναι : σ = 1 10 (x 10 i=1 i P ) 2 = Η διασπορά είναι : σ 2 = 0, Με τη χρήση της Matlab δημιουργήσαμε κώδικα ο οποίος δίνοντας σαν παραμέτρους το πλάτος της λαμβανόμενης ισχύος και την τυπική απόκλιση μας δίνει της γραφικές παραστάσεις της Rayleigh PDF/CDF. Γραφική Παράσταση 5.1 : Rayleigh PDF (πυκνοκατοικημένη περιοχή) 67

68 Όταν σε ένα σημείο του χώρου μετρήσουμε την τιμή της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος, η Γραφική Παράσταση 5.1 μας δηλώνει το πόσο αληθής είναι η συγκεκριμένη τιμή που μετρήσαμε. Παρατηρούμε ότι η τυπική απόκλιση των τιμών που μετρήσαμε έχει πιθανότητα P>1, που ειναι μαθηματικά άτοπο, σημαίνει όμως ότι οι τιμές μας θα είναι σιγουρα αληθής στο διάστημα τιμών που πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις. Στη συνέχεια αν ολοκληρώσουμε τη PDF στο διάστημα τίμων που κάναμε τις μετρήσεις προκύπτει η CDF. Με τη χρήση της Matlab προκύπτει η παρακάτω γραφική παράσταση της CDF. Γραφική Παράσταση 5.2 : Rayleigh CDF (πυκνοκατοικημένη περιοχή) Επομένως, με βάση τη Γραφική Παράσταση 5.2, η πιθανότητα οι τιμές που μετρήσαμε να είναι κάτω απο το κατώφλι ευαισθησίας του δέκτη, που στη περίπτωση μας είναι η μέση τιμή των τιμών που μετρήσαμε P = 1.531, είναι 38,9%. 68

69 Αραιοκατοικημένες Περιοχές-Δήμοι Με τη χρήση πεδιομέτρου μετράμε 10 τίμες της λαμβανόμενης ισχύς σε pw γύρο από τη φορητή συσκευή. Οι τιμές που μετρήσαμε είναι: 1, 1.2, 1.55, 0.67, 2.4, 1.97, 0.77, 2.25, 1.07, Άρα η μέση λαμβανόμενη ισχύς είναι : P = P i 10 = 1, 521. Η RMS τιμή τυπικής απόκλισης είναι : σ = 1 10 (x 10 i=1 i P ) 2 = Η διασπορά είναι : σ 2 = 0, Με τη χρήση της Matlab δημιουργήσαμε κώδικα ο οποίος δίνοντας σαν παραμέτρους το πλάτος της λαμβανόμενης ισχύος και την τυπική απόκλιση μας δίνει της γραφικές παραστάσεις της Rayleigh PDF/CDF. Γραφική Παράσταση 5.3 : Rayleigh PDF (αραιοκατοικημένη περιοχή) Όταν σε ένα σημείο του χώρου μετρήσουμε την τιμή της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος, η Γραφική Παράσταση 5.3 μας δηλώνει το πόσο αληθής είναι η συγκεκριμένη τιμή που μετρήσαμε. Παρατηρούμε ότι η τυπική απόκλιση των τιμών που μετρήσαμε έχει πιθανότητα P=0.9557, που σημαίνει ότι οι τιμές που μετρήθηκαν θα είναι κατα 95,57% αληθής στο διάστημα τιμών που πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις. 69

70 Στη συνέχεια αν ολοκληρώσουμε τη PDF στο διάστημα τίμων που κάναμε τις μετρήσεις προκύπτει η CDF. Με τη χρήση της Matlab προκύπτει η παρακάτω γραφική παράσταση της CDF. Γραφική Παράσταση 5.4 : Rayleigh CDF (αραιοκατοικημένη περιοχή) Επομένως, με βάση τη Γραφική Παράσταση 5.2, η πιθανότητα οι τιμές που μετρήσαμε να είναι κάτω απο το κατώφλι ευαισθησίας του δέκτη, που στη περίπτωση μας είναι η μέση τιμή των τιμών που μετρήσαμε P = 1.521, είναι 38,91%, όπως ακριβώς δηλαδή και στην πυκνοκατοικημένη περιοχή. 70