ι λωµατική Εργασία Καραµ ίνα Άρτεµης του Ευαγγέλου Αριθµός Μητρώου: 5231

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Τοµέας Τηλε ικοινωνιών και Τεχνολογίας της Πληροφορίας Εργαστήριο Ασύρµατης Τηλε ικοινωνίας ι λωµατική Εργασία της Φοιτήτριας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υ ολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανε ιστηµίου Πατρών: Καραµ ίνα Άρτεµης του Ευαγγέλου Αριθµός Μητρώου: 5231 Θέµα ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΘΟΡΥΒΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ ΣΕ ΑΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ ΤΡΙΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ Ε ιβλέ ων Κωτσό ουλος Σταύρος, Καθηγητής Πάτρα, Φεβρουάριος 2012

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστο οιείται ότι η δι λωµατική εργασία µε θέµα: ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΘΟΡΥΒΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ ΣΕ ΑΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ ΤΡΙΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ της φοιτήτριας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υ ολογιστών Καραµ ίνα Άρτεµης του Ευαγγέλου (Α.Μ.: 5231) Παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υ ολογιστών στις.../.../... Ο Ε ιβλέ ων Ο ιευθυντής του Τοµέα Κωτσό ουλος Σταύρος Καθηγητής Φακωτάκης Νικόλαος Καθηγητής 2

3 Αριθµός ι λωµατικής Εργασίας: /2012 Θέµα: «Τεχνικές αντιµετώ ισης Θορύβων και Παρεµβολών σε αστικό εριβάλλον κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς» Φοιτήτρια: Καραµ ίνα Άρτεµη Ε ιβλέ ων: Κωτσό ουλος Σταύρος, Καθηγητής Περίληψη Η αρούσα δι λωµατική εργασία έχει ως αντικείµενο τη µελέτη τεχνικών αντιµετώ ισης Θορύβων και Παρεµβολών σε αστικό εριβάλλον κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας 3 ης γενιάς. Ξεκινώντας γίνεται αναφορά στις κινητές ε ικοινωνίες, την ιστορική τους διαδροµή, α ό τα ρώτα τους βήµατα τη δεκαετία του 1940 έως τη σηµερινή 4 η γενιά και τη ραγδαία τους άνθιση τις τελευταίες δεκαετίες. Περιγράφεται αναλυτικά η κυτταρική ιδέα ανά τυξης των τηλε ικοινωνιακών συστηµάτων, οι βασικές αρχές της και τα τεχνικά χαρακτηριστικά της, καθώς και τα διεθνή ρότυ α α ό τα ο οία ορίζεται. Ακολουθεί η αναλυτική εριγραφή του συστήµατος UMTS, το ο οίο δίνει το στίγµα της κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς, ενώ το τρίτο κεφάλαιο ραγµατεύεται την ασύρµατη µετάδοση σε ανοιχτό χώρο, τα µοντέλα διάδοσης και τους διάφορους αράγοντες ου µ ορεί να ε ηρεάσουν ένα ασύρµατο κανάλι ε ικοινωνίας. Ο Θόρυβος και οι Παρεµβολές ορίζονται και εριγράφονται διεξοδικά στο τέταρτο κεφάλαιο. Τέλος στο έµ το κεφάλαιο αναλύονται οι τεχνικές αντιµετώ ισης των διαφόρων ειδών Θορύβου και Παρεµβολών. 3

4 Abstract The objective of this work is the study of the different reduction techniques for Noise and Interference in 3G cellular mobile telecommunication systems at an urban environment. First a reference is made in mobile communications, their historic journey, from their first steps in the 1940's to today's 4th generation and the rapid evolution in recent decades. An analytical specification of the cellular concept of development of telecommunication systems, the basic principles and the technical characteristics, as well as international standards, by which it is defined, is made. Follows the detailed description of the UMTS, which sets the tone of cellular third generation mobile phone systems, while the third chapter deals with the wireless transmission in an environment, the diffusion model and factors that may affect a wireless communication channel. The noise and interference are defined and described in detail in chapter four. Finally the fifth chapter analyzes the technical understanding of different types of noise and interference. 4

5 Ευχαριστίες Καθοριστικό ρόλο σε όλα τα στάδια εκ όνησης µιας δι λωµατικής εργασίας, έρα α ό την ροσω ική ροσ άθεια του «συγγραφέα» της, έχουν οι άνθρω οι ου µε το δικό τους ιδιαίτερο τρό ο, συµµετέχουν στη διαδικασία αυτή. Σαν τελευταία άφησα τη σύνταξη τούτης της σελίδας ου ωστόσο θεωρώ εξαιρετικά σηµαντική, αφού µου δίνεται η ευκαιρία να ευχαριστήσω µερικούς α ό αυτούς τους ανθρώ ους. Αρχικά θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες µου στον Καθηγητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανε ιστηµίου της Πάτρας κ. Σταύρο Κωτσό ουλο ου µε την υ οστήριξή του, την υ οµονή του, τις συµβουλές του και τις καίριες αρατηρήσεις του µε βοήθησε να διαµορφώσω και να ολοκληρώσω αυτή την εργασία. Σίγουρα δε θα µ ορούσα να µην αναφέρω τον υ οψήφιο διδάκτορα του Τµήµατος Θεόφιλο Χρυσικό ου µε βοήθησε α ό τα ρώτα βήµατα της εργασίας µου, όταν καθορίζαµε τη δοµή της, µέχρι τις τελευταίες µέρες ου είχαµε να αντιµετω ίσουµε και µια ίεση χρόνου. Θεόφιλε ελ ίζω να βρήκες το ανάλογο feedback και να µην σε αίδεψα ολύ! Βαγγέλη, Βεατρίκη, ηµήτρη και Ειρήνη τί οτε δε θα κατάφερνα χωρίς εσάς και τί οτε δε θα ήµουν χωρίς εσάς. Η ενθάρρυνση σας, η έγνοια σας και η στήριξή σας (υλική και ηθική), ήταν ολύτιµες τόσο κατά τη διάρκεια των σ ουδών µου (και ήταν αρκετά...) όσο και σε όλες τις υ όλοι ες φάσεις τις ζωής µου. Συνεχίζουν να είναι, δίνοντας µου δύναµη µ ροστά σε κάθε δυσκολία, κάθε χαρά και κάθε ρόκληση. Ανεκτίµητη είναι τέλος η υ οστήριξη του Θωµά, της Ελένης, της Πό ης, του Γιάννη, της Τασούλας και του Χάρη, κυρίως για τα χρόνια ου εράσαµε στην Πάτρα, της Μαρίας, της Σαµένθας, της Ράνιας, της Σοφίας και της Νάντιας ου έκαναν ιο ανώδυνη την ε ιστροφή µου στα Γιάννενα, αλλά και του Χρήστου, για τον τελευταίο δύσκολο ενάµιση χρόνο. Αρχές Μαρτίου 2012 Α.Κ. 5

6 Περιεχόµενα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΚΙΝΗΤΗ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑ ΠΡΩΤΗ ΓΕΝΙΑ ΕΥΤΕΡΗ ΓΕΝΙΑ ΤΡΙΤΗ ΓΕΝΙΑ ΤΕΤΑΡΤΗ ΓΕΝΙΑ-Beyond 3G ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑ ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΟΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ Ι ΕΑΣ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ UMTS ΑΡΧΙΚΕΣ ΠΡΩΤΟΒΟΥΛΙΕΣ ΠΡΟΤΥΠΑ ΜΙΑ ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΝΑΡΜΟΝΙΣΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ UMTS ΤΟ ΙΚΤΥΟ ΚΟΡΜΟΥ CN ΤΟ ΕΠΙΓΕΙΟ ΙΚΤΥΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ-UTRAN Η ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΠΡΟΣΒΑΣΗ Ο ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΧΡΗΣΤΗ UE ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ ΤΡΙΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣ WCDMA Link Budget UTRA ΚΑΝΑΛΙΑ ΟΜΗ ΠΟΛΥΠΛΕΞΗΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΜΕΤΑΓΩΓΗ HANDOVER

7 ΤΥΠΟΙ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΣΤΟ UMTS ΟΚΙΜΕΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΙΚΤΥΟΥ UMTS ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΑΝΟΙΧΤΟ ΧΩΡΟ RADIO CHANNEL PATH LOSS ANTENNAS ΙΑ ΟΣΗ ΕΛΕΥΘΕΡΟΥ ΧΩΡΟΥ free-space propagation ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΠΙΠΕ ΗΣ ΓΗΙΝΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Η TWO-RAY MODEL (PLANE EARTH) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΙΑ ΟΣΗΣ SHADOWING FADING MODULATION CHANNEL DIGITAL CHANNEL ΟΜΗ ΤΟΥ DIGITAL CHANNEL ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΘΟΡΥΒΟΣ - NOISE ΕΙ Η ΘΟΡΥΒΟΥ Ο ΦΥΣΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ Ο ΤΕΧΝΗΤΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ

8 ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ THERMAL NOISE ΘΟΡΥΒΟΣ ΒΟΛΗΣ SHOT NOISE ΜΕΡΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ INTERFERENCE ΕΙ Η ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΣΥΓΚΑΝΑΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΛΟΓΟΣ ΣΗΜΑΤΟΣ-ΠΡΟΣ-ΣΥΓΚΑΝΑΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ (SCCIR) ΚΑΤΑΝΟΜΗ NAKAGAMI ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΛΟΓΟΣ ΣΗΜΑΤΟΣ-ΠΡΟΣ-ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ (SACIR) ΦΙΛΤΡΑΡΙΣΜΑ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΝ Ο ΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΕΝ Ο ΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗ IMD ΚΕΦΑΛΑΙΟ DEALING WITH NOISE Η ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΠΡΟ-ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΦΩΝΗΤΙΚΗΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ VOICE ACTIVITY DETECTION ALGORITHM (VAD) Η ΜΕΘΟ ΟΣ ΤΗΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΑΦΑΙΡΕΣΗΣ ΜΕΙΩΣΗ ΣΕ ΕΠΙΠΕ Ο ΦΙΛΤΡΟΥ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΣΥΓΚΑΝΑΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ

9 ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΡΙΘΜΟ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΑΝΑ ΣΥΣΤΑ Α ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΤΕΜΑΧΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΣΕ ΜΙΚΡΟΖΩΝΕΣ ΤΕΧΝΙΚΗ BEAMFORMING ΚΑΙ POWER CONTROL ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΜΕΙΩΣΗ ΤΗΣ GUARD BAND Ο INTERFERENCE-AWARE ALGORITHM ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΝ Ο ΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΠΙΝΑΚΕΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΙ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΟΥ PATH LOSS ΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ ΜΙΑ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΗ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΤΑ INDOOR RF ΜΟΝΤΕΛΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΠΟΚΛΙΣΗ ΛΟΓΩ ΣΚΙΑΣΗΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΓΙΑ SNR ΚΑΙ SNIR SNR ΚΑΙ SNIR ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ SNR ΚΑΙ SNIR ΕΝ ΚΑΤΑΚΛΕΙ Ι ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 Η µεγαλύτερη ηγή γνώσης είναι η αµφιβολία 10

11 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η ασύρµατη µετάδοση ου συνε άγεται την ανά τυξη των κινητών τηλε ικοινωνιών δεν α οτελεί α λά βήµα της τεχνολογικής εξέλιξης του 20 ου αιώνα αλλά και στοιχείο ολιτισµού µε άµεση ε ίδραση στην καθηµερινότητα του ανθρώ ου. Με αφετηρία τα walkie-talkie της δεκαετίας του 1940, οι ασύρµατες ε ικοινωνίες διέγραψαν µέσα στις δεκαετίες ραγδαία ανοδική ορεία µε α οκορύφωµα τα δίκτυα 4 ης γενιάς. Η διαδροµή αυτή αρουσιάζεται εδώ µε µεγαλύτερη έµφαση στα συστήµατα κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας 3 ης γενιάς. 1.1 ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΜΕΤΑ ΟΣΗ Η ασύρµατη µετάδοση είναι η µετάδοση σηµάτων, ου γίνεται µε διαµόρφωση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων σε συχνότητες ολύ υψηλότερες α ό το ορατό φάσµα. Η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία ταξιδεύει µε τη βοήθεια των ταλαντώσεων των ηλεκτρονίων µέσω του αέρα και του κενού του διαστήµατος. Η ληροφορία µεταφέρεται µε διαµόρφωση του εύρους, της συχνότητας, ή της φάσης του σήµατος. Στην ασύρµατη µετάδοση βασίζονται οι ασύρµατες ε ικοινωνίες. Η ασύρµατη ε ικοινωνία είναι η µεταφορά των ληροφοριών έρα α ό µια α όσταση χωρίς τη χρήση των ηλεκτρικών αγωγών ή «των καλωδίων». Οι α οστάσεις µ ορεί να είναι µικρές (µερικά µέτρα ό ως στο τηλεχειριστήριο της τηλεόρασης) ή άρα ολύ µεγάλες (χιλιάδες ή ακόµα και εκατοµµύρια χιλιόµετρα για τις ραδιοε ικοινωνίες). Οι ασύρµατες ε ικοινωνίες θεωρούνται γενικά ένας κλάδος των τηλε ικοινωνιών. Η ασύρµατη µετάδοση ε ιτρέ ει την ανά τυξη υ ηρεσιών, οι ο οίες είναι αδύνατες ή µη ρακτικές µε τη χρήση των καλωδίων. 11

12 Εικόνα 1.1 Η ασύρµατη µετάδοση στην καθηµερινότητα 1.2 ΚΙΝΗΤΗ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑ Η ιστορία των κινητών τηλεφώνων µ ορεί να ει κανείς ότι ξεκινά α ό τις δι λής κατεύθυνσης ασύρµατες συσκευές στα οχήµατα. Στην αρχή, οι συσκευές αυτές (γνωστά ως mobile rigs) χρησιµο οιήθηκαν σε οχήµατα ό ως τα ταξί, τα ταχύ λοα σκάφη της αστυνοµίας, τα ασθενοφόρα. Ωστόσο δεν ήταν κινητά τηλέφωνα ε ειδή δεν ήταν συνδεδεµένα µε το τηλεφωνικό δίκτυο. Οι χρήστες δεν µ ορούσαν να σχηµατίσουν αριθµούς τηλεφώνου α ό αυτά όµως η µεγάλη κοινότητα των κινητών ράδιο χρηστών, γνωστή ως mobileers, διέδωσε την τεχνολογία ου θα έδινε τό ο τελικά στο κινητό τηλέφωνο. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '40, η Motorola ανέ τυξε την ρώτη δι λής κατεύθυνσης ασύρµατη συσκευή, Walkie-Talkie, ου ήταν συνδεδεµένη µε το τηλεφωνικό δίκτυο και χρησιµο οιήθηκε αρχικά στα οχήµατα της σουηδικής αστυνοµίας το Περί ου 6 τηλεφωνικές κλήσεις µ ορούσαν να γίνουν α ό αυτό ριν εξαντληθεί η µ αταρία ου εριείχε. Το εκέµβριο του 1947, οι D.H. Ring και W. Rae Young, µηχανικοί των Bell Labs, ρότειναν τα εξαγωγικά κύτταρα για την κινητή τηλεφωνία. Ο Philip T. Porter, ε ίσης των Bell Labs, ρότεινε οι ύργοι των κυττάρων να εγκαθίστανται στις γωνίες των εξαγώνων αρά στα κέντρα ενώ οι κατευθυντικές κεραίες θα µεταδίδουν και θα λαµβάνουν σε 3 κατευθύνσεις στα 3 αρακείµενα εξαγωγικά κύτταρα. Παρόλα αυτά η κυψελοειδής τεχνολογία δεν γνώρισε ερεταίρω ανά τυξη µέχρι τη δεκαετία του '60, ο ότε άρχισαν να ανα τύσσονται α ό τους Richard Χ. Frenkiel και Joel S. Engel των εργαστηρίων Bell Labs τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά. Στην Ευρώ η, η ραδιοτηλεφωνία χρησιµο οιήθηκε αρχικά στις first-class ε ιβατικές αµαξοστοιχίες µεταξύ Βερολίνου και Αµβούργο το Συγχρόνως, η ραδιοτηλεφωνία εισήχθη στα αερο λάνα για την ασφάλεια της 12

13 εναέριας κυκλοφορίας και αργότερα σε µεγαλύτερη κλίµακα στα γερµανικά άρµατα µάχης κατά τη διάρκεια του δεύτερου αγκόσµιου ολέµου. Μετά τον όλεµο η γερµανική αστυνοµία χρησιµο οίησε αυτόν τον εξο λισµό στα ερι ολικά. Σε όλες αυτές τις ερι τώσεις η υ ηρεσία εριορίστηκε στους ειδικούς ου εκ αιδεύτηκαν για να χρησιµο οιήσουν τον εξο λισµό. Τα αναγνωρίσιµα κινητά τηλέφωνα υ άρχουν τουλάχιστον α ό τη δεκαετία του '50. Το ρώτο όµως λήρως αυτόµατο κινητό τηλεφωνικό σύστηµα, το α οκαλούµενο MTA,ανα τύχθηκε α ό την Ericcson και α ελευθερώθηκε εµ ορικά στη Σουηδία το Αυτό ήταν το ρώτο σύστηµα ου δεν α αιτούσε ο οιοδή οτε είδος χειροκίνητου ελέγχου, αλλά είχε ως µειονέκτηµα το 40 κιλών βάρος του. Το MTB, µια αναβαθµισµένη έκδοση µε κρυσταλλολυχνίες ου ζύγιζαν 9 κιλά, εισήχθη το 1965 και χρησιµο οίησε τη σηµατοδότηση DTMF. Είχε 150 ελάτες στην αρχή ου έφτασαν τους 600 όταν διακό ηκε το Το 1967, κάθε κινητό τηλέφωνο έ ρε ε να µένει µέσα στην εριοχή του κυττάρου, ου εξυ ηρετούνταν α ό έναν σταθµό βάσης, κατά τη διάρκεια της τηλεφωνικής κλήσης. Αυτό το σύστηµα δεν αρείχε συνέχιση της αυτόµατης τηλεφωνικής υ ηρεσίας στα κινητά τηλέφωνα ου κινούνταν στις διάφορες κυτταρικές εριοχές. Το 1970 ο Amos Ε. Joel, ένας άλλος µηχανικός των Bell Labs, εφηύρε ένα αυτόµατο σύστηµα «κλήσης handoff» ου ε έτρε ε στα κινητά τηλέφωνα να κινούνται µέσα στα κύτταρα κατά τη διάρκεια µιας κλήσης χωρίς α ώλεια συνοµιλίας. Το εκέµβρη του 1971, η AT&T υ έβαλε µια ρόταση για την κυψελοειδή υ ηρεσία στη Ε ιτρο ή Οµοσ ονδιακής Ε ικοινωνίας (FCC). Μετά α ό χρόνια ακροάσεων, η FCC ενέκρινε την ρόταση για την Προηγµένη Κινητή Τηλεφωνική Υ ηρεσία (AMPS Advanced Mobile Phone System) το 1982 και διέθεσε τις συχνότητες της ζώνης MHZ. Το αναλογικό AMPS εκτο ίστηκε α ό το ψηφιακό AMPS το Ένα α ό τα ρώτα ε ιτυχή εµ ορικά κινητά τηλεφωνικά δίκτυα ήταν το ARP δίκτυο στη Φινλανδία, ου ροωθήθηκε το Σήµερα το ARP αντιµετω ίζεται ως κυψελοειδές δίκτυο µηδενικής γενιάς (0G), ου είναι ελαφρώς άνω α ό τα ροηγούµενα ιδιόκτητα και εριορισµένης κάλυψης δίκτυα. Στις 3 Α ριλίου 1973, το στέλεχος της Motorola ρ Martin Cooper ραγµατο οίησε µια κλήση στον «αντί αλο» Joel Engel, ε ικεφαλής της έρευνας AT&T στα Bell Labs, ερ ατώντας στους δρόµους της Νέας Υόρκης χρησιµο οιώντας το ρώτο ρωτότυ ο Motorola DynaTAC µ ροστά α ό στους δηµοσιογράφους. Η Motorola έχει µια µεγάλη ιστορία στην κατασκευή των automotive radio, και ιδιαίτερα στις δι λής κατεύθυνσης ασύρµατες συσκευές των ταξί και των ταχύ λοων σκαφών της αστυνοµίας. Το 1978, τα εργαστήρια Bell ροώθησαν µια δοκιµαστική έκδοση του ρώτου εµ ορικού κυψελοειδούς δικτύου στο Σικάγο χρησιµο οιώντας AMPS. 13

14 Εικόνα 1.2 Motorola DynaTAC 8000X ΠΡΩΤΗ ΓΕΝΙΑ Η ρώτη εµ ορική έναρξη των κυψελοειδών τηλε ικοινωνιών ροωθήθηκε στο Τόκιο το Το 1981 το σύστηµα NMT ροωθήθηκε στη ανία, τη Φινλανδία, τη Νορβηγία και τη Σουηδία. Το ρώτο φορητό κινητό τηλέφωνο στην αµερικανική αγορά ήταν το Motorola_Dyna 8000X, το ο οίο έλαβε την έγκριση το Τα κινητά τηλέφωνα άρχισαν να ολλα λασιάζονται µέσα στη δεκαετία του '80 µε την εισαγωγή των «κυψελοειδών» τηλεφώνων βασισµένων στα κυψελοειδή δίκτυα µε τους ολλα λούς σταθµούς βάσης, και των ρωτοκόλλων για το αυτοµατο οιηµένο «handover» µεταξύ δύο κυττάρων. Εκείνη την ε οχή όλα τα συστήµατα λειτουργούσαν µε αναλογική µετάδοση. Τα κινητά τηλέφωνα ήταν µεγαλύτερα σε µέγεθος α ό τα σηµερινά, και αρχικά σχεδιάστηκαν για τη µόνιµη εγκατάσταση στα αυτοκίνητα (έτσι ροέκυψε και ο όρος car phone). Σύντοµα, µερικές α ό αυτές τις ογκώδεις µονάδες µετατρά ηκαν για να χρησιµο οιηθούν ως «µεταφερόµενα» τηλέφωνα στο µέγεθος ενός χαρτοφύλακα. Η Motorola εισήγαγε το ρώτο φορητό τηλέφωνο. Αυτά τα συστήµατα (NIT, AMPS, SACS, RT MI, C-Net, and Radio com 2000) αργότερα έγιναν γνωστά ως κινητά τηλέφωνα ρώτης γενιάς (1G) ΕΥΤΕΡΗ ΓΕΝΙΑ Στη δεκαετία του '90, τα «δεύτερης γενιάς κινητά τηλεφωνικά συστήµατα» (2G) ό ως το GSM, IS-136 (TDMA), iden και IS-95 (CDMA) άρχισαν να εισάγονται. Η ρώτη ρο-εµ ορική ψηφιακή κλήση κινητών τηλεφώνων έγινε στις Ηνωµένες Πολιτείες το 1990 και το 1991 το ρώτο δίκτυο GSM (Radiolinja) τέθηκε σε λειτουργία στη Φινλανδία. Τα 2G τηλεφωνικά συστήµατα χαρακτηρίστηκαν α ό την ψηφιακή µετάδοση µεταγωγής κυκλώµατος και την εισαγωγή της ροηγµένης και γρήγορης σηµατοδότησης δικτύου. Γενικά οι συχνότητες ου χρησιµο οιήθηκαν στην Ευρώ η α ό τα 2G συστήµατα ήταν υψηλότερες, αν και µε κά οια ε ικάλυψη. Παραδείγµατος χάριν το φάσµα 14

15 συχνότητας 900 MHZ χρησιµο οιήθηκε και για τα 1G και για τα 2G συστήµατα και έτσι τα 1G συστήµατα γρήγορα έδωσαν τη θέση τους στα 2G συστήµατα. Στην Αµερική το ρότυ ο IS-54 ε εκτάθηκε στην ίδια ζώνη µε το AMPS και εκτό ισαν µερικά α ό τα υ άρχοντα αναλογικά κανάλια. Η εισαγωγή των 2G συστηµάτων ροώθησε και τις κατά ολύ µικρότερες φορητές συσκευές των g, οι ο οίες έγιναν σύντοµα ο κανόνας. Αυτή η αλλαγή ήταν δυνατή µέσω των τεχνολογικών βελτιώσεων στις µ αταρίες και στα ηλεκτρονικά, αλλά αφορούσε, κατά ένα µεγάλο µέρος, στην υψηλότερη υκνότητα των κυψελοειδών εριοχών. Η δεύτερη γενιά έφερε ε ανάσταση στην ε ικοινωνία, καθώς ήταν δυνατή η α οστολή µηνυµάτων κειµένου SMS, αρχικά στα δίκτυα GSM και τελικά σε όλα τα ψηφιακά δίκτυα. Το ρώτο machine-generated µήνυµα SMS εστάλη στο Ηνωµένο Βασίλειο το Το ρώτο person-to-person µήνυµα κειµένου SMS εστάλη στη Φινλανδία το Σύντοµα το SMS έγινε η ροτιµώµενη µέθοδος ε ικοινωνίας για τη νεολαία. Σήµερα σε ολλές ροηγµένες αγορές το ευρύ κοινό ροτιµά την α οστολή των µηνυµάτων κειµένων αντί των φωνητικών κλήσεων. Η δεύτερη γενιά, ξεκινώντας α ό τη Φινλανδία, εισήγαγε ε ι λέον τη δυνατότητα ε ιλογής του ήχου κλήσης καθώς και την α οστολή µέσω SMS τίτλων ειδήσεων και διαφηµιστικών µηνυµάτων το ΤΡΙΤΗ ΓΕΝΙΑ Λίγο µετά α ό την εισαγωγή των 2G δικτύων, άρχισαν να ανα τύσσονται τα συστήµατα τρίτης γενιάς (3G). Ανα όφευκτα υ ήρξαν ολλά διαφορετικά ρότυ α α ό τους διαφορετικούς υ οψηφίους ου ροωθούσαν τις τεχνολογίες τους. Η τρίτη γενιά βασίστηκε στην οικογένεια ροτύ ων IMT της ITU. Τα 3G δίκτυα ε ιτρέ ουν στους φορείς εκµετάλλευσης δικτύου να ροσφέρουν στους χρήστες ένα ευρύτερο φάσµα ροηγµένων υ ηρεσιών και ε ιτυγχάνουν µεγαλύτερη χωρητικότητα δικτύου µέσω της α οδοτικότερης χρήσης του φάσµατος συχνοτήτων. Οι υ ηρεσίες εριλαµβάνουν την ασύρµατη τηλεφωνία εκτενών ζωνών, τις video κλήσεις, και την ευρυζωνική ασύρµατη α οστολή δεδοµένων. Τα ρόσθετα χαρακτηριστικά γνωρίσµατα εριλαµβάνουν ε ίσης την ικανότητα µετάδοσης δεδοµένων HSPA µε ταχύτητες µέχρι 14.4Mbit/s στην κάτω ζεύξη και 5.8Mbit/s για την άνω ζεύξη. Αντίθετα α ό τα IEEE (WI-FI ή WLAN) δίκτυα, τα 3G δίκτυα είναι κυψελοειδή τηλεφωνικά δίκτυα ευρείας εριοχής τα ο οία εξελίχθηκαν για να ενσωµατώσουν την ρόσβαση στο ιαδίκτυο µε µεγάλες ταχύτητες και την video τηλεφωνία. Τα IEEE δίκτυα είναι εριορισµένου φάσµατος, µε υψηλό εύρος ζώνης ου ανα τύχθηκαν κυρίως για δεδοµένα. Το ρώτο δοκιµαστικό 3G δίκτυο λειτούργησε α ό την NTT DoCoMo στην Ια ωνία στην εριοχή του Τόκιο το Μάιο του Η NTT DoCoMo ροώθησε το ρώτο εµ ορικό 3G δίκτυο την 1η Οκτωβρίου 2001, χρησιµο οιώντας την τεχνολογία WCDMA. Το 2002 τα ρώτα 3G δίκτυα στο αντί αλο CDMA

16 ροωθήθηκαν α ό τις εταιρείες τηλε ικοινωνιών SK και KTF στη Νότια Κορέα, καθώς και α ό την Monet στις ΗΠΑ. Η Monet χρεοκό ησε α ό τότε. Μέχρι το τέλος του 2002, το δεύτερο δίκτυο WCDMA ροωθήθηκε στην Ια ωνία α ό την Vodafone KK (τώρα Softbank). Το Μάρτιο της ιδίας χρονιάς ξεκίνησαν στην Ευρώ η τα ρώτα 3G δίκτυα σε Ιταλία και UK. Εικόνα 1.3 Οι υ ηρεσίες της κάθε γενιάς Κατά τη διάρκεια της ανά τυξης των 3G συστηµάτων, τα 2.5G συστήµατα ό ως το CDMA2000 1x και το GPRS ανα τύχθηκαν ως ε εκτάσεις στα υ άρχοντα 2G δίκτυα. Αυτά αρείχαν µερικά α ό τα χαρακτηριστικά γνωρίσµατα της 3G χωρίς όµως να ραγµατο οιούν υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων ή υ ηρεσίες ολυµέσων. Παρόλο ου στις αρχές της δεκαετίας υ ήρξαν αµφιβολίες για το αν η τρίτη γενιά θα γινόταν εµ ορική ε ιτυχία, µέχρι το τέλος του 2007 υ ήρξαν 295 εκατοµµύρια συνδροµητές στα 3G δίκτυα αγκοσµίως, τα ο οία α εικόνισαν το 9% της συνολικής αγκόσµιας βάσης συνδροµητών. Περί ου τα δύο τρίτα των δικτύων αυτών βασίζονται στο ρότυ ο WCDMA και το ένα τρίτο στο ΕV- DO ρότυ ο. Οι 3G υ ηρεσίες τηλε ικοινωνιών αρήγαγαν έσοδα άνω α ό 120 δισεκατοµµύρια δολάρια κατά τη διάρκεια του 2007 και σε ολλές αγορές η λειοψηφία των νέων τηλεφώνων ου ενεργο οιήθηκαν ήταν 3G τηλέφωνα. Στην Ια ωνία και τη Νότια Κορέα η αγορά δεν αρέχει λέον τα τηλέφωνα της δεύτερης γενιάς. 16

17 1.2.4 ΤΕΤΑΡΤΗ ΓΕΝΙΑ-Beyond 3G Η τεχνολογία εξελίσσεται διαρκώς και αρά το γεγονός ότι η τρίτη γενιά δεν είναι ακόµη σε λήρη λειτουργία, η εξερεύνηση της 4G κινητής ε ικοινωνίας έχει ήδη ξεκινήσει. Η τρίτη γενιά είναι ασφαλώς το βασικότερο βήµα για την ε ίτευξη των ροσω ικών τηλε ικοινωνιών, ωστόσο δεν κατάφερε να τις κάνει ραγµατικότητα. Η τέταρτη γενιά θα ροσεγγίσει ερισσότερο τις ροσω ικές ε ικοινωνίες αρέχοντας ε ικοινωνία ο οιασδή οτε µορφής, σε κάθε χώρο και χρόνο («Anytime-Anywhere») και θα αφορά κυρίως media αρά φωνή. Στις εφαρµογές τα τερµατικά τέταρτης γενιάς δε θα αρέχουν µόνο οµιλία ή εικόνα αλλά ε ι λέον θα ροειδο οιούν και θα ενηµερώνουν το χρήστη. Εικόνα 1.4 Συσκευές α ό το µέλλον (1) Οι διεθνείς οργανισµοί τυ ο οίησης εργάζονται ήδη για την εµ ορική ε έκταση των 4G δικτύων κατά ροσέγγιση στο χρονικό διάστηµα Σε εκείνο το σηµείο ροβλέ εται ότι ακόµη και µε τις τρέχουσες εξελίξεις των δικτύων τρίτης γενιάς 3G, αυτά θα τείνουν να είναι κορεσµένα. εν υ άρχει κανένας ε ίσηµος ορισµός για ως θα είναι η 4G εντούτοις, υ άρχουν ορισµένοι στόχοι. Τα συστήµατα 4G θα είναι λήρως IP συστήµατα. Η 4G θα είναι σε θέση να αρέχει ταχύτητες µεταξύ 100 MBIT/s και 1 Gbit/s τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους, µε εξαιρετική οιότητα και υψηλή ασφάλεια. Η 4G ανα τύσσεται για να ροσαρµόσει τις α αιτήσεις σε οιότητα εξυ ηρέτησης (QoS) ου τίθενται α ό τις εφαρµογές ό ως την ασύρµατη ευρυζωνική ρόσβαση, την υ ηρεσία µηνυµάτων ολυµέσων (MMS), την τηλεο τική συνοµιλία, την κινητή TV, το ψηφιακό βίντεο HDTV. Η 4G οµάδα εργασίας έχει καθορίσει τα εξής ως στόχους των 4G ασύρµατων ροτύ ων ε ικοινωνίας: 17

18 ένα α οδοτικότερο σύστηµα σε σχέση µε το φάσµα. υψηλή χωρητικότητα δικτύων: ερισσότεροι ταυτόχρονοι χρήστες ανά κύτταρο Ονοµαστικό ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων 100 MBIT/s ενώ ο ελάτης κινείται, και 1 Gbit/s ενώ ο ελάτης βρίσκεται σε σχετικά σταθερή θέση ό ως καθορίζεται α ό το ITU-R. data rate τουλάχιστον 100 MBIT/s µεταξύ 2 ο οιονδή οτε σηµείων στον κόσµο, οµαλό handoff στα ετερογενή δίκτυα, αγκόσµιο roaming µεταξύ των δικτύων, συµβατή λειτουργία µε τα υ άρχοντα ασύρµατα ρότυ α και ένα ΙΡ packet-switched δίκτυο. Εικόνα 1.5 Συσκευές α ό το µέλλον (2) Οι τεχνολογίες OFDM και ΜΙΜΟ θα κυριαρχήσουν στα δίκτυα τέταρτης γενιάς. Η ε αναστατική εφαρµογή 4G (killer application) δεν είναι ακόµη σαφής, αν και ο κατά ολύ βελτιωµένος ρυθµός α όδοσης του εύρους ζώνης και του throughput δεδοµένων ου ροσφέρεται α ό τα 4G δίκτυα θα α ελευθερώσει αρκετά νέα ροϊόντα και υ ηρεσίες. Ίσως η killer application να είναι η συνεχής ρόσβαση στο ιαδίκτυο. 18

19 1.3 ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑ Η κυτταρική τηλεφωνία είναι ίσως η σηµαντικότερη εξέλιξη στην ιστορία των κινητών ε ικοινωνιών. Α ό την λευρά του χρήστη, τα κυψελοειδή τηλεφωνικά συστήµατα διαφορο οιούνται α ό τους ροκατόχους τους (συνήθως γνωστά ως IMTS ή βελτιωµένη υ ηρεσία κινητών τηλεφώνων) α ό τη δυνατότητα να αρασχεθεί η υ ηρεσία κινητής τηλεφωνίας σε έναν µεγάλο αριθµό κινητών χρηστών (ιδιαίτερα στις αστικές εριοχές), καθώς ε ίσης και να ε ιτρα εί στους χρήστες αυτούς να κινηθούν ελεύθερα και γρήγορα, σχεδόν χωρίς γεωγραφικό όριο, χωρίς σηµαντική υ οβάθµιση των υ ηρεσιών. Η οιότητα των κυψελοειδών τηλεφωνικών συνδέσεων τείνει λέον να γίνει ίδια µε την οιότητα των τηλεφωνικών συνδιαλέξεων της συµβατικής ενσύρµατης ε ικοινωνίας. Τα κυψελοειδή συστήµατα διευκολύνουν ε ίσης τη διαδεδοµένη χρήση των κινητών τηλεφώνων, σε αντιδιαστολή µε τις µεγαλύτερες vehiclemounted µονάδες ου ήταν ο ιο κοινός τύ ος κινητής συσκευής στην ροκυψελοειδή ε οχή. Τα κυψελοειδή συστήµατα είναι σε θέση να φιλοξενήσουν έναν µεγάλο αριθµό χρηστών µέσα σε µια δεδοµένη γεωγραφική εριοχή χρησιµο οιώντας ακόµη και ένα εριορισµένο εύρος ζώνης του φάσµατος συχνοτήτων. Αυτή η υψηλή ικανότητα ε ιτυγχάνεται µε τη χρησιµο οίηση ενός µεγάλου αριθµού χαµηλής ισχύος οµ οδεκτών (σταθµών βάσης) καθένας α ό τους ο οίους ροσφέρει την υ ηρεσία σε µια µικρή γεωγραφική εριοχή γνωστή ως «κύτταρο». Ε ειδή οι σταθµοί βάσης είναι χαµηλής ισχύος, και ε ειδή η FM διαµόρφωση αρέχει ένα «capture effect» για να µειώσει τις αρεµβολές, οι συχνότητές τους µ ορούν να ε αναχρησιµο οιηθούν σε κοντινά (όχι όµως αρακείµενα) κύτταρα, ολλα λασιάζοντας ρακτικά τον αριθµό των διαθεσίµων καναλιών σε µια ευρύτερη εριοχή. Ε ι λέον, δεδοµένου ότι οι α αιτήσεις σε χωρητικότητα αυξάνονται συνεχώς, τα κύτταρα µ ορούν να υ οδιαιρεθούν ή να χωριστούν σε µικρότερες µονάδες. Στις µικρότερες αυτές µονάδες οι σταθµοί βάσης τροφοδοτούνται µε ακόµη χαµηλότερη ισχύ και έτσι αυξάνεται ο αριθµός των συχνοτήτων ου µ ορούν να ε αναχρησιµο οιηθούν µέσα σε µια δεδοµένη γεωγραφική εριοχή. Καθώς οι χρήστες µετακινούνται, ροκειµένου να µη γίνει διακο ή της κλήσης τίθεται σε λειτουργία ένα σύνθετο και ερί λοκο σύστηµα µεταγωγής ου είναι γνωστό ως «handoff» ή «handover». Οι µεταγωγές ολοκληρώνονται κατά τρό ο σχεδόν στιγµιαίο έτσι ώστε να µην γίνεται αντιλη τό α ό τους χρήστες ότι τα κινητά τηλέφωνα τους άλλαξαν συχνότητες και έχουν µετα ηδήσει σε έναν άλλο σταθµό βάσης. Ένα αυτοµατο οιηµένο σύστηµα ελέγχου ελέγχει και κατευθύνει ολόκληρο το δίκτυο, ου ροσδιορίζει τις κινητές µονάδες µέσα στην εριοχή υ ηρεσιών και ου εγκαθιστά τις συνδέσεις µέσα α ό τις ο οίες µ ορούν να ραγµατο οιηθούν οι συνοµιλίες. Σε αυτό το σηµείο, ρέ ει να γίνει σαφές ότι τα κυτταρικά συστήµατα εριλαµβάνουν γενικά δύο τύ ους ράδιο- οµ οδεκτών, τους σταθµούς βάσης και τις κινητές µονάδες. Οι κινητές µονάδες υ οδιαιρούνται εραιτέρω στις µεγαλύτερες µονάδες ου το οθετούνται στα οχήµατα, και τις φορητές µονάδες 19

20 ου µ ορούν να µεταφερθούν ο ουδή οτε (συµ εριλαµβανοµένων των οχηµάτων) α ό τους χρήστες τους. Οι ροκάτοχοι των κυτταρικών συστηµάτων καθώς ε ίσης και µερικά αρχικά κυψελοειδή συστήµατα αρείχαν σχεδόν α οκλειστικά την υ ηρεσία στις vehicle-mounted µονάδες. Εντούτοις, η χρήση των κινητών τηλεφώνων αυξήθηκε ολύ γρήγορα. Οι φορητές µονάδες έχουν διαφορετικές τεχνολογικές α αιτήσεις α ό τις µονάδες ου είναι το οθετηµένες σε οχήµατα, οι ο οίες είναι σχετικά µεγάλες και βαριές και δεν έχουν τα καθορισµένα όρια στην κατανάλωση ισχύος. Α ό µια τεχνολογική ροο τική, οι τεχνολογίες ου υ οστηρίζουν τα κυτταρικά συστήµατα είναι : Η ίδια η κυτταρική ιδέα, µε µια αρχιτεκτονική συστήµατος ου εριλαµβάνει: Ε αναχρησιµο οίηση των συχνοτήτων µέσα σε µια σχετικά µικρή γεωγραφική εριοχή ό ου υ άρχουν χαµηλής ισχύος οµ οδέκτες. Αυτοµατο οιηµένος κεντρικός έλεγχος του συστήµατος ου εριλαµβάνει και τη µεταγωγή καθώς η κινητή µονάδα κινείται α ό κύτταρο σε κύτταρο (η βασική διαφορά µεταξύ των κυψελοειδών και άλλων συστηµάτων) Κυτταρική γεωµετρία ου α οτελείται α ό τις εξαγωνικές ζώνες κάλυψης (ή αλλιώς κύτταρα). Η διάσ αση των κυττάρων ώστε να αυξηθεί η χωρητικότητα του συστήµατος σε ώρες αιχµής. Υ άρχουν ε ι λέον τεχνολογίες ου ανα τύχθηκαν για άλλους σκο ούς ωστόσο χρησιµο οιήθηκαν σε µεγάλο βαθµό α ό τα κυτταρικά τηλεφωνικά συστήµατα. Περιλαµβάνουν: Ηλεκτρονικά στερεάς κατάστασης (µικροε εξεργαστές, ολοκληρωµένα κυκλώµατα κ.α.) ου αρέχουν την υψηλή ε εξεργασία ου α αιτείται για το handoff. Τα ηλεκτρονικά αυτά βοηθούν στη µείωση του κόστους και της ισχύος αλλά συµβάλλουν και στην αύξηση της αξιο ιστίας (κυρίως στις φορητές µονάδες). Digital telephone switching για σύνδεση µε το τηλεφωνικό δίκτυο. Βελτιωµένες µ αταρίες υψηλής χωρητικότητας (για τις φορητές µονάδες). Ο χαρακτηρισµός (ιδιαίτερα για αστική διάδοση) συχνότητα διάδοσης. 20

21 1.3.1 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Η ιστορία της κυτταρικής τηλεφωνίας αρχίζει µε την ιστορία των κινητών τηλεφωνικών συστηµάτων στη δεκαετία του '20. Τα ρώτα ε ίγεια κινητά τηλεφωνικά συστήµατα χρησιµο οιήθηκαν α ό τις υ ηρεσίες της αστυνοµίας. Ο τύ ος διαµόρφωσης του µεταδιδόµενου σήµατος ήταν ιαµόρφωση Εύρους (ΑΜ-Amplitude Modulation). Ένα α ό τα ρώτα συστήµατα δοκιµάστηκε στο Ντιτρόιτ των ΗΠΑ το 1921 και στόχο είχε να µεταδίδει οδηγίες και ληροφορίες στα οχήµατα της αστυνοµίας. Εάν οι αστυνοµικοί ήθελαν να ε ικοινωνήσουν µε το κέντρο έ ρε ε να σταµατήσουν και να χρησιµο οιήσουν κά οιο τηλέφωνο της αστυνοµίας. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '30, τέθηκαν σε λειτουργία τα δι λής κατεύθυνσης συστήµατα αφού το οθετήθηκαν οµ οί στα οχήµατα. Παράλληλα τα λεονεκτήµατα της διαµόρφωσης συχνότητας (FM-Frequency Modulation) βοήθησαν την οιότητα των συνοµιλιών οι ο οίες λέον γινότανε ακόµη και όταν το όχηµα βρισκόταν σε κίνηση. Σχεδόν όλα τα κινητά τηλεφωνικά συστήµατα λειτουργούσαν κάτω α ό τα 40 MHZ, δεδοµένου ότι η γνώση σχετικά µε τη διάδοση σε υψηλότερες συχνότητες, ιδιαίτερα σε αστικά εριβάλλοντα, ήταν εριορισµένη. Εντούτοις, η έρευνα για τη διάδοση σε υψηλότερες συχνότητες συνεχίστηκε σχεδόν α ό τότε. Ο εύτερος Παγκόσµιος Πόλεµος κατέδειξε την ανωτερότητα της µετάδοσης FM αφού ήταν ευκολότερη η χρησιµο οίηση της και µικρότερη η εξασθένηση του σήµατος λόγω ηλεκτρικού θορύβου σε σχέση µε τα ΑΜ συστήµατα. Μετά το τέλος του ευτέρου Παγκοσµίου Πολέµου ο στρατιωτικός ασύρµατος εξο λισµός ροσαρµόστηκε στην καθηµερινότητα ό ως για αράδειγµα στα ταξί της Νέας Υόρκης. Τα τέλη της δεκαετίας του '40 ήταν σηµαντικά για τις κινητές ε ικοινωνίες. Η AT&T εισήγαγε το ρώτο εµ ορικό σύστηµα στο Σαιντ Λούις το 1946 για την κάλυψη των τηλε ικοινωνιακών αναγκών, χρησιµο οιώντας τρεις ράδιοδιαύλους στην εριοχή των 150MHz. Εντούτοις, η υ ηρεσία εριορίστηκε λόγω έλλειψης καναλιών συχνότητας και γιατί τα συστήµατα ήταν δύσχρηστα (ήταν α αραίτητη η χειροκίνητη σύνδεση α ό τον χρηστή). Η έρευνα για τις κινητές ε ικοινωνίες συνεχίστηκε στα Bell Labs και το 1947 οι D.H.Ring και W.R.Young µέσα α ό µια εργασία ου δηµοσίευσαν διατύ ωσαν την ρόταση τους για ένα κινητό σύστηµα ε ικοινωνιών µε υψηλή χωρητικότητα ου θα µ ορούσε να αρέχει τηλε ικοινωνιακή κάλυψη σε µια ευρεία γεωγραφική εριοχή και θα βασίζεται στην κατανοµή συχνοτήτων. Αρκετές α ό τις έννοιες και τις ιδέες ου ροσδιόρισαν είναι ουσιαστικές ακόµη και για τα σύγχρονα κυτταρικά συστήµατα ό ως για αράδειγµα η χρησιµο οίηση χαµηλής ισχύος οµ ών (transmitters) ου θα καλύ τουν µικρές γεωγραφικές εριοχές και θα είναι έτσι δυνατή η ε αναχρησιµο οίηση των συχνοτήτων (ο όρος «κύτταρο» άρχισε να χρησιµο οιείται ευρέως ερί ου 20 χρόνια µετά α ό αυτήν τη δηµοσίευση). Προσδιορίστηκε ε ι λέον το εξαγωνικό σχήµα ως το ιδανικότερο, η κυτταρική διάσ αση σε ερί τωση αύξησης της ζήτησης καθώς και η τεχνική της µεταγωγής. 21

22 Στη δεκαετία του '60, οι τεχνολογικές εξελίξεις οδήγησαν στη µείωση του διαστήµατος µεταξύ των καναλιών στα 30 KHz και έτσι γειτονικά κανάλια µ ορούσαν λέον να χρησιµο οιηθούν µέσα στην ίδια γεωγραφική εριοχή. Στη δεκαετία του 70 η εµφάνιση των µικροε εξεργαστών και των υ ολογιστών µε µεγαλύτερη υ ολογιστική ισχύ έδωσαν νέα ώθηση στις τεχνικές µεταγωγής Οι έρευνες στα Bell Labs συνεχίστηκαν και σε συνδυασµό µε τις εργασίες της Motorola (ο σηµαντικότερος ροµηθευτής εξο λισµού κινητών ε ικοινωνιών), οδήγησαν στη δηµιουργία του IMTS (Improved Mobile Telephone System). Εικόνα 1.6 Το AMPS το 1985 Το 1979 άρχισαν να λειτουργούν τα ρώτα εµ ορικά κυτταρικά συστήµατα στο Τόκιο και τις σκανδιναβικές χώρες. Στις αρχές της δεκαετίας του 80 έκαναν την εµφάνιση τους τα ψηφιακά τηλεφωνικά δίκτυα και στις 13 Οκτωβρίου του 1983 τέθηκε σε λειτουργία το ρώτο ιλοτικό κυτταρικό σύστηµα στο Σικάγο. Το σύστηµα αυτό διέφερε α ό τα ροηγούµενα καθώς κάλυ τε µεγαλύτερη γεωγραφική εριοχή Το 1984, η Motorola εισήγαγε το ρώτο εµ ορικό φορητό κυτταρικό τηλέφωνο (µε µια ροτεινόµενη τιµή $ $4.000). Μέσα στο ίδιο έτος, η Motorola άρχισε να αράγει µια σειρά κυτταρικών ροϊόντων φτάνοντας τις ετησίως. Α ό το 1988, µερικά κυψελοειδή συστήµατα (ιδιαίτερα Νέα Υόρκη και Λος Άντζελες) άρχισαν να υ ερφορτώνονται. 22

23 1.3.2 ΟΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ Ι ΕΑΣ Τρεις είναι οι βασικοί άξονες της κυτταρικής ιδέας. Η κυτταρική κάλυψη. Η κεντρική ιδέα στην ο οία βασίστηκε η κατασκευή τόσο των αναλογικών όσο και των ψηφιακών κυτταρικών συστηµάτων κινητής τηλεφωνίας είναι η έννοια της κυψέλης δηλαδή η τµηµατο οίηση της γεωγραφικής εριοχής σε µικρότερες υ ο εριοχές, τα κύτταρα. Μια τυχή της ιδέας αυτής είναι η κυτταρική διάσ αση σε γεωγραφικά σηµεία ό ου αρατηρείται αύξηση της τηλε ικοινωνιακής κίνησης. Με αυτόν τον τρό ο το κάθε κανάλι ε ικοινωνίας µ ορεί να χρησιµο οιηθεί σε διαφορετικά κύτταρα εφόσον φυσικά ικανο οιούνται κά οιοι κανόνες για την α όσταση ασφαλείας ώστε να µην δηµιουργούνται ροβλήµατα Συγκαναλικής Παρεµβολής (Co- Channel Interference). Έτσι είναι εφικτή η α οδοτικότερη και α οτελεσµατικότερη χρήση του φάσµατος συχνοτήτων και κατά συνέ εια η αύξηση της χωρητικότητας. Εικόνα 1.7 Cell clusters 23

24 Σύστηµα κορµού. Με το σύστηµα αυτό όλοι οι ράδιο-δίαυλοι οµαδο οιούνται σε έναν κεντρικό κορµό. Η κινητή µονάδα συνδέεσαι µε έναν α ό τους ράδιοδιαύλους ροκειµένου να διεκ εραιωθούν οι εισερχόµενες και εξερχόµενες κλήσεις και καθώς το σύστηµα είναι κεντρικό είναι εφικτός και ο κεντρικός έλεγχος. Ο κεντρικός αυτός έλεγχος έχει σα στόχο τη µείωση της Πιθανότητας Ολικής Κατάληψης των Ράδιο-διαύλων και αράλληλα την αύξηση της Α όδοσης της Εµ λεκόµενης Τηλε ικοινωνιακής Κίνησης. Εντο ισµός και µεταγωγή. Μεταγωγή είναι η µεταφορά του ελέγχου της εκ οµ ής και της λήψης της µεταδιδόµενης ληροφορίας α ό έναν σταθµό βάσης σε έναν άλλο. Καθώς ο χρηστής µετακινείται µέσα σε µια γεωγραφική εριοχή αλλάζει ουσιαστικά κύτταρα. Οι σταθµοί βάσης των κυττάρων είναι υ εύθυνοι για την α οκατάσταση των κλήσεων αλλά και για την εξασφάλιση της συνέχειας µιας κλήσης όταν η κινητή µονάδα µετακινείται α ό κύτταρο σε κύτταρο. Ε οµένως ε ειδή γειτονικά κύτταρα λειτουργούν σε διαφορετικά φάσµατα συχνότητας είναι α αραίτητη η διαδικασία της µεταγωγής. Εικόνα 1.8 Η µεταγωγή Η διαδικασία της µεταγωγής ε εκτείνεται στην µεταγωγή µεταξύ διαφορετικών κυτταρικών συστηµάτων και ονοµάζεται εριαγωγή. Για την βέλτιστη ε ικοινωνία µια ε ι λέον βασική έννοια είναι ο εντο ισµός. Με τη διαδικασία αυτή ροσδιορίζεται ο κατάλληλος, α ό ά οψη 24

25 λαµβανόµενου σήµατος και εµφανιζόµενης αρεµβολής, σταθµός βάσης ου θα εξυ ηρετήσει τον εκάστοτε συνδροµητή ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Η ε αναχρησιµο οίηση συχνοτήτων Η ιδέα της ε αναχρησιµο οίησης των συχνοτήτων στα κυτταρικά συστήµατα κινητής τηλεφωνίας δεν α οτελεί καινοτοµία. Είχε ε ισηµανθεί σαν έννοια το 1947 και εφαρµόζονταν ήδη σε υ ηρεσίες ό ως το ραδιόφωνο και η τηλεόραση. Με βάση την τεχνική ε αναχρησιµο οίησης συχνοτήτων δίνεται η δυνατότητα να χρησιµο οιηθούν ράδιο-δίαυλοι µε ίδιες ονοµαστικές συχνότητες φορέα σε γεωγραφικές εριοχές ου έχουν µια ε αρκή α όσταση µεταξύ τους. Ό ως ήδη αναφέρθηκε µια γεωγραφική εριοχή διαιρείται σε ε ιµέρους εριοχές, τα κύτταρα. Σε κάθε κύτταρο αραχωρείται ένα σύνολο συχνοτήτων και το οθετείται ένας σταθµός βάσης ο ο οίος καλύ τει τηλε ικοινωνιακά το συγκεκριµένο κύτταρο. Το σύνολο των συχνοτήτων ενός κυττάρου µ ορεί να χρησιµο οιηθεί σε κά οιο άλλο κύτταρο. Η τεχνική αυτή είναι σηµαντική για την χωρητικότητα του συστήµατος αφού η εξυ ηρέτηση των συνδροµητών εξαρτάται α ό τον αριθµό των κυττάρων στα ο οία διαιρείται µια εριοχή αλλά και α ό τον αριθµό των συχνοτήτων ου διατίθενται στο κάθε κύτταρο και έχει άµεση σχέση µε την ε όµενη τεχνική. Η κυτταρική διάσ αση. Εφόσον οι διαθέσιµες συχνότητες λειτουργίας είναι εριορισµένες για κάθε κύτταρο, είναι α αραίτητη η ύ αρξη µιας τεχνικής ου θα αντιµετω ίζει τις ερι τώσεις αιχµής της τηλε ικοινωνιακής κίνησης. Όταν η ε ικοινωνιακή κίνηση σε ένα κύτταρο φτάσει σε κορεσµό ενεργο οιείται η διαδικασία της κυτταρικής διάσ ασης κατά την ο οία το κύτταρο διαιρείται σε ακόµη µικρότερες γεωγραφικές ε ιφάνειες ου εξυ ηρετούνται µε χρήση κατευθυντικών κεραιών. Είναι α αραίτητο εδώ να σηµειωθεί ότι η διαίρεση ραγµατο οιείται µε τέτοιο τρό ο ώστε να είναι ε ιτρέ εται η ε αναχρησιµο οίηση των διαθέσιµων συχνοτήτων. 25

26 Εικόνα 1.9 Είδη κυττάρων Πιο συγκεκριµένα αν C είναι ο συνολικός αριθµός των διαθέσιµων συχνοτήτων λειτουργίας ενός συστήµατος και Ν ο αριθµός των κυττάρων στα ο οία αυτό διαιρείται τότε σε κάθε κύτταρο αντιστοιχούν S=C/N συχνότητες, οι ο οίες όταν δεν ε αρκούν, τίθεται σε εφαρµογή η κυτταρική διάσ αση. Κεραίες Προκειµένου να καλυφθεί ηλεκτροµαγνητικά ένα κύτταρο, α αιτείται η εγκατάσταση κεραίας, η ο οία ελέγχεται α ό τον αντίστοιχο σταθµό βάσης του κυττάρου. Η κεραία το οθετείται σε κατάλληλο ύψωµα ώστε το διάγραµµα ακτινοβολίας της να καλύ τει όλη την εριοχή του κυττάρου αλλά και για να είναι αξιό ιστη η στάθµη του Λόγου-Σήµατος- ρος-θόρυβο. Εικόνα 1.10 Οι κεραίες στο κύτταρο Τα µεγάλα κύτταρα ενός συστήµατος εξυ ηρετούνται α ό κεραίες µε Πανκατευθυντικό διάγραµµα ακτινοβολίας ενώ τα µικρού µεγέθους κύτταρα χωρίζονται σε τρεις Τοµείς καθένας α ό τους ο οίους καλύ τεται α ό Κατευθυντικές κεραίες. 26

27 Η κυτταρική Γεωµετρία Σύµφωνα µε την αρα άνω αναφορά, µια εριοχή καλύ τεται οµοιόµορφα α ό κύτταρα και κάθε κύτταρο εξυ ηρετείται α ό την κεραία του σταθµού βάσης ου βρίσκεται στο κέντρο του κυττάρου και η ο οία έχει αν-κατευθυντικό διάγραµµα ακτινοβολίας. Το οριζόντιο ε οµένως διάγραµµα ακτινοβολίας µιας τέτοιας κεραίας είναι κυκλικό και αφού οι οµ οδέκτες των σταθµών βάσης εκ έµ ουν τα σήµατα µε την ίδια ισχύ (άρα ιδία εµβέλεια) η γεωγραφική εριοχή καλύ τεται τελικά α ό κύκλους ίσης ακτίνας. Ε ειδή όµως µε τη θεώρηση αυτή εµφανίζονται ολλές ε ικαλυ τόµενες εριοχές και σχεδιαστικά δεν είναι ρακτική, η ιδέα α ορρίφθηκε α ό τους σχεδιαστές κυτταρικών συστηµάτων. Τα κανονικά ολύγωνα ου ροσεγγίζουν τον κύκλο χωρίς ροβλήµατα ε ικαλύψεων η κενών είναι το ισό λευρο τρίγωνο, το τετράγωνο και το κανονικό εξάγωνο. Α ό τα τρία αυτά ολύγωνα το κανονικό εξάγωνο συγκεντρώνει τα ερισσότερα λεονεκτήµατα και γι αυτό ε ικράτησε έναντι των άλλων δύο. Εκτός α ό το γεγονός ότι ροσεγγίζει την ε ιφάνεια του κύκλου χωρίς να εµφανίζει κενά ή ε ικαλύψεις το σηµαντικότερο λεονέκτηµα του είναι οικονοµικό αφού ο συνολικός χρησιµο οιούµενος αριθµός σταθµών βάσης είναι µικρότερος σε σχέση µε την τετραγωνική κάλυψη και κατά ολύ µικρότερος σε σχέση µε την τριγωνική κάλυψη. Κυτταρική γεωµετρία και ε αναχρησιµο οίηση συχνοτήτων Η ε αναχρησιµο οίηση των συχνοτήτων µε τέτοιο τρό ο ώστε να α οφεύγεται η συγκαναλική αρεµβολή βασίζεται στην χρήση του εξαγώνου ως µορφή κυττάρου. Αφού η γεωγραφική ε ιφάνεια καλύ τεται α ό εξαγωγικά κύτταρα ου δηµιουργούν το κυτταρικό λέγµα, α ό κάθε εξάγωνο θα ξεκινούν έξι αλυσίδες εξαγώνων ρος διαφορετικές κατευθύνσεις η καθεµιά. Σύµφωνα µε τον αλγόριθµο εύρεσης των συγκαναλικών κυττάρων αρχικά ορίζεται το κύτταρο αναφοράς. Στη συνέχεια µετακινούµαστε κατά i κατά µήκος µιας ο οιασδή οτε α ό τις έξι αλυσίδες και στο i-στο κύτταρο ραγµατο οιούµε στροφή 60 αντίθετα α ό την κίνηση των δεικτών του ρολογιού. Αν µετακινηθούµε κατά j βρίσκουµε το συγκαναλικό κύτταρο, το κύτταρο στο ο οίο µ ορεί να χρησιµο οιηθεί το ίδιο σύνολο συχνοτήτων µε το κύτταρο αναφοράς. Ο ροσδιορισµός των συγκαναλικών κυττάρων συνεχίζεται λαµβάνοντας υ όψιν νέα κύτταρα αναφοράς. Τελικά τα ε ιµέρους κύτταρα της ευρύτερης γεωγραφικής εριοχής σχηµατίζουν οµάδες ε αναληψιµότητας κάθε µια α ό τις ο οίες ονοµάζεται κυτταρικό συγκρότηµα η υ ερκύτταρο. 27

28 Εικόνα 1.11 Η ε αναληψιµότητα των συχνοτήτων Παράµετροι: αριθµός κυττάρων N σε κάθε συγκρότηµα (αριθµός διαφορετικών συνόλων συχνοτήτων) Ν = i² + ij + j² i,j ακέραιοι (1.1) κριτήριο για την αντιµετώ ιση της συγκαναλικής αρεµβολής: q= D / R= 3N (1.2) ό ου D η α όσταση των κέντρων δύο διαδοχικών συγκαναλικών κυττάρων R η ακτίνα του κυττάρου Ν ο αριθµός των κυττάρων 28

29 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή Το Παγκόσµιο Σύστηµα Κινητών Τηλε ικοινωνιών UMTS ου χρησιµο οιούµε σήµερα στις κινητές ε ικοινωνίες ουσιαστικά συνδυάζει τις εξελίξεις των νέων τεχνολογιών και στοχεύει όχι µονό στο κοµµάτι της τηλεφωνίας, αλλά κυρίως στο κοµµάτι της ανά τυξης εφαρµογών ολυµέσων. Στο Κεφάλαιο αυτό γίνεται αναφορά στα διεθνή ρότυ α στα ο οία το UMTS είναι βασισµένο, στην αρχιτεκτονική του καθώς και στο φάσµα συχνοτήτων του. 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ UMTS Ο όρος UMTS ροέρχεται α ό τα αρχικά των λέξεων "Universal Mobile Telecommunications System" (Παγκόσµιο Σύστηµα Κινητών Τηλε ικοινωνιών). Πρόκειται για την εξέλιξη σε σχέση µε την χωρητικότητα, την ταχύτητα µετάδοσης των δεδοµένων και την ύ αρξη νέων υ ηρεσιών, των κινητών δικτύων δεύτερης γενιάς. Σήµερα, ερισσότερα α ό εξήντα 3G/UMTS δίκτυα ου χρησιµο οιούν την WCDMA τεχνολογία λειτουργούν σε 25 χώρες. Για την οργάνωση του όλου εγχειρήµατος έχει θεσ ιστεί ειδικός µη κερδοσκο ικός οργανισµός µε την ονοµασία Third Generation Partnership Project (3GPP) του ο οίου µέληµα είναι η αρακολούθηση και η καθοδήγηση των εξελίξεων στην συγκεκριµένη τεχνολογική εριοχή. Ο στόχος των συστηµάτων κινητής ε ικοινωνίας τρίτης γενιάς (3G) είναι η αροχή υ ηρεσιών ολυµέσων στο χρήστη. Αυτό α αιτεί την αροχή ρυθµών δεδοµένων χρήστη ου είναι ουσιαστικά υψηλότεροι α ό εκείνους ου αρέχονται α ό τα σηµερινά δίκτυα δεύτερης γενιάς (2G). Στο GSM, αραδείγµατος χάριν, υ οστηρίζονται µόνο ρυθµοί δεδοµένων 9.6 KBIT/s. Στο UMTS στους χρήστες αρέχονται ρυθµοί δεδοµένων µέχρι 144 KBIT/s στα macrocellular εριβάλλοντα, µέχρι 384 KBIT/s στα microcellular εριβάλλοντα και µέχρι 2 MBIT/s στα εσωτερικά ή picocellular εριβάλλοντα. Αυτές οι α αιτήσεις δείχνουν τους εριορισµούς του GSM, το ο οίο, αρά την τεράστια αγκόσµια ε ιτυχία του (320 δίκτυα σε λειτουργία σε 118 χώρες µέχρι το τέλος του 1998), σχεδιάστηκε ρώτιστα για την κινητή ψηφιακή 29

30 τηλεφωνία µε µια εριορισµένη ικανότητα εξυ ηρέτησης δεδοµένων. Αν και η εισαγωγή υ ηρεσιών ακέτων δεδοµένων βασισµένες σε µια υψηλότερη διαµόρφωση µέσα στο GSM, το UMTS αρέχει στο χρήστη µια ακόµα υψηλότερη ικανότητα ρυθµού δεδοµένων. Μια εραιτέρω βασική α αίτηση για το UMTS ήταν η ανάγκη για µια εξέλιξη της αρχιτεκτονικής του δικτύου κορµού (core network) ου χρησιµο οιείται στο GSM (χρησιµο οιείται το ρωτόκολλο MAP-Mobile Application Part) ώστε να ε ιτρέψει στους χειριστές (operators) του GSM να ροστατεύσουν τις ε ενδύσεις υ οδοµής τους κατά τη διάρκεια της βελτίωσης των δικτύων τους για να υ οστηριχθεί το UMTS. 2.2 ΑΡΧΙΚΕΣ ΠΡΩΤΟΒΟΥΛΙΕΣ Η ροέλευση του UMTS µ ορεί να το οθετηθεί στις ερευνητικές δραστηριότητες του ρογράµµατος RACE (Research into Advanced Communications in Europe) της Ευρω αϊκής Ε ιτρο ής. Πράγµατι ήταν το ρόγραµµα RACE Mobile Definition ου καθόρισε αρχικά τον όρο UMTS το Προγράµµατα του RACE ό ως το CODIT (UMTS Code Division Testbed) και το ATDMA (Advanced TDMA) εξέτασαν τις διαφορετικές και ανταγωνιστικές µεταξύ τους ροτάσεις ολλα λής ρόσβασης για την εναέρια διε αφή, ενώ το ρόγραµµα MONET (MObile NETworks) ερεύνησε τις δικτυακές τυχές ενός µελλοντικού συστήµατος UMTS. Το ε όµενο ρόγραµµα, ACTS FRAMES (1995-9) βασιζόµενο στις εργασίες των CODIT και ATDMA ρότεινε το FMA (FRAMES Multiple Access) για την εναέρια διε αφή του UMTS. Α οτελούνταν α ό δύο τύ ους: το FMA1, ένα σενάριο TDMA (Time Division Multiple Access) µε ένα ροαιρετικό τµήµα διάδοσης µέσα στα timeslots, και το FMA2, βασισµένο σε DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access). 2.3 ΠΡΟΤΥΠΑ Μια κρίσιµη τυχή στην ανά τυξη της 3G τεχνολογίας είναι η διαδικασία της τυ ο οίησης στα λαίσια των διαφόρων εριφερειακών και αγκόσµιων φόρουµ. Είναι ζωτικής σηµασίας το γεγονός ότι τα ρότυ α υ άρχουν για να καθορίσουν τις open διε αφές µεταξύ των διάφορων τµηµάτων των συστηµάτων. Αυτό ε ιτρέ ει την σωστή αλληλε ίδραση του εξο λισµού ου αράγεται α ό διαφορετικούς κατασκευαστές και αρέχει στους φορείς εκµετάλλευσης του δικτύου και στους χρήστες κινητής τηλεφωνίας την δυνατότητα να ε ιλέξουν σύµφωνα µε το χαµηλότερο κόστος, µέσω του ανταγωνισµού. 30

31 Η τελική Αρχή για την έγκριση των αγκόσµιων ροτύ ων είναι η ιεθνής Ενωση Τηλε ικοινωνιών (ITU-International Telecommunication Union), η ο οία και έθεσε το 1995 το χρονοδιάγραµµα για τη διαδικασία τυ ο οίησης του 3G ροτύ ου, IMT-2000 (αυτό το αρκτικόλεξο αντικατέστησε το FLPMTS). Οι υ οβολές των υ οψήφιων τεχνολογιών ράδιο-µετάδοσης (RTTs-Radio Transmission Technologie) έγιναν µέχρι τις αρχές Ιουνίου του 1998, είτε α ό µεµονωµένες χώρες είτε α ό εριφερειακούς οργανισµούς. Στην Ευρώ η, το Ευρω αϊκό Ινστιτούτο Τηλε ικοινωνιακής Τυ ο οίησης (ETSI-European Telecommunications Standards Institute) είναι το αρµόδιο σώµα για την τεχνική ανά τυξη του GSM και του UMTS. Σε όλο το δεύτερο εξάµηνο του 1997 η ε ιτρο ή SMG2 του ETSI σύγκρινε έντε εναλλακτικές ροτάσεις για την ολλα λή ρόσβαση ου θα υιοθετούνταν για την εναέρια διε αφή. Οι οµάδες άλφα, γάµµα και δέλτα βασίστηκαν στις τεχνικές ου αρείχε το ρόγραµµα FRAMES. Το FMA1 µε spreading αρείχε τη βάση για το δέλτα σενάριο, το FMA1 χωρίς διάδοση τη βάση για το γάµµα και το FMA2 τη βάση για την άλφα ρόταση. Η έκβαση της διαδικασίας αξιολόγησης ήταν η α όφαση ορόσηµο, ου τονίζεται στην 2.1, ου λήφθηκε σε µια ειδική σύσκεψη της ολοµέλειας του SMG (Special Group for Mobile) στο Παρίσι τον Ιανουάριο του Εικόνα 2.1 Η α όφαση του Special Group for Mobile Ακολουθώντας την α όφαση αυτή και ριν α ό την ροθεσµία του Ιουνίου του 1998 για τις υ οβολές της ITU, η διαδικασία της εναρµόνισης των αραµέτρων των τύ ων FDD και TDD λήφθηκε µέσα α ό την SMG2. Αυτό οδήγησε στην (ε ίγεια ράδιο- ρόσβαση UMTS) υ οβολή του UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) στην ITU ου βασίζεται στις βασικές αραµέτρους ου αρουσιάστηκαν στην εικόνα

32 Εικόνα 2.2 UTRA αράµετροι Συνολικά δέκα υ οβολές αραλήφθηκαν α ό την ITU και σύµφωνα µε τον χρονικό ορίζοντα της ITU η διαδικασία της εναρµόνισης και της αιτιολόγησης των ροτάσεων άρχισε. 2.4 ΜΙΑ ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ Η Ια ωνία ήταν στην ρώτη γραµµή της έρευνας, της ανά τυξης και της ε έκτασης της δοκιµαστικής τεχνολογίας για τα 3G συστήµατα µε µια ιδιαίτερη εστίαση στο ευρείας ζώνης CDMA (W-CDMA) ως τεχνολογία ολλα λής ρόσβασης. H διαφαινόµενη άνοδος της ψηφιακής κινητής τηλεφωνίας στην Ια ωνία ( άνω α ό 40 εκατοµµύρια συνδροµητές) ρόβαλε την 3G ιδέα ως λύση στα ροβλήµατα χωρητικότητας των δικτύων καθώς ε ίσης και ως διεύρυνση των ευκαιριών για νέες υ ηρεσίες µέσω των ενισχυµένων ρυθµών δεδοµένων. Αντίθετα µε το GSM, δεν υ ήρχε καµία αύξηση σε PDC(Personal Digital Cellular), για το ια ωνικό 2G σύστηµα, για να γεφυρώσει το χάσµα ως το 3G σύστηµα. Για αυτούς τους λόγους, η Ια ωνία ήταν η ρώτη χώρα ου ε έκτεινε τα 3G δίκτυα, µε την εµ ορική λειτουργία να αρχίζει το Οι Ιά ωνες ήταν ε ίσης υ έρµαχοι των ενιαίων αγκόσµιων ροτύ ων και κίνησαν την διαδικασία συνεργασίας και εναρµόνισης του W-CDMA µε την ρόταση UTRA του ETSI. Στις ΗΠΑ, ό ως στην Ευρώ η, η εξελικτική ορεία α ό τα 2G υ άρχοντα δίκτυα ήταν ένα σηµαντικό ζήτηµα διότι έ ρε ε να ροστατευθούν οι ε ενδύσεις υ οδοµής και φάσµατος των αρόχων. Στις ΗΠΑ µάλιστα η κατάσταση ήταν ιο ερί λοκη. Αντίθετα α ό την Ευρώ η και την Ια ωνία, δεν υ ήρχε κανένα κοινό 2G ρότυ ο και δεν υ ήρχε κανένας άροχος σε εθνικό ε ί εδο. Υ ήρχαν τρία βασικά 2G ρότυ α: τα ρότυ α βασισµένα σε ΤDMA (IS-136) και τα ρότυ α βασισµένα σε CDMA (IS-95), ου ε εκτείνονται στις κυψελοειδείς και στις PCS(Personal Communication 32

33 Services) ζώνες, καθώς ε ίσης και το PCS1900 αράγωγο του GSM, ου ε εκτείνεται στις PCS ζώνες µόνο. Τα ρότυ α κεντρικών δικτύων στις ΗΠΑ είναι ANSI-41, το ο οίο εκτελεί αρόµοιες λειτουργίες µε το GSM MAP. Τα cdma2000 και UWC-136 ήταν οι αµερικανικές υ οψηφιότητες στην ITU και ήταν εξελίξεις των IS-95 και IS-136 ροτύ ων, αντίστοιχα. 2.5 ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΝΑΡΜΟΝΙΣΗ Τον εκέµβριο του 1998, ιδρύθηκε ένα σώµα ου ονοµάστηκε Third Generation Partnership Project (3GPP) και είχε ως στόχο να εναρµονίσει τις διάφορες ροτάσεις ου ήταν βασισµένες σε W-CDMA. Συγκεκριµένα η τεχνολογία UMTS διακρίθηκε σε έντε ε ιµέρους οµάδες εργασίας: ίκτυο Ασύρµατης Πρόσβασης, Κυρίως ίκτυο, Τερµατικά, Υ ηρεσίες και Ζητήµατα Συστήµατος και GERAN. Η οµάδα εργασίας Ασύρµατης Πρόσβασης της 3GPP είναι υ εύθυνη για τα αρακάτω: Προσδιορισµός των ασύρµατων στρωµάτων 1, 2 και 3 Iub, Iur και Iu ιε αφές Α αιτήσεις Λειτουργίας και Συντήρησης για UTRAN Προσδιορισµός α όδοσης του Ποµ οδέκτη Σταθµού Βάσης (BTS) Προσδιορισµός Conformance test για µετρήσεις σε ζητήµατα ράδιο-ζεύξης στους Σταθµούς Βάσης Προσδιορισµοί για ζητήµατα α όδοσης ράδιο-ζεύξης α ό την λευρά του συστήµατος H οµάδα εργασίας Κυρίως ικτύου της 3GPP είναι υ εύθυνη για: ιαχείριση κινητικότητας, σηµατοδοσίας ελέγχου για α οκατάσταση κλήσης ανάµεσα στον χρήστη και το κυρίως δίκτυο Σηµατοδοσία κυρίως δικτύου ανάµεσα στους κόµβους του κυρίως δικτύου Ορισµός διαδικτυακών λειτουργιών ανάµεσα στο κυρίως δίκτυο και τα εξωτερικά δίκτυα Ζητήµατα σχετικά µε µεταγωγή ακέτου Ζητήµατα κυρίως δικτύου της 1u διε αφής και α αιτήσεις Λειτουργίας και Συντήρησης 33

34 Η οµάδα εργασίας Τερµατικών της 3GPP είναι υ εύθυνη για: Πρωτόκολλα υ ηρεσιών Υ ηρεσία µηνυµάτων ιαδικτύωση υ ηρεσιών α ό άκρη σε άκρη (end-to-end) ιε αφή USIM Κινητή συσκευή Μοντέλο/ λαίσιο εργασίας για διε αφές τερµατικών και εκτέλεση (εφαρµογή) υ ηρεσιών Προσδιορισµοί Conformance test για τα τερµατικά, συµ εριλαµβανοµένων των ζητηµάτων ράδιο-ζεύξης Η οµάδα εργασίας Υ ηρεσιών και Ζητηµάτων Συστήµατος της 3GPP είναι υ εύθυνη για: Ορισµό υ ηρεσιών και α αιτήσεις ε ιλογών Ανά τυξη δυνατοτήτων των υ ηρεσιών και αρχιτεκτονικής των υ ηρεσιών για κυτταρικές, ενσύρµατες και ασύρµατες εφαρµογές Χρεώσεις και λογιστικά ιαχείριση δικτύου και ζητήµατα ασφαλείας Προσδιορισµός, εξέλιξη και συντήρηση της αρχιτεκτονικής εν γένει Ο στόχος του ήταν η συνεργασία για την αραγωγή ενός αγκόσµια εφαρµόσιµου συστήµατος κινητής τηλεφωνίας 3ης γενιάς βασισµένου στα εξελιγµένα GSM δίκτυα. Το σώµα αυτό ιδρύθηκε α ό τους ακόλουθους εριφερειακούς οργανισµούς τυ ο οίησης: ARIB (Ια ωνία), ETSI (Ευρώ η), T1 (Ηνωµένες Πολιτείες), TTA (Κορέα), TTC (Ια ωνία), ενώ αργότερα συµµετείχε και το CWTS, ο κινεζικός οργανισµός. Στην ουσία έγινε η συγχώνευση των ια ωνικών και των ροτάσεων του ETSI σε ένα ενιαίο κοινό ρότυ ο. Μετά α ό την καθιέρωση του 3GPP, ένα δεύτερο σώµα, το 3GPP2, ιδρύθηκε γύρω α ό την ρόταση cdma2000. Τον Ιούνιο του 1999, µια οµάδα διεθνών φορέων, η Operator Harmonisation Group (OHG), ρότεινε την ενο οίηση των 3GPP και 3GPP2 σε G3G (Global Third Generation), ροκειµένου να διευκολυνθεί η λειτουργικότητα και η αλληλε ίδραση µεταξύ UTRA και cdma2000. Το τελικό κοµµάτι του UTRA ροέκυψε όταν οι ροτάσεις της OHG έγιναν α οδεκτές και α ό το 3GPP και α ό το 3GPP2 για να αραχθούν ρότυ α µε τους ακόλουθους τρεις τρό ους λειτουργίας: CDMA-DS (CDMA - Direct Sequence), βασισµένο σε UTRA FDD CDMA-MC (CDMA - Multi Carrier), βασισµένο σε cdma2000 CDMA-TDD, βασισµένο σε UTRA TDD. Η διαδικασία εναρµόνισης εριέλαβε την τρο ο οίηση µερικών βασικών αραµέτρων, ό ως το UTRA chip rate (και η ε ακόλουθη µείωση του αριθµού timeslots ανά λαίσιο α ό 16 σε 15) ροκειµένου να α λο οιηθεί η σχεδίαση των multimode τερµατικών. Για να ικανο οιηθεί η α αίτηση για εξέλιξη και 34

35 α ό τα ANSI-41 και α ό τα GSM MAP δίκτυα κορµού υιοθετήθηκε µια συνδυασµένη υψηλότερη λίστα ρωτοκόλλων. Η ευθύνη για τη λε τοµερή ροδιαγραφή κάθε τρό ου αρέµεινε µέσα στους αντίστοιχους οργανισµούς τυ ο οίησης, δηλ. 3GPP και 3GPP2. Όταν η οµάδα ITU-R συναντήθηκε στις αρχές Νοεµβρίου του 1999 για να υιοθετήσει ε ισήµως την οικογένεια των IMT-2000 ροτύ ων, οι δέκα αρχικές ροτάσεις ήταν µειωµένες σε έξι, και οµαδο οιηµένες σε έντε τρό ους.εντούτοις, ήταν σαφές ότι η G3G ου κάλυ τε τρεις α ό αυτούς τους τρό ους έτεινε να γίνει το κυρίαρχο αγκόσµιο 3G ρότυ ο. 2.6 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ UMTS Η βασική αρχιτεκτονική ροέρχεται α ό την τεχνολογία GPRS, µε τη διαφορά ότι όλος ο εξο λισµός ρέ ει να αναβαθµιστεί για τη λειτουργία και τις υ ηρεσίες του δικτύου UMTS. Ένα δίκτυο UTMS α οτελείται α ό τρεις βασικές οντότητες: το δίκτυο κορµού (CN - core network),το δίκτυο ε ίγειας ασύρµατης ρόσβασης (UTRAN - UMTS terrestrial radio-access network) και τον εξο λισµό χρήστη (US-User Equipment). Η βασική λειτουργία του Κυρίως ικτύου είναι να αρέχει µεταγωγή, δροµολόγηση και διασύνδεση µεταβίβαση για κίνηση χρηστών. Ε ι λέον είναι υ εύθυνο για τις συνδέσεις για µεταφορά δεδοµένων µε εξωτερικά δίκτυα ενώ εριλαµβάνει τις βάσεις δεδοµένων και τις λειτουργίες διαχείρισης δικτύου. Tο UTRAN είναι υ εύθυνο για οτιδή οτε σχετίζεται µε το ασύρµατο µέρος του δικτύου. Η ανάλυση ου ακολουθεί βασίζεται στο σχήµα 2.3. Εικόνα 2.3 Η αρχιτεκτονική του UMTS 35

36 2.6.1 ΤΟ ΙΚΤΥΟ ΚΟΡΜΟΥ CN Χωρίζεται σε δυο ε ιµέρους ενότητες: µεταγωγής κυκλώµατος (CS-Circuit Switched) και µεταγωγής ακέτου (PS-Packet Switched). Τα στοιχεία µεταγωγής κυκλώµατος είναι το Κέντρο Μεταγωγής Κινητών Υ ηρεσιών (ΚΜΚΥ MSC), ο Visitor Location Register (VLR) και το Gateway MSC. Τα στοιχεία µεταγωγής ακέτου είναι ο Serving-GPRS Κόµβος Υ οστήριξης (SGSN) και ο Gateway-GPRS Κόµβος Υ οστήριξης (GGSN). Κά οια στοιχεία δικτύου ό ως ο EIR, HLR, και το Κέντρο Πιστο οίησης (AuC) χρησιµο οιούνται και α ό τους δύο τοµείς. Η τεχνολογία ΑΤΜ (Αsynchronoys Transfer Mode) ε ιλέχτηκε για την µετάδοση στο δίκτυο UMTS. Το ρωτόκολλο Adaptation Layer type 2 (AAL2) χειρίζεται την σύνδεση µεταγωγής κυκλώµατος και το ρωτόκολλο σύνδεσης ακέτου ΑΑL5 σχετίζεται µε την µεταφορά δεδοµένων. Η αρχιτεκτονική του ικτύου Κορµού δύναται να µεταβάλλεται όταν εισάγονται νέες υ ηρεσίες και ε ιλογές. Η Βάση εδοµένων Φορητότητας Αριθµού (NPDB) χρησιµο οιείται για να καθιστά τον χρήστη ικανό να αλλάζει δίκτυο διατηρώντας τον αλιό τηλεφωνικό αριθµό του. Ο Gateway Location Register (GLR) χρησιµο οιείται για τη βελτιστο οίηση της αντιµετώ ισης των συνδροµητών εντός των ορίων του δικτύου. Το ΚΜΚΥ, ο VLR και ο Serving-GPRS Κόµβος Υ οστήριξης µ ορούν να ενο οιηθούν υ έρ της δηµιουργίας ενός Κέντρου Μεταγωγής του δικτύου UMTS ΤΟ ΕΠΙΓΕΙΟ ΙΚΤΥΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ-UTRAN Το UTRAN αρέχει στον εξο λισµό του χρήστη την µέθοδο ρόσβασης στην εναέρια διε αφή. Ο SGSN α ό το ίκτυο Κορµού συνδέεται µε τον GGSN µέσω της διε αφής Gn και µε το UTRAN µέσω της διε αφής Iu. Το UTRAN α οτελείται α ό ένα ή ερισσότερα υ οσυστήµατα ράδιο-δικτύων (RNSs-Radio Network Subsystem), τα ο οία α οτελούνται στη συνέχεια α ό τον Ελεγκτή Ασύρµατης Πρόσβασης (RNC - radio network controller) και τον Σταθµό Βάσης( Node B) ο ο οίος α οτελεί την βάση ου ροσφέρει κάλυψη στο αντίστοιχο κελί. ). Ένας κόµβος Β µ ορεί να εξυ ηρετήσει ένα ή ερισσότερα κύτταρα. Το Node B συνδέεται µε τον εξο λισµό του χρήστη (user equipment - UE) µέσω της διε αφής Uu (βασισµένο στην τεχνολογία W- CDMA) και µε το RNC µέσω της διε αφής Gi. Η εικόνα 2.4 αρουσιάζει µια α λουστευµένη έκδοση των ρωτοκόλλων ου τρέχουν µεταξύ ενός UE και του UTRAN. 36

37 Εικόνα 2.4 Τα ρωτόκολλα ου τρέχουν µεταξύ ενός UE και του UTRAN Τα κανάλια µεταφοράς φέρουν τα στοιχεία ελέγχου ή τα δεδοµένα χρήστη µεταξύ του UE και του RNC, χαρτογραφώντας τα φυσικά κανάλια στη διε αφή αέρα (Uu) - ου διατίθενται α ό το στρώµα ελέγχου των όρων (RRC)- και τις συνδέσεις ATM AAL2 στη διε αφή Iub. Ένα σηµαντικό σηµείο είναι ότι α ό την λευρά του δικτύου το ενδιάµεσο στρώµα ελέγχου ροσ έλασης (MAC-Medium Access Control) και το στρώµα ελέγχου συνδέσεων (RLC-Radio Link Control) βρίσκονται στο RNC, το ο οίο είναι το σηµαντικότερο µέρος του UTRAN. Το ρωτόκολλο λαισίων (FP-Frame Protocol) είναι αρµόδιο για την αναµετάδοση των καναλιών µεταφοράς µεταξύ του UE και του RNC µέσω του σταθµού Β. Αυτή η λίστα ρωτοκόλλων είναι κοινή και για το FDD και για το TDD µε µικρές διαφορές στο macrodiversity του FDD και στο συγχρονισµό του TDD. Εικόνα 2.5 Τα ρωτόκολλα ελέγχου 37

38 Η εικόνα 2.5 αρουσιάζει τα ρωτόκολλα ελέγχου των όρων στο UTRA. Αυτά εριλαµβάνουν το application part του σταθµού Β (NBAP) ου τρέχει άνω α ό τη διε αφή Iub, το radio network subsystem application part (RNSAP) άνω α ό τη διε αφή Iur (µεταξύ των RNCs) και το radio access network application part (RANAP) άνω α ό τη διε αφή Iu. Αυτά τα ρωτόκολλα είναι αράµετροι του RRC και είναι αρµόδια για τη διαχείριση και τον έλεγχο των ράδιο- όρων µέσα στο UTRAN. Το ρωτόκολλο NBAP είναι υ εύθυνο για την κατανοµή και τον έλεγχο των όρων,.χ. για τις συχνότητες φορέων και για τους κώδικες (και timeslots στο TDD), στον σταθµό BS. Το ρωτόκολλο RNSAP είναι αρµόδιο για το συντονισµό των όρων µεταξύ των σταθµών BS σε γειτονικά RNCs, για αράδειγµα στις συνδέσεις της διε αφής Iur κατά τη διάρκεια του soft handover Το ρωτόκολλο RANAP χρησιµο οιείται για να υ οστηρίξει τη σηµατοδότηση στη διε αφή Iu. Συγκεκριµένα το RANAP υ οστηρίζει τη µεταφορά των µηνυµάτων του στρώµατος 3 µεταξύ του UE και του δικτύου κορµού (.χ. για τη µεταφορά των δεδοµένων κατά τη διάρκεια της εγγραφής και της ε ικύρωσης). Το RANAP χρησιµο οιείται ε ίσης κατά την εγκαθίδρυση των συνδέσεων του στρώµατος 3 (.χ. συνδέσεις δεδοµένων χρηστών) µεταξύ του UTRAN και του δικτύου κορµού. Οι λειτουργίες του Κόµβου-Β εριλαµβάνουν: Εναέρια διε αφή (µετάδοση/λήψη) ιαµόρφωση α οδιαµόρφωση Κωδικο οίηση Φυσικού Καναλιού κατά CDMA Μικρο-α όκλιση (Micro Diversity) Αντιµετώ ιση σφαλµάτων Έλεγχος ισχύος κλειστού βρόγχου Οι λειτουργίες του RNC είναι: έλεγχος ασύρµατων όρων (Radio Resource Control) έλεγχος ρόσβασης(admission Control) κατανοµή καναλιών (Channel Allocation) ρυθµίσεις ελέγχου ισχύος(power Control Settings) έλεγχος µεταβίβασης (Handover) µακροδιαφορικότητα (Macro Diversity) κρυ τογράφηση κατάτµηση/ε ανένωση (Segmentation / Reassembly) σηµατοδοσία οµαδικής α οστολής (Broadcast) έλεγχος ισχύος ανοικτού βρόγχου Open Loop Power Control Ε ι λέον, υ άρχει και ένας άλλος κόµβος σχετιζόµενος µε τις υ ηρεσίες broadcast/multicast (BM-SC - broadcast/multicast service center), ο ο οίος 38

39 λειτουργεί σαν το σηµείο εισόδου για την αραλαβή των δεδοµένων για εσωτερικές ηγές. * * * Οι βασικές το ολογίες της αρχιτεκτονικής δικτύου UMTS, ξεκινώντας α ό τη µεγαλύτερη, έχουν ως εξής: UMTS συστήµατα (και τα δορυφορικά) Κινητά δίκτυα δηµόσιας ρόσβασης [Public Land Mobile Network (PLMN)] MSC/VLR ή SGSN Περιοχή εντο ισµού Περιοχή δροµολόγησης (PS domain) Περιοχή εγγραφής UTRAN (PS domain) Κύτταρο Υ οκύτταρο Η ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΠΡΟΣΒΑΣΗ Η ευρυζωνική-cdma τεχνική (W-CDMA - Wideband Code Division Multiple Access technology - τεχνολογία ολλα λής ρόσβασης ευρείας ζώνης µε ολυ λεξία διαίρεσης κώδικα) ε ιλέχτηκε για την εναέρια διε αφή Uu µεταξύ του εξο λισµού χρήστη-ue και του UTRAN. Είναι µια άµεση ακολουθία του CDMA συστήµατος ό ου τα δεδοµένα του χρήστη ολλα λασιάζονται µε ηµιτυχαία bits ροερχόµενα α ό κώδικες του WCDMA. Στο UMTS, για συγχρονισµό και κρυ τογράφηση χρησιµο οιούνται κώδικες µαζί µε την διαδικασία ου σχετίζεται µε τα κανάλια. Το WCDMA έχει δύο βασικές µορφές λειτουργίας: duplex διαιρούµενης συχνότητας (Frequency Division Duplex - FDD) και duplex διαιρούµενου χρόνου (Time Division Duplex - TDD). Η τεχνική WCDMA βρίσκει εφαρµογή στα (ψηφιακά) δίκτυα κινητής τηλεφωνίας 3ης γενιάς, δηλ. στο UMTS (FDD mode) στην Ευρώ η και στο cdma2000 στην Αµερική. 39

40 Τεχνικές ροδιαγραφές Αµφίδροµου Ε ιµερισµού Συχνότητας (FDD Technical summary) Frequency band:1920 MHz MHz and 2110 MHz MHz (Frequency Division Duplex) UL and DL Minimum frequency band required: ~ 2x5MHz Frequency re-use: 1 Carrier Spacing: 4.4MHz MHz Maximum number of (voice) channels on 2x5MHz: ~196 (spreading factor 256 UL, AMR 7.95kbps) / ~98 (spreading factor 128 UL, AMR 12.2kbps) Voice coding: AMR codecs (4.75 khz khz, GSM EFR=12.2 khz) and SID (1.8 khz) Channel coding: Convolutional coding, Turbo code for high rate data Duplexer needed (190MHz separation), Asymmetric connection supported Tx/Rx isolation: MS: 55dB, BS: 80dB Receiver: Rake Receiver sensitivity: Node B: -121dBm, Mobile -117dBm at BER of 10-3 Data type: Packet and circuit switch Modulation: QPSK Pulse shaping: Root raised cosine, roll-off = 0.22 Chip rate: 3.84 Mcps Channel raster: 200 khz Maximum user data rate (Physical channel): ~ 2.3Mbps (spreading factor 4, parallel codes (3 DL / 6 UL), 1/2 rate coding), but interference limited. Maximum user data rate (Offered): 384 kbps (year 2002), higher rates ( ~ 2 Mbps) in the near future. HSPDA will offer data speeds up to 8-10 Mbps (and 20 Mbps for MIMO systems) Channel bit rate: 5.76Mbps Frame length: 10ms (38400 chips) Number of slots / frame: 15 Number of chips / slot: 2560 chips Handovers: Soft, Softer, (interfrequency: Hard) Power control period: Time slot = 1500 Hz rate Power control step size: 0.5, 1, 1.5 and 2 db (Variable) Power control range: UL 80dB, DL 30dB Mobile peak power: Power class 1: +33 dbm (+1dB/-3dB) = 2W; class dbm, class dbm, class dbm Number of unique base station identification codes: 512 / frequency Physical layer spreading factors: UL, DL Ο ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΧΡΗΣΤΗ UE Η ροτυ ο οίηση του UMTS σε καµία ερί τωση δεν εριορίζει τη λειτουργικότητα του εξο λισµού του χρήστη. Τα τερµατικά λειτουργούν ως το 40

41 έτερο άκρο του Κόµβου-Β (ως ρος την εναέρια διε αφή) και διαθέτουν ολλούς διαφορετικούς τύ ους ταυτότητας, οι λείστες ροερχόµενες α ευθείας α ό τον ροσδιορισµό της τεχνολογίας GSM: διεθνής ταυτότητα κινητού συνδροµητή (International Mobile Subscriber Identity - IMSI) ροσωρινή ταυτότητα κινητού συνδροµητή (Temporary Mobile Subscriber Identity - TMSI) ροσωρινή ταυτότητα κινητού συνδροµητή µέσω ακέτων (Packet Temporary Mobile Subscriber Identity (P-TMSI) ροσωρινή ταυτότητα λογικής ένωσης (Temporary Logical Link Identity - TLLI) σταθµός κινητών ISDN (Mobile station ISDN - MSISDN) ISDN: ψηφιακό δίκτυο ενο οιηµένων υ ηρεσιών διεθνής ταυτότητα εξο λισµού κινητού σταθµού (International Mobile Station Equipment Identity - IMEI) διεθνής ταυτότητα εξο λισµού κινητού σταθµού και αριθµός λογισµικού (International Mobile Station Equipment Identity and Software Number (IMEISV). O κινητός σταθµός τεχνολογίας UMTS διαθέτει 3 καταστάσεις λειτουργίας: Λειτουργία ΜΚ/ΜΠ: Ο κινητός σταθµός είναι συνδεδεµένος τόσο στον τοµέα Μεταγωγής Κυκλώµατος (ΜΚ) όσο και στον τοµέα Μεταγωγής Πακέτου (ΜΠ) και δύναται να έχει ρόσβαση σε υ ηρεσίες ακέτου και κυκλώµατος. Λειτουργία ΜΠ: Ο κινητός σταθµός είναι συνδεδεµένος στον τοµέα ΜΠ και χρησιµο οιεί υ ηρεσίες του τοµέα αυτού. Παρόλα αυτά, υ άρχουν υ ηρεσίες κυκλώµατος ου αρέχονται στον τοµέα αυτό (βλέ ε VoIP). Λειτουργία ΜΚ: Ο κινητός σταθµός είναι συνδεδεµένος στον τοµέα ΜΚ και χρησιµο οιεί τις αντίστοιχες υ ηρεσίες κυκλώµατος. Η UMTS-IC κάρτα έχει τον ίδιο ρόλο µε την SIM κάρτα της τεχνολογίας GSM. ιαθέτει αρκετές λειτουργίες, µεταξύ των ο οίων: Υ οστήριξη εφαρµογής Στοιχείου Ταυτότητας Υ ηρεσίας Χρήστη (USIM) [ ροαιρετική λειτουργία] Υ οστήριξη ενός ή ερισσοτέρων ροφίλ χρήστη στο USIM Ενηµέρωση USIM ειδικών ληροφοριών εναέρια Λειτουργίες ασφαλείας Πιστο οίηση στοιχείων χρήστη Προαιρετικά συµ εριλαµβάνει µεθόδους ληρωµής Προαιρετική δυνατότητα ασφαλούς downloading νέων εφαρµογών 41

42 2.7 ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ ΤΡΙΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣ Η διαδικασία ορισµού του φάσµατος συχνότητας για την ε έκταση των νέων ράδιο συστηµάτων είχε διάρκεια ολλών ετών. Το 1992 το Παγκόσµιο Συνέδριο Τηλε ικοινωνιών (WARC-World Administrative Radio Conference) διέθεσε 230 MHZ του φάσµατος για την εφαρµογή ενός ενιαίου και αγκόσµιου 3G συστήµατος (ή FLPMTS-Future Land Public Mobile Telecommunication System ό ως ήταν ως τότε γνωστό) α ό το έτος Η κατανοµή χωρίστηκε στις ζώνες συχνοτήτων MHZ και MHZ, µέσα στις ο οίες οι υ οζώνες MHZ και MHZ αφορούν τις δορυφορικές ζεύξεις και το υ όλοι ο τις ε ίγειες. Σύµφωνα µε το WARC-92 για τις συχνότητες του IMT-2000 έχουµε: "το εύρος συχνοτήτων MHz και MHz σχεδιάστηκε να χρησιµο οιηθεί σε αγκόσµια βάση α ό διοικήσεις έτσι ώστε να υλο οιήσουν το IMT (International Mobile Telecommunications-2000). Αυτή η χρήση δεν εµ οδίζει την χρήση αυτών των συχνοτήτων α ό άλλες υ ηρεσίες στις ο οίες έχουν ανατεθεί". Στην Ευρώ η, η Ευρω αϊκή Ε ιτρο ή Ραδιοε ικοινωνιών (ERC-European Radiocommunications Commitee) της Ευρω αϊκής Ε ιτρο ής Ταχυδροµικών και Τηλε ικοινωνιακών Υ ηρεσιών (CEPT- Conference of Postal and Telecommunications Administrations) είναι αρµόδια για την κατανοµή των ραδιοσυχνοτήτων. Η α όφαση ERC/DEC/(97) 07 του CEPT διευκρίνιζε ότι τα 155 MHZ του φάσµατος θα διατεθούν για τις ε ίγειες ζεύξεις των συστηµάτων 3G. Τα 155 MHZ είναι χωρισµένα στο paired-band (2 60 MHZ) για frequency division duplex (FDD) λειτουργία και στο unpaired-band (20 MHZ και 15 MHZ κατανοµή) για την time division duplex (TDD) λειτουργία ό ου ένας φορέας µετασχηµατίζεται στο χρόνο (switched in time) µεταξύ uplink και downlink µεταδόσεων. 42

43 Στην συνδιάσκεψη WARC-92 α οφασίστηκε η εξής κατανοµή συχνοτήτων Εικόνα 2.6 Η κατανοµή συχνοτήτων Το 2000 στην Κωνσταντινού ολη έγινε η συνδιάσκεψη WARC-2000 ου κατέληξε στην εξής «χάρτα συχνοτήτων»: Εικόνα 2.7 Η «χάρτα συχνοτήτων» 43

44 Οι συχνότητες του συστήµατος UMTS έχουν ιο συγκεκριµένα ως εξής: and MHz Frequency Division Duplex (FDD, W-CDMA) Paired uplink and downlink, channel spacing is 5 MHz and raster is 200 khz. An Operator needs 3-4 channels (2x15 MHz or 2x20 MHz) to be able to build a high-speed, high-capacity network and MHz Time Division Duplex (TDD, TD/CDMA) Unpaired, channel spacing is 5 MHz and raster is 200 khz. Tx and Rx are not separated in frequency and MHz Satellite uplink and downlink. Οι συχνότητες φορέα ροσδιορίζονται α ό τον UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number (UARFCN), o ο οίος σχετίζεται µε τη συχνότητα µε τον αρακάτω τύ ο: UARFCN = 5 * (frequency in MHz) Α ό τη σύσταση TS έχουµε τα εξής: Για τις ζώνες συχνοτήτων UTRA FDD ιαχωρισµός Συχνοτήτων Ποµ ού έκτη Προσδιορισµός UARFCN 44

45 Προσδιορισµός UARFCN (Ε ι λέον κανάλια Ζώνης ΙΙ) UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number 2.8 WCDMA Link Budget O σχεδιασµός του link budget είναι µέρος της διαδικασίας σχεδιασµού του δικτύου, ου βοηθά στον ροσδιορισµό της α αιτούµενης κάλυψης, χωρητικότητας και οιότητας υ ηρεσιών στο δίκτυο. Η κάλυψη των µακροκυττάρων της τεχνικής WCDMA για το δίκτυο UMTS είναι φραγµένη στην άνω ζεύξη, γιατί το ε ί εδο ισχύος των κινητών είναι εριορισµένο στα 125 mw (τερµατικό φωνής). Η φραγή στην κάτω ζεύξη αφορά στην διαθέσιµη χωρητικότητα του κυττάρου, αφού η ισχύς µετάδοσης του Ποµ οδέκτη Σταθµού Βάσης (BTS) [συνήθως W] ρέ ει να µοιραστεί σε όλους τους χρήστες. Σε εριβάλλον δικτύου, τόσο η κάλυψη όσο και η χωρητικότητα συνδέονται µε την αρεµβολή. Με βελτίωση λοι όν του ενός άκρου της σχέσης, ροκύ τει ε ιδείνωση στο άλλο άκρο. Το σύστηµα σχεδιάζεται σε χαλαρή ισορρο ία. Ο σκο ός του υ ολογισµού του link budget είναι να υ ολογιστεί το µέγιστο µέγεθος κυττάρου για συγκεκριµένα δεδοµένα: Τύ ος υ ηρεσίας (τύ ος δεδοµένων και ταχύτητα) Τύ ος εριβάλλοντος (έδαφος, αρεµβολή κτιρίων) Συµ εριφορά και τύ ος κινητής συσκευής (ταχύτητα, µέγιστο ε ί εδο ισχύος) 45

46 Ρυθµίσεις συστήµατος (Κεραίες και ισχύς οµ οδεκτών Σταθµού Βάσης, α ώλειες καλωδίων, κέρδος µεταγωγής) Πιθανότητα α αιτούµενης κάλυψης Οικονοµικοί αράγοντες Σε µία αστική εριοχή, η χωρητικότητα θα είναι ο εριοριστικός αράγοντας, καθώς τα εσωτερικά αστικά κύτταρα θα διαστασιο οιηθούν α ό τα α αιτούµενα Erlangs/km² για φωνή και δεδοµένα. Ακόµα και αν δεχόµασταν ως α ώλεια αρεµβολής ανάµεσα στα κτίρια τα 25 db, στις εριοχές µε υκνή κτιριακή αρουσία, το link budget θα ε έτρε ε κύτταρα διαστάσεων γύρω στα 300 µέτρα, νούµερο υ ερβολικά υψηλό α ό λευράς χωρητικότητας. Σε µία αγροτική εριοχή, το budget ισχύος της άνω ζεύξης θα καθορίσει το µέγιστο εύρος των κυττάρων, όταν τα κύτταρα είναι κατά µέσο όρο λιγότερο συµφορηµένα. Ένα σύνηθες εύρος κυττάρων σε µία αγροτική εριοχή φτάνει µέχρι λίγα χιλιόµετρα, ανάλογα βέβαια και µε τη δοµή του εδάφους. Στη συνέχεια αρατίθεται ένα αράδειγµα υ ολογισµού του link budget ενός WCDMA φωνής. Ορισµένες αράµετροι, ανάµεσα στις ο οίες και το ε ιλεγµένο µοντέλο διάδοσης ράδιο-σήµατος, µ ορούν να έχουν ολλές διαφορετικές ε ιλογές, αλλά µέσω αυτής της συγκεκριµένης ερί τωσης µ ορούν να βγουν κά οια γενικότερα συµ εράσµατα για αυτή τη διαδικασία. 46

47 2.9 UTRA ΚΑΝΑΛΙΑ ΟΜΗ ΠΟΛΥΠΛΕΞΗΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Η UTRA FDD ασύρµατη διε αφή έχει λογικά κανάλια, τα ο οία χαρτογραφούνται σε κανάλια µεταφοράς, ου µε τη σειρά τους χαρτογραφούνται σε φυσικά κανάλια. Η µετατρο ή λογικών καναλιών σε κανάλια µεταφοράς συντελείται στο στρώµα Ελέγχου Πρόσβασης Μέσου (Medium Access Control MAC), ου είναι υ όστρωµα στο στρώµα ζεύξης δεδοµένων (στρώµα 2 κατά OSI/ISO). Αναλυτικότερα, έχουµε τα εξής κανάλια: Logical Channels: Broadcast Control Channel (BCCH), Downlink (DL) Paging Control Channel (PCCH), DL Dedicated Control Channel (DCCH), UL/DL Common Control Channel (CCCH), UL/DL Dedicated Traffic Channel (DTCH), UL/DL Common Traffic Channel (CTCH), Unidirectional (one to many) Transport Channels: Dedicated Transport Channel (DCH), UL/DL, mapped to DCCH and DTCH Broadcast Channel (BCH), DL, mapped to BCCH Forward Access Channel (FACH), DL, mapped to BCCH, CCCH, CTCH, DCCH and DTCH Paging Channel (PCH), DL, mapped to PCCH Random Access Channel (RACH), UL, mapped to CCCH, DCCH and DTCH Uplink Common Packet Channel (CPCH), UL, mapped to DCCH and DTCH Downlink Shared Channel (DSCH), DL, mapped to DCCH and DTCH Physical Channels: Primary Common Control Physical Channel (PCCPCH), mapped to BCH Secondary Common Control Physical Channel (SCCPCH), mapped to FACH, PCH Physical Random Access Channel (PRACH), mapped to RACH Dedicated Physical Data Channel (DPDCH), mapped to DCH Dedicated Physical Control Channel (DPCCH), mapped to DCH Physical Downlink Shared Channel (PDSCH), mapped to DSCH Physical Common Packet Channel (PCPCH), mapped to CPCH Synchronisation Channel (SCH) Common Pilot Channel (CPICH) Acquisition Indicator Channel (AICH) Paging Indication Channel (PICH) 47

48 CPCH Status Indication Channel (CSICH) Collision Detection/Channel Assignment Indication Channel (CD/CA-ICH Εικόνα 2.8 Η ολύ λεξη καναλιού Η κρυ τογράφηση συντελείται στο στρώµα ελέγχου ράδιο-ζεύξης (RCL) ή στο MAC-d τµήµα του στρώµατος ζεύξης δεδοµένων. Ο αλγόριθµος f8 οδηγεί 5 εισόδους στην δηµιουργία ενός keystream block ου κρυ τογραφείται µε δυαδική ρόσθεση σε ένα στρώµα δεδοµένων. Η κωδικο οίηση καναλιού διαχωρίζει τις διαφορετικές συνδέσεις κάτω ζεύξης ρος του χρήστες ενός κυττάρου. Στην κατεύθυνση της άνω ζεύξης, η κωδικο οίηση καναλιού χρησιµο οιείται για διαχωρισµό των φυσικών δεδοµένων και των καναλιών ελέγχου. Για χαµηλούς ρυθµούς µετάδοσης χρησιµο οιείται συνελικτική κωδικο οίηση ηµίσεως ρυθµού ή 1/3 ρυθµού, ενώ για υψηλότερα bit rates χρησιµο οιείται turbo κωδικο οίηση. Η διαδικασία του Rate Matching είναι µία δυναµική διεργασία ου συντελείται λαίσιο- ρος- λαίσιο, είτε µε puncturing είτε µε ε ανάληψη του στρώµατος δεδοµένων. Τo interleaving ραγµατο οιείται σε δύο στάδια (inter-frame, intra-frame). 48

49 Στο γράφηµα ου ακολουθεί δίνεται ένα αράδειγµα κωδικο οίησης καναλιού, για ερί τωση άνω ζεύξης και για τα κανάλια DTCH, DCCH. Εικόνα 2.9 Παράδειγµα κωδικο οίησης Στη συνέχεια δίνεται ένα ενδεικτικό γράφηµα για τη δοµή ολύ λεξης καναλιού για την ερί τωση της κάτω ζεύξης. Για την άνω ζεύξη ισχύει µία αντίστοιχη αρόµοια διαδικασία. 49

50 Εικόνα 2.10 οµή ολύ λεξης καναλιού 50

51 2.10 ΜΕΤΑΓΩΓΗ HANDOVER Εξ ορισµού, η µεταγωγή (handover ή handoff) είναι η µεταφορά της σύνδεσης του χρήστη α ό έναν ράδιο-δίαυλο σε έναν άλλο. Αυτός ο ορισµός διαµορφώθηκε ριν α ό την εµφάνιση του UMTS. Όταν το UMTS εµφανίστηκε αυτός ο ορισµός δεν ίσχυε λέον. Για να µην υ άρχουν ροβλήµατα στην ορολογία, ο όρος handover διατηρήθηκε όµως ροστέθηκαν και νέοι όροι ό ως σκληρή, µαλακή και µαλακότερη µεταγωγή. Ο κύριος σκο ός της µεταγωγής είναι να διατηρηθεί µια τρέχουσα κλήση. Καθώς ο χρήστης κινείται σε µια γεωγραφική εριοχή, αλλάζει διαδοχικά κύτταρα, τα ο οία έχουν την ευθύνη της α οκατάστασης και της συνέχειας των κλήσεων. Ε ι λέον ε ειδή τα γειτονικά κύτταρα λειτουργούν σε διαφορετικά σύνολα συχνοτήτων, κατά τη µετάβαση του χρηστή α ό το ένα κύτταρο στο άλλο, είναι α αραίτητη και η αλλαγή συχνότητας στην ο οία ραγµατο οιείται η κλήση χωρίς φυσικά αυτό να γίνεται αντιλη τό α ό τον συνδροµητή. Ο όρος Γνήσια Μεταγωγή αναφέρεται στην ερί τωση ου η ένταση του λαµβανόµενου σήµατος είναι ολύ χαµηλή και υ άρχει κίνδυνος διακο ής της ε ικοινωνίας ενώ η Κατευθυνόµενη Μεταγωγή ραγµατο οιείται για να ε ιτευχθεί ισόρρο η κατανοµή του ε ικοινωνιακού φορτίου. Μια ακόµη ερί τωση είναι η µετάβαση του χρήστη σε ένα άλλο ψηφιακό κέντρο κινητής τηλεφωνίας ( εριαγωγή), αλλά και η ερί τωση µετάβασης α ό ένα σύστηµα (.χ. UMTS) σε ένα άλλο (.χ. GSM/GPRS). Είναι σηµαντικό να τονιστεί ότι οι διαδικασίες αυτές τίθενται σε εφαρµογή µόνο όταν η κλήση βρίσκεται σε εξέλιξη ΤΥΠΟΙ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ιακρίνονται οι αρακάτω τύ οι µεταγωγής: Softer Handover Soft Handover Intra-frequency hard handover Inter-frequency hard handover 51

52 Εικόνα 2.11 Μεταγωγή Softer Σε αυτήν την ερί τωση ο εξο λισµός χρήστη (UE) συνδυάζει ερισσότερες α ό µια ράδιο-συνδέσεις για να βελτιώσει την οιότητα λήψης. Α ό την άλλη µεριά ο κόµβος Β (Node B) συνδυάζει τα δεδοµένα α ό ερισσότερα α ό ένα κύτταρα για να αρέχει στον συνδροµητή την καλύτερη δυνατή οιότητα. Το RRC Protocol της 3GPP διευκρινίζει ότι ο µέγιστος αριθµός ράδιο-συνδέσεων ου µ ορεί να υ οστηρίξει ταυτόχρονα ο εξο λισµός χρήστη είναι 8. Στην ράξη αυτό εριορίζεται σε 4. Γενικά η σύνδεση RRC γίνεται άντα σε ένα κύτταρο. Το δίκτυο αρχίζει µετρήσεις ου ελέγχουν εάν υ άρχουν άλλα κύτταρα, µε τα ο οία ο UE µ ορεί να συνδεθεί ταυτόχρονα, για να βελτιωθεί η οιότητα µετάδοσης των δεδοµένων µεταξύ του RNC και του UE. Όταν βρεθεί το κατάλληλο κύτταρο ενεργο οιείται η διαδικασία Active Set Update µε την ο οία το δίκτυο ροσθέτει ή αφαιρεί ράδιο-ζεύξεις στον εξο λισµό του χρήστη. Η µόνη α αίτηση είναι ότι α ό την αρχή µέχρι το τέλος αυτής της διαδικασίας ανα ροσαρµογών, µια ράδιο-ζεύξη ρέ ει να αραµείνει κοινή. Η µαλακότερη µεταγωγή είναι µια ειδική ερί τωση της µαλακής µεταγωγής ου ακολουθεί. Soft Η µαλακή µεταγωγή είναι ίδια µε την µαλακότερη µεταγωγή µόνο ου σε αυτήν την ερί τωση τα κύτταρα ανήκουν σε ερισσότερους α ό έναν κόµβους Β. Σε αυτήν την ερί τωση ο συνδυασµός γίνεται στο RNC. Είναι ε ίσης δυνατό να υ άρξουν ταυτόχρονα η µαλακή και µαλακότερη µεταγωγή. Μια ιο ερί λοκη µαλακή µεταγωγή θα εριλάµβανε ένα κύτταρο ου ανήκει σε έναν κόµβο Β σε διαφορετικό RNC. Σε αυτήν την ερί τωση γίνεται µια σύνδεση Iur µε το RNC (RNC 2) και τα στοιχεία θα µεταφέρονταν στο RNC (RNC 1) µέσω της σύνδεσης Iur. Σε ένα τυ ικό σύστηµα UMTS, ο εξο λισµός χρήστη είναι σε µαλακή/µαλακότερη µεταγωγή για το 50% του χρόνου ερί ου. Μια α ό τις σηµαντικότερες α αιτήσεις για τη µαλακή/µαλακότερη µεταγωγή είναι ότι τα λαίσια α ό τα διαφορετικά κύτταρα ρέ ει να έχουν µια διαφορά 50ms µεταξύ τους. Ένα εξίσου σηµαντικό στοιχείο είναι ότι η µαλακή/µαλακότερη µεταγωγή αρχίζει α ό το RNC και το δίκτυο κορµού δεν εριλαµβάνεται σε αυτήν την διαδικασία. 52

53 Hard Η σκληρή µεταγωγή εµφανίζεται όταν όλες οι αλιές ράδιο-ζεύξεις καταργούνται ριν α οκατασταθούν οι νέες, στον εξο λισµό του χρήστη. Υ άρχουν δύο τύ οι σκληρής µεταγωγής: η Intra-Frequence και η Inter- Frequence σκληρή µεταγωγή η ο οία α αιτεί αλλαγή της συχνότητας του φορέα. Η Intra-Frequence hard handover δεν εµφανίζεται στο σύστηµα FDD αλλά µόνο στο TDD σύστηµα. Σε αυτήν την ερί τωση ο κώδικας ου χρησιµο οιείται για συγχρονισµό και για scrambling αλλάζει αλλά η συχνότητα αραµένει η ίδια. Ο δεύτερος τύ ος σκληρής µεταγωγής εµφανίζεται γενικά όταν υ άρχει ιεραρχία στα κύτταρα. Σε αυτήν την ερί τωση η συχνότητα στην ο οία ο UE λειτουργεί αλλάζει. Αυτό συµβαίνει όταν για αράδειγµα ένα κύτταρο είναι κορεσµένο. Το δίκτυο κορµού δεν συµµετέχει ούτε σε αυτήν την διαδικασία ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΣΤΟ UMTS Γενικά µ ορούµε να διακρίνουµε την intra-cell και την inter-cell µεταγωγή. Για το δίκτυο UMTS µ ορούν να ροσδιοριστούν οι αρακάτω τύ οι µεταγωγής: Μεταγωγή 3G -3G FDD µαλακή/µαλακότερη µεταγωγή FDD inter-frequency σκληρή µεταγωγή FDD/TDD µεταγωγή (αλλαγή κυττάρου) TDD/FDD µεταγωγή (αλλαγή κυττάρου) TDD/TDD µεταγωγή Μεταγωγή 3G - 2G Μεταγωγή 2G 3G Ο ιο ροφανής λόγος για ραγµατο οίηση µεταγωγής είναι η µετακίνηση ενός χρήστη σε ένα νέο κύτταρο, και η εξυ ηρέτησή του α ό ένα δι λανό κύτταρο για λόγους α όδοσης (χαµηλότερη ισχύς, λιγότερη αρεµβολή). Μ ορεί όµως να συµβαίνει και για άλλους λόγους, ό ως.χ. έλεγχος φορτίου συστήµατος ΟΚΙΜΕΣ Ένα βασικό βήµα στην εισαγωγή της τεχνολογίας UMTS είναι η ανά τυξη των «demonstrators» τεχνολογίας. Αυτοί εξυ ηρετούν διάφορες λειτουργίες: 53

54 ό ως η καθιέρωση εννοιών τεχνολογίας, α οτελέσµατα µετρήσεων, εµ ειρία χειριστών µιας νέας τεχνολογίας και αρέχουν τη χρήσιµη εισαγωγή στη διαδικασία τυ ο οίησης. Το ρόγραµµα ACTS FRAMES εκτός α ό το γεγονός ότι συνέβαλλε στη διαδικασία τυ ο οίησης ήταν ε ίσης αρµόδιο για την αραγωγή ενός demonstrator TDD βασισµένου στην αρχική ιδέα του ETSI Delta Group. Ένας demonstrator W-CDMA, ου ροήλθε κατά ένα µεγάλο µέρος α ό την έννοια της εναέριας διε αφής του ρογράµµατος CODIT, ανα τύχθηκε εσωτερικά α ό την Ericsson. Στην Ια ωνία, η NTT DoCoMo ήταν στην ρώτη γραµµή της ροώθησης της 3G έρευνας, και συνεργάστηκε στενά µε διάφορους κατασκευαστές ώστε να αξιολογήσει µια σειρά δοκιµαστικών συστηµάτων W-CDMA. Αυτές οι δοκιµές αξιολόγησης ε εκτάθηκαν στην τεχνολογία UTRA TDD. Ε ι λέον, η NTT DoCoMo έχει συνεργαστεί σε αρόµοιες δοκιµές µε διάφορους άλλους χειριστές έρα α ό την Ασία. Στην Ευρώ η, έγιναν ε ίσης διάφορες δοκιµές του UMTS ενώ η εµ ορική λειτουργία του UMTS άρχισε ερί ου το ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΙΚΤΥΟΥ UMTS Οι λειτουργίες ασφαλείας του UMTS βασίζονται στις αντίστοιχες υλο οιήσεις του GSM. Μερικές νέες ε ιλογές έχουν ροστεθεί ενώ ορισµένες α ό τις ήδη υ άρχουσες έχουν βελτιωθεί. Ο αλγόριθµος κρυ τογράφησης είναι βελτιωµένος και εριλαµβάνεται στη διε αφή Σταθµού Βάσης (Κόµβου- Β) και Ελεγκτή ράδιο-δικτύου (RNC), η εφαρµογή των αλγόριθµων ιστο οίησης στοιχείων είναι αυστηρότερη και το α όρρητο των στοιχείων συνδροµητή είναι ιο εδραιωµένο. Τα βασικά στοιχεία ασφαλείας ου διατηρήθηκαν α ό το δίκτυο GSM είναι: Πιστο οίηση στοιχείων συνδροµητών Εχεµύθεια ταυτότητας συνδροµητή Η κάρτα SIM είναι αφαιρέσιµη α ό το υλικό του τερµατικού κινητού Κρυ τογράφηση ασύρµατης διε αφής Στις ε ι ρόσθετες ε ιλογές ασφαλείας του δικτύου UMTS συγκαταλέγονται οι εξής: Ασφάλεια έναντι ψευδών Σταθµών Βάσης µε αµοιβαία ιστο οίηση Η κρυ τογράφηση στην εναέρια διε αφή εριλαµβάνει µόνο τη σύνδεση Κόµβου-Β και Ελεγκτή Ράδιο-δικτύου Μηχανισµοί για αναβάθµιση ε ιλογών ασφαλείας 54

55 Οι συστάσεις του δικτύου UMTS κατηγοριο οιούν τις ε ιλογές ασφαλείας στις εξής 5 οµάδες: Ασφάλεια ρόσβασης δικτύου: το σετ των ε ιλογών ασφαλείας ου αρέχει στους χρήστες ασφαλή ρόσβαση σε δίκτυα τρίτης γενιάς και ου ροστατεύει α ό ε ιθέσεις ενάντια στη ζεύξη ρόσβασης. Ασφάλεια τοµέα δικτύου: το σετ των ε ιλογών ασφαλείας ου ε ιτρέ ει στους κόµβους του τοµέα αρόχου να ανταλλάσουν σηµατοδοσία µε ασφάλεια, και ροστατεύουν α ό ε ιθέσεις ενάντια στο wireline δίκτυο. Ασφάλεια τοµέα χρήστη: το σετ των ε ιλογών ασφαλείας ου καθιστούν ασφαλή την ρόσβαση στους κινητούς σταθµούς. Ασφάλεια τοµέα εφαρµογών: το σετ των ε ιλογών ασφαλείας ου ε ιτρέ ουν στις εφαρµογές στον τοµέα χρήστη και στον τοµέα αρόχου να ανταλλάσουν µηνύµατα µε ασφάλεια. Ορατότητα και δυνατότητα ρύθµισης ασφάλειας: το σετ των ε ιλογών ου ε ιτρέ ουν στο χρήστη να ενηµερώνεται για το ότε µία ε ιλογή ασφαλείας είναι σε λειτουργία ή όχι, και αν η χρήση ή όχι των υ ηρεσιών ρέ ει να εξαρτάται α ό τις αντίστοιχες ε ιλογές ασφαλείας. Το δίκτυο UMTS διαθέτει τις εξής ε ιλογές ασφαλείας για την διατήρηση της εχεµύθειας σχετικά µε τα στοιχεία ενός ιστο οιηµένου συνδροµητή: Εχεµύθεια ταυτότητας χρήστη η ροστασία της µόνιµης ταυτότητας χρήστη ενός συνδροµητή στον ο οίον αρέχονται υ ηρεσίες, α ό εξακρίβωση µέσω της ζεύξης ασύρµατης ρόσβασης. Εχεµύθεια το οθεσίας χρήστη η ροστασία ενάντια στον εντο ισµό ενός χρήστη µέσω της ζεύξης ασύρµατης ρόσβασης. Αδυναµία εντο ισµού του ίχνους ενός χρήστη η αδυναµία ενός «εισβολέα» στη ζεύξη ασύρµατης ρόσβασης να εντο ίσει όσες και οιες διαφορετικές υ ηρεσίες αρέχονται σε έναν χρήστη ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Οι υ ηρεσίες όµως ου ροσφέρει η 3G τεχνολογία στους τελικούς χρήστες είναι ου έκαναν το UMTS µια τέτοια συναρ αστική ροο τική! Είναι σηµαντικό εδώ να γίνει µια διάκριση µεταξύ των 3G δικτύων και των 3G υ ηρεσιών. Οι 3G υ ηρεσίες µ ορούν να χαρακτηριστούν ως 55

56 δεδοµενοκεντρικές υ ηρεσίες ου αρέχουν εφαρµογές ολυµέσων στο χρήστη, ό ως η αράδοση των µηνυµάτων, η µουσική, οι εικόνες και το video ραγµατικού χρόνου, σε σύγκριση µε τις υ ηρεσίες φωνής ου ροσφέρονται α ό τα κυψελοειδή δίκτυα ρώτης και δεύτερης γενιάς. Ένας βασικός οδηγός για αυτές τις υ ηρεσίες είναι ροφανώς το ιαδίκτυο, η αύξηση και η α οδοχή του ο οίου είναι ραγδαίες κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών. Η αύξηση όµως της αγοράς κινητής τηλεφωνίας ήταν ε ίσης θεαµατική. Στην ραγµατικότητα τα κινητά τηλέφωνα είναι ερισσότερα α ό τους υ ολογιστές. Το UMTS ε οµένως όχι µόνο συνδυάζει τη γρήγορη ρόσβαση στο ιαδίκτυο αλλά αυξάνει τον αριθµό ιθανών χρηστών του Ίντερνετ. Πιο συγκεκριµένα στο UMTS αρέχονται τόσο connection-oriented όσο και connectionless υ ηρεσίες για point-to-point και point-to-multipoint ε ικοινωνία. Οι υ ηρεσίες µεταφοράς διαθέτουν διαφορετικές αραµέτρους QoS για µέγιστη καθυστέρηση µεταφοράς, α όκλιση καθυστέρησης και BER. Οι ροσφερόµενοι ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων είναι: 144 kbps για δορυφορικές ε ικοινωνίες και αγροτικές εριοχές 384 kbps για αστικές εριοχές 2048 kbps για ε ικοινωνίες εσωτερικού χώρου και ε ικοινωνίες εξωτερικού χώρου µικρής εµβέλειας Οι υ ηρεσίες δικτύου της τεχνολογίας UMTS διαθέτουν διαφορετικές τάξεις QoS για τους 4 τύ ους κίνησης: Conversational class (voice, video telephony, video gaming) Streaming class (multimedia, video on demand, webcast) Interactive class (web browsing, network gaming, database access) Background class ( , SMS, downloading) H τεχνολογία UMTS διαθέτει ε ίσης ένα Εικονικό Οικείο Περιβάλλον (VHE - Virtual Home Environment). Είναι µία έννοια για τη φορητότητα του εριβάλλοντος ροσω ικών ε ικοινωνιών στα όρια του δικτύου και ανάµεσα στα τερµατικά. Ο όρος εριβάλλον ροσω ικών ε ικοινωνιών χρησιµο οιείται για να δηλώσει ότι οι χρήστες διαθέτουν ανά άσα στιγµή τις ροσω ικά ρυθµισµένες ε ιλογές τους, τη δυνατότητα διαµόρφωσης της διε αφής χρήστη και διαθεσιµότητα υ ηρεσιών σε ο οιοδή οτε δίκτυο ή τερµατικό, ο ουδή οτε και αν βρίσκονται. Το UMTS εριλαµβάνει ε ι λέον την ικανότητα ροσδιορισµού θέσης α ό το δίκτυο ενός χρήστη µέσα σε 125 µ..αυτή η γνώση της θέσης ε ιτρέ ει την ενηµέρωση του χρήστη µε ληροφορίες σχετικά µε το ικούς κινηµατογράφους, νοσοκοµεία, δροµολόγια ενώ οι τουρίστες ωφελούνται α ό την ρόσβαση σε ληροφορίες ό ως τα κοντινότερα ξενοδοχεία, η διαθεσιµότητα δωµατίων και οι τιµές. Πριν α ό την ε έκταση του UMTS, οι 3G υ ηρεσίες αραδόθηκαν στα υ άρχοντα 2G δίκτυα. Τεχνολογίες ό ως το GPRS(General Packet Radio 56

57 Service), το HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) και το EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) ου ε εκτείνανε την ικανότητα του GSM αρείχαν στους φορείς εκµετάλλευσης δικτύου την ικανότητα να αρχίσει το ξεδί λωµα ενός ευρύτερου φάσµατος υ ηρεσιών δεδοµένων. Η φύση του ίδιου του κινητού τηλεφώνου είχε τεθεί ως στόχος να αλλάξει: οι high-end συσκευές έγιναν λατφόρµες ολυσύνθετων δεδοµένων ου συνδυάζουν τις λειτουργίες ενός τηλεφώνου µε εκείνες ενός ροσω ικού organizer. Και αυτό ήταν µόνο η αρχή! Ψηφιακές φωτογραφικές µηχανές, µεγαλύτερες οθόνες, music και video players καθώς και δέκτες GPS είναι µερικές α ό τις λειτουργίες ου ενσωµατώθηκαν άνω σε µία και µόνο συσκευή. Τα αρα άνω αρέχουν στο χρήστη την ρόσβαση ου θέλει σε κάθε λειτουργία χωριστά αλλά και τη δυνατότητα χρήσης υ ηρεσιών ολυµέσων ου συνδυάζουν την οµιλία, τα δεδοµένα και το βίντεο. Οι 3G υ ηρεσίες βοήθησαν ε ίσης στην διαφορο οίηση µεταξύ των δικτύων. Μέχρι τώρα όλα τα δίκτυα αρείχαν τις ίδιες βασικές υ ηρεσίες και διαφορο οιούνταν στις τιµές και την κάλυψη. Εντούτοις, στο νέο 3G κόσµο, τα δίκτυα διαφορο οιούνται α ό το εριεχόµενο των ληροφοριών ου µ ορούν να αρέχουν. Αν και η αράδοση ληροφοριών είναι ο βασικός οδηγός στην υιοθέτηση των 3G υ ηρεσιών, οι εφαρµογές και οι υ ηρεσίες ου ανα τύχθηκαν και συνεχίζουν να ανα τύσσονται είναι µέσα στους ακόλουθους τοµείς: ηλεκτρονικό εµ όριο, τηλεϊατρική, ασφάλεια και interactive αιχνίδια. Η σειρά των 3G υ ηρεσιών θα εριοριστεί ραγµατικά µόνο α ό τη φαντασία του φορέα αροχής υ ηρεσιών! 2.14 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το UMTS µ ορεί να συνοψιστεί ως ε ανάσταση της εναέριας διε αφής ου συνοδεύεται α ό µια εξέλιξη του δικτύου κορµού. Το handover και η backward compatibility µε το GSM εξασφαλίζουν ότι και οι δύο τεχνολογίες θα συνυ άρξουν για ολλά έτη. Το UMTS Forum ροβλέ ει ότι ο αριθµός χρηστών κινητών τηλεφώνων θα αυξηθεί σε 1800 εκατοµµύρια αγκοσµίως κατά το έτος Το UMTS θα είναι η τεχνολογία ου θα τροφοδοτεί αυτήν την ανά τυξη και θα αρέχει ένα µεγάλο εύρος υ ηρεσιών multimedia σε ολλούς νέους χρήστες. 57

58 Κεφάλαιο 3 Εισαγωγή Η µετάδοση του σήµατος σε ανοιχτό χώρο και οι αράγοντες ου ε ηρεάζουν το ασύρµατο κανάλι είναι ουσιαστικής σηµασίας για την ανά τυξη ενός µοντέλου διάδοσης των τηλε ικοινωνιακών συστηµάτων. Εδώ διερευνώνται τα τέσσερα ε ιµέρους ε ί εδα του ασύρµατου καναλιού και γίνεται αναφορά στους αράγοντες ου δρουν σε αυτά. 3.1 ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΑΝΟΙΧΤΟ ΧΩΡΟ Ένα σύστηµα ε ικοινωνίας ουσιαστικά χαρακτηρίζεται α ό το µέσο το ο οίο χρησιµο οιείται. Το µέσο, ου µ ορεί να είναι µια ο τική ίνα, ο σκληρός δίσκος ενός υ ολογιστή ή µια ασύρµατη ζεύξη καλείται κανάλι ε ικοινωνίας. Υ άρχει γενικά µια µεγάλη γκάµα καναλιών τα ο οία µ ορούν να διαχωριστούν σε δυο µεγάλες κατηγορίες. Στην ερί τωση ου υ άρχει µια στερεή σύνδεση (solid connection) µεταξύ του οµ ού και του δέκτη το κανάλι είναι ενσύρµατο. Αν αυτή η στερεή σύνδεση α ουσιάζει τότε το κανάλι ονοµάζεται ασύρµατο κανάλι. Τα ασύρµατα κανάλια διαφέρουν κατά ολύ α ό τις ενσύρµατες συνδέσεις εξ αιτίας της ακαθόριστης συµ εριφοράς ου µ ορεί να έχουν και των αλλαγών ου µ ορεί να ροκύψουν σε αυτά σε µικρό χρονικό διάστηµα. Αυτή η τυχαία και δραστική συµ εριφορά του ασύρµατου καναλιού είναι ου κάνει την ε ικοινωνία µέσα α ό αυτό ολύ ιδιαίτερη. Στα ασύρµατα κανάλια µ ορεί να γίνει ένας ε ι λέον διαχωρισµός µε βάση το εριβάλλον µετάδοσης µέσα στο ο οίο γίνεται η ε ικοινωνία. Αστικό, ηµιαστικό, υ οβρύχιο ή εριβάλλον εσωτερικού χώρου είναι α λά µερικές ερι τώσεις. Υ άρχουν διάφοροι αράγοντες ου µ ορεί να ε ηρεάσουν ένα ασύρµατο κανάλι ε ικοινωνίας και η γνώση αυτών είναι α αραίτητη για το σχεδιασµό και την αραµετρο οίηση µοντέλων ασύρµατης µετάδοσης αλλά και ρωτοκόλλων ε ικοινωνίας. 58

59 εν είναι άντοτε ξεκάθαρο τι είναι ένα ασύρµατο κανάλι σε ένα σύστηµα ε ικοινωνιών καθώς υ άρχουν διάφορες ερι τώσεις α οστολής και λήψης του σήµατος. Ωστόσο ένα ασύρµατο κανάλι µ ορεί να διαχωριστεί σε τέσσερα ε ιµέρους ε ί εδα. Η εικόνα ου ακολουθεί είναι χαρακτηριστική. Εικόνα 3.1 Οι διαβαθµίσεις του ασύρµατου καναλιού Το κανάλι διάδοσης (propagation channel) είναι ουσιαστικά το φυσικό µέσο ου βρίσκεται µεταξύ της κεραίας του οµ ού και της κεραίας του δέκτη και ε ηρεάζεται µόνο α ό φαινόµενα ου ε ηρεάζουν τη διάδοση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων. Είναι σχεδόν άντα γραµµικό και αµφίδροµο και τα φαινόµενα ου λαµβάνουν χώρα σε αυτό ε ιδρούν στην εξασθένηση του µεταδιδόµενου σήµατος. Το µεταδιδόµενο σήµα σε αυτό το ε ί εδο α οτελείται α ό την µεταδιδόµενη ληροφορία µε διαµορφωµένο φορέα. Ο ράδιο-δίαυλος (radio channel) α οτελείται α ό το κανάλι µετάδοσης και τις κεραίες οµ ού και δέκτη. Όσο οι δυο κεραίες είναι γραµµικές, διµερής και αθητικές, τόσο το κανάλι είναι γραµµικό και αµφίδροµο. Η εξασθένηση του σήµατος εριλαµβάνει την εξασθένηση ου αυτό δέχεται στο κανάλι διάδοσης αλλά και την εξασθένηση ου αυτό µ ορεί να δέχεται α ό τις κεραίες. Το σήµα είναι ίδιο µε το σήµα στο κανάλι διάδοσης ωστόσο µ ορεί να διαφέρει λόγω της χρήσης των κεραιών. Το κανάλι διαµόρφωσης (modulation channel) είναι ένα ε ί εδο άνω α ό το radio channel ο ότε εκτός α ό αυτό εριλαµβάνει και όλα τα στοιχεία του συστήµατος (ό ως ενισχυτές και άλλα κυκλώµατα) µέχρι την έξοδο του διαµορφωτή α ό την λευρά του οµ ού και µέχρι την 59

60 είσοδο του α οδιαµορφωτή α ό την λευρά του δέκτη. Το αν το σύστηµα είναι γραµµικό εξαρτάται α ό τη συµ εριφορά αυτών των στοιχείων. Το κανάλι αυτό δεν είναι αµφίδροµο και εξαιτίας της ενίσχυσης ου δέχεται το σήµα σε αυτό το σηµείο, κάνουν την εµφάνισή τους φαινόµενα ό ως ο Θόρυβος και οι Παρεµβολές. Το σήµα α οτελείται α ό τα σύµβολα της βασικής ζώνης (base band symbols) µε διαµορφωµένο φορέα. Το ψηφιακό κανάλι (digital channel) εριλαµβάνει το κανάλι διαµόρφωσης καθώς και τον διαµορφωτή και τον α οδιαµορφωτή, και συσχετίζει το ψηφιακό σήµα στον οµ ό µε το ψηφιακό σήµα στον δέκτη. Το κανάλι αυτό δεν είναι ούτε γραµµικό ούτε αµφίδροµο και δεν υ εισέρχονται σε αυτό νέα φαινόµενα. Το σήµα εδώ «µεταφράζεται» σε συρµό α ό bits και σε ερί τωση ου το σήµα έχει υ οστεί αλλοιώσεις στα ροηγούµενα ε ί εδα, η αλλοίωση αυτή ε ιδρά και στην ψηφιοσειρά. Η είσοδος σε αυτό το κανάλι είναι ακέτα α ό bits δεδοµένων. Τα bits οµαδο οιούνται (symbols) και µετατρέ ονται σε αναλογική ληροφορία. Το αναλογικό αυτό σήµα ερνά α ό τον διαµορφωτή ό ου γίνεται διαµόρφωση συχνότητας. Αν υ οθέσει κανείς ότι διαθέτει ιδανικές κεραίες το σήµα ερνά α ό το κανάλι µετάδοσης στον ράδιο-δίαυλο χωρίς καµιά µεταβολή. Ο ράδιοδίαυλος εξασθενεί το λαµβανόµενο σήµα κατά έναν χρονικά µεταβαλλόµενο αράγοντα a(t). Εξασθένηση υ άρχει και λόγω των ενισχυτών στο κανάλι διαµόρφωσης ό ου εµφανίζεται τυχαίος και χρονικά µεταβαλλόµενος ροσθετικός θόρυβος n(t), ο ο οίος ενισχύεται και αυτός. Κατά συνέ εια η ευθύνη εξαγωγής του χρήσιµου ληροφοριακού σήµατος εξαρτάται α ό τις µεθόδους ανίχνευσης σφαλµάτων στο ψηφιακό κανάλι. Εκτός α ό το θόρυβο ου άντα υ άρχει σε ένα σύστηµα ό ως το αρα άνω, είναι ιθανό ηλεκτροµαγνητικά κύµατα α ό άλλες τηλε ικοινωνιακές συσκευές να ε ηρεάζουν το µεταδιδόµενο σήµα. Το φαινόµενο ονοµάζεται Παρεµβολή και αίζει σηµαντικό ρόλο στη µετάδοση ενός σήµατος ό ως ο θόρυβος. Το αρεµβαλλόµενο σήµα j(t) είναι ε ίσης ακαθόριστο χρονικά. Το µαθηµατικό µοντέλο του λαµβανόµενου σήµατος y(t) ου ροκύ τει α ό το µεταδιδόµενο σήµα s(t) φαίνεται στην εικόνα. 60

61 Εικόνα 3.2 Το µαθηµατικό µοντέλο Σε ένα ψηφιακό σύστηµα κινητών ε ικοινωνιών υ άρχουν αράµετροι ου εξαρτώνται τόσο α ό την ισχύ του σήµατος y²(t) όσο και α ό την ισχύ του θορύβου n²(t) και της αρεµβολής j²(t). υο τέτοιες αράµετροι είναι η ιθανότητα σφάλµατος συµβόλων (symbol error probability - SEP) και η ιθανότητα σφάλµατος bit (bit error probability - BEP) ου σχετίζονται κυρίως µε το ψηφιακό κανάλι και η µεν SEP αφορά στο συρµό των symbols η δε BEP στο συρµό των bits. Ε ι λέον ένας σηµαντικός δείκτης για το σύστηµα είναι ο Λόγος Σήµατος- ρος-θόρυβο-και-παρεµβολή (Signal-to-Noise-and- Interference Ratio - SNIR). 3.2 RADIO CHANNEL Ό ως έχει ήδη αναφερθεί ο ράδιο-δίαυλος εισάγει στο λαµβανόµενο σήµα έναν ολλα λασιαστικό αράγοντα a(t). Αναλυτικότερα ο αράγοντας αυτός χωρίζεται σε τρία ε ιµέρους φαινόµενα ου ροκαλούν µια συνολική εξασθένιση στο σήµα. Το ρώτο α ό αυτά είναι οι Α ώλειες ιαδροµής ή αλλιώς path loss. Πρόκειται για ένα ντετερµινιστικό φαινόµενο ου εξαρτάται α οκλειστικά α ό την α όσταση µεταξύ οµ ού και δέκτη και αίζει σηµαντικό ρόλο σε χρονικά διαστήµατα της τάξης των δευτερολέ των ή των λε τών α ότι στα µικρότερα χρονικά διαστήµατα ό ου η α όσταση µεταξύ οµ ού και δεκτή δεν υφίσταται σηµαντικές µεταβολές. Το δεύτερο φαινόµενο είναι αυτό της Σκίασης ή αλλιώς shadowing και δεν είναι ντετερµινιστικό. Μεταβάλλεται στην ιδία κλίµακα χρόνου µε το path loss και ροκαλεί διακυµάνσεις στην ενέργεια του σήµατος στα σηµεία µε την ίδια α όσταση α ό τον οµ οδέκτη. Το τρίτο φαινόµενο είναι αυτό της Πολυόδευσης ή αλλιώς fading. Το fading είναι στοχαστικής φύσεως και ροκαλεί σηµαντική εξασθένηση ακόµη και σε µικρά χρονικά διαστήµατα της τάξης των milliseconds ή ακόµη και των microseconds. Το fading ροκαλείται άντα σε ένα ολυοδικό εριβάλλον διάδοσης λόγω των ολλα λών 61

62 αντιγράφων του µεταδιδόµενου ηλεκτροµαγνητικού κύµατος ου ροσ ί τουν στην κεραία του δέκτη. Τελικά η εξασθένηση ου υφίσταται το σήµα στο radio channel µ ορεί να δοθεί α ό τη σχέση: α t = α t α t α t (3.1) ( ) ( ) ( ) ( ) PL SH FA ό ου α(t) η εξασθένηση του σήµατος αpl(t) αράγοντας εξασθένησης του path loss αsh(t) αράγοντας εξασθένησης λόγω του shadowing αfa(t) αράγοντας εξασθένησης λόγω του fading Στη βιβλιογραφία το φαινόµενο της σκίασης, αναφέρεται ολλές φορές σαν slow fading, ενώ το fading αναφέρεται σαν fast fading PATH LOSS Το φαινόµενο ου ροκαλεί α ώλειες ενέργειας στο µεταδιδόµενο σήµα και εξαρτάται α ό την α όσταση και τη συχνότητα ονοµάζεται path loss. Το λαµβανόµενο σήµα y(t) είναι µια στοχαστική διαδικασία µε µέση ισχύ ου δίνεται α ό το y²(t). Εφόσον αναφερόµαστε στο radio channel δεν λαµβάνουµε υ οψιν µας σε αυτό το σηµείο τον θόρυβο και ε οµένως y( t) = α ( t) s( t) (3.2) ό ου y(t) το λαµβανόµενο σήµα α(t) η εξασθένηση του σήµατος s(t) το µεταδιδόµενο σήµα Η ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος είναι P0 = y ( t) = α ( t) s ( t) (3.3) ό ου P0 η ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος y 2 (t) η µέση ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος α(t) η εξασθένηση του σήµατος s(t) το µεταδιδόµενο σήµα ενώ του µεταδιδόµενου είναι P = s 2 ( t ) (3.4) t Pt η ισχύς του µεταδιδόµενου σήµατος s(t) το µεταδιδόµενο σήµα Στην εξασθένηση α(t) λαµβάνουµε υ οψιν µας µόνο τον αράγοντα ου αντι ροσω εύει το path loss α ( t ), ο ο οίος είναι σταθερός για ένα PL 62

63 συγκεκριµένο αµετάβλητο εριβάλλον όσον αφορά τη συχνότητα και την α όσταση και είναι ντετερµινιστικός. Ε οµένως 2 P0 = α PL ( t) Pt (3.5) P0 η ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος Pt η ισχύς του µεταδιδόµενου σήµατος αpl(t) αράγοντας εξασθένησης του path loss Ο τύ ος ισχύει µόνο όταν δεν υ άρχει κίνηση, όταν δηλαδή το εριβάλλον είναι σταθερό και ο δέκτης δεν κινείται ANTENNAS Η λειτουργία µιας κεραίας είναι να µετατρέ ει την ηλεκτρική ενέργεια σε ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία κατά την εκ οµ ή και τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα σε ενέργεια κατά την λήψη. Οι κεραίες χαρακτηρίζονται α ό δυο ιδιότητες: το κέρδος και το διάγραµµα ακτινοβολίας. Το κέρδος µιας κεραίας είναι ένα µέτρο σύγκρισης της ενίσχυσης ου δέχεται το σήµα σε µια δεδοµένη κεραία σε σχέση µε µια κεραία αναφοράς δηλαδή ένα δί ολο. Το διάγραµµα ακτινοβολίας εριγράφει τις αυξοµειώσεις του κέρδους µιας κεραίας ανάλογα µε την κατεύθυνση και την α όσταση α ό αυτή. Οι κεραίες διαχωρίζονται σε ανκατευθυντικές και κατευθυντικές ανάλογα µε το αν το κέρδος µένει σταθερό ρος κάθε κατεύθυνση ή όχι αντίστοιχα. Στην ερί τωση των κατευθυντικών κεραιών το διάγραµµα ακτινοβολίας ρέ ει να λαµβάνεται υ οψιν για τον υ ολογισµό του path loss. Η τιµή του κέρδους ου χρησιµο οιείται είναι ρος την κατεύθυνση της ευθείας γραµµής ου ενώνει το οµ ό µε τον δέκτη. Το κέρδος της κεραίας είναι τότε: [ ] [ TxRx] g = G [ ] max db Gatt db (3.6) ό ου g το κέρδος της κεραίας G είναι το κέρδος της κεραίας και max G είναι το κέρδος α ό το διάγραµµα ακτινοβολίας στην κατεύθυνση της [ TxRx ] att ευθείας γραµµής ου ενώνει τον οµ ό µε το δέκτη (και τα δυο είναι σε db). Το αρνητικό ρόσηµο οφείλεται στο γεγονός ότι το διάγραµµα δίνεται σαν µείωση σε σχέση µε το µέγιστο κέρδος της κεραίας. 63

64 ΙΑ ΟΣΗ ΕΛΕΥΘΕΡΟΥ ΧΩΡΟΥ free-space propagation Η εξασθένηση ου υφίσταται το σήµα καθώς µεταδίδεται α ό µια κεραία σε µια άλλη ου βρίσκεται σε α όσταση d, αν υ οθέσει κανείς ότι υ άρχει ζεύξη ο τικής ε αφής (LOS-Line Of Sight), συχνά καλείται free space path loss και µ ορεί να εξαχθεί α ό τις εξισώσεις του Maxwell. Α ό τις εξισώσεις υ ολογίζεται το µακρινό εδίο (far field). P0 λ = ( ) 2 gtxgrx (3.7) P 4 d t π ή σε db P0 P0 λ [ db] = 10 log = 20 log( ) + 10 log( gtx ) + 10 log( grx ) (3.8) P P 4π d t ό ου t P0 η ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος Pt η ισχύς του µεταδιδόµενου σήµατος λ το µήκος κύµατος gt είναι το κέρδος της κεραίας του οµ ού gr είναι το κέρδος της κεραίας του δέκτη d η α όσταση των δυο κεραιών Και τα δυο κέρδη αναφέρονται στην διεύθυνση της ευθείας γραµµής ου ενώνει τις δυο κεραίες. Η λαµβανόµενη ισχύς σε αυτήν την ερί τωση είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της α όστασης και η φυσική εξήγηση αυτού είναι ότι τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα διαδίδονται οµοιόµορφα (έχουµε υ οθέσει ότι δεν υ άρχουν εµ όδια και ανακλώσες ε ιφάνειες ) ρος όλες τις κατευθύνσεις και ε ι λέον το κύµα µ ορεί να θεωρηθεί σαν µια σφαίρα µε αυξανόµενο εδίο. Εφόσον η ενέργεια δεν «καταστρέφεται», θα είναι η ιδία ο οιαδή οτε και αν είναι η α όσταση α ό το σηµείο εκ οµ ής. Ε οµένως αφού η ολική ενέργεια άνω α ό τη σφαίρα είναι η ιδία, η ενέργεια ανά µονάδα ε ιφάνειας θα ρέ ει να µειώνεται. Τα κύµατα αυτά ονοµάζονται σφαιρικά κύµατα και έχουν α είρους βαθµούς ελευθερίας ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΠΙΠΕ ΗΣ ΓΗΙΝΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Η TWO-RAY MODEL (PLANE EARTH) Εφόσον οι ερισσότερες ε ικοινωνίες γίνονται ολύ κοντά στη γήινη ε ιφάνεια, η διάδοση ελεύθερου χώρου ου εριγράφθηκε στην ροηγούµενη αράγραφο δεν α οτελεί ρεαλιστικό σενάριο. Το µοντέλο ε ί εδης γήινης ε ιφάνειας βασίζεται στην ιδανική ερί τωση µιας γήινης ε ί εδης ε ιφάνειας µε ε ερασµένη αγωγιµότητα ου λαµβάνει υ οψιν µόνο την ανάκλαση στην ε ιφάνεια της γης. Υ οτίθεται ακόµη ότι υ άρχει ζεύξη ο τικής ε αφής (LOS) και κανένα εµ όδιο ό ως δέντρα, κτίρια κτλ. 64

65 Σε αυτό το µοντέλο αίρνουν µέρος τρία είδη κυµάτων: το α ευθείας, το ανακλώµενο στην ε ιφάνεια της γης και το ε ιφανειακό κύµα. Το τελευταίο είναι ασήµαντο µερικά µήκη κύµατος ε άνω α ό τη γήινη ε ιφάνεια και δεν ε ηρεάζει τις κινητές ε ικοινωνίες γι αυτό και θα αραµεληθεί. Οι ακόλουθες εκφράσεις µ ορούν εύκολα να εξαχθούν α ό τη γεωµετρία του σχήµατος 3.3: λ 2 P 2 = PR( θ, ε )( ) g g R t eff 4π d 2 Tx Rx (3.9) ό ου PR2 η ισχύς του ανακλώµενου κύµατος στο δέκτη Pt η ισχύς του µεταδιδόµενου σήµατος R(θ,εeff) ο αράγοντας της ανάκλασης λ το µήκος κύµατος gt είναι το κέρδος της κεραίας του οµ ού gr είναι το κέρδος της κεραίας του δέκτη d η α όσταση των δυο κεραιών d1 ( h h ) d 2 2 = Tx Rx + (3.10) d2 ( h h ) d 2 2 = Tx+ Rx + (3.11) ό ου d1 η α ευθείας α όσταση των δυο κεραιών d2 το άθροισµα d21+d22 ht το ύψους της κεραίας του οµ ού hr το ύψος της κεραίας του δέκτη d η α όσταση των δυο κεραιών h h α = arctan Tx Rx (3.12) d ό ου α(t) η εξασθένηση του σήµατος ht το ύψος της κεραίας του οµ ού hr το ύψος της κεραίας του δέκτη d η α όσταση των δυο κεραιών Α ό την έκφραση για τη διάδοση ελεύθερου χώρου, η ισχύς του α ευθείας κύµατος στο δέκτη είναι: λ 2 P 1 = P ( ) g g R t 4π d1 Tx Rx (3.13) ό ου PR1 η ισχύς του α ευθείας σήµατος στο δέκτη Pt η ισχύς του µεταδιδόµενου σήµατος λ το µήκος κύµατος gt είναι το κέρδος της κεραίας του οµ ού gr είναι το κέρδος της κεραίας του δέκτη 65

66 Η ισχύς του ανακλώµενου στην ε ιφάνεια της γης κύµατος στο δέκτη υ ολογίζεται χρησιµο οιώντας τους νόµους ου διέ ουν την ανάκλαση των ε ί εδων κυµάτων. Ο αράγοντας της ανάκλασης R(θ,εeff) ου λαµβάνει υ όψη την αγωγιµότητα και τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού δεν αγνοείται σε αυτή την ερί τωση. Άρα λ 2 P 2 = PR( θ, ε )( ) g g R t eff 4π d 2 Tx Rx (3.14) ό ου PR2 η ισχύς του ανακλώµενου σήµατος στο δέκτη Pt η ισχύς του µεταδιδόµενου σήµατος R(θ,εeff) ο αράγοντας της ανάκλασης λ το µήκος κύµατος gt είναι το κέρδος της κεραίας του οµ ού gr είναι το κέρδος της κεραίας του δέκτη d2 το άθροισµα d21+d22 Εικόνα 3.3 Η γεωµετρία του σχήµατος Ε οµένως για το µοντέλο αυτό υ άρχουν δυο διακριτές εριοχές. Η εριοχή κοντά στον οµ ό και ριν το σηµείο ανάκλασης (breakpoint) ό ου η λαµβανόµενη ισχύς µειώνεται αντιστρόφως ανάλογα µε το τετράγωνο της α όστασης και η εριοχή µετά το σηµείο breakpoint ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΙΑ ΟΣΗΣ Τα ροηγούµενα µοντέλα βασίζονται στην υ όθεση ότι υ άρχει ζεύξη ο τικής ε αφής και ότι δεν υ άρχουν εµ όδια καθώς το σήµα µεταδίδεται α ό τον οµ ό στο δέκτη. Αυτές όµως οι υ οθέσεις δεν ισχύουν στα ραγµατικά εριβάλλοντα ό ως είναι το αστικό, το ηµιαστικό και το υ αίθριο εριβάλλον ό ου διάφορα φυσικά φαινόµενα ε ηρεάζουν τη µετάδοση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων και υ άρχουν ολλοί ιθανοί «δρόµοι» διέλευσης. Τα Ray-tracing µοντέλα υ ολογίζουν κάθε ιθανή 66

67 διαδροµή µεταξύ οµ ού και δέκτη, την εξασθένηση ου υφίσταται το σήµα σε κάθε διαδροµή και τελικά αθροίζουν τις συνιστώσες του σήµατος ου φτάνουν στο δέκτη. Αυτά βέβαια τα µοντέλα α αιτούν όχι µόνο ακριβή εριγραφή του εδάφους, των κτιρίων και της χλωρίδας µιας εριοχής αλλά και µεγάλη υ ολογιστική ισχύ και χρόνο. Για τους αρα άνω λόγους έχουν ανα τυχθεί διάφορα ειραµατικά µοντέλα ου υ ολογίζουν την εξασθένηση του σήµατος για µια σταθερή α όσταση µεταξύ οµ ού και δεκτή σε ένα συγκεκριµένο εριβάλλον και για διάφορες συχνότητες. Τα µοντέλα αυτά συνδυάζουν ειραµατικές µετρήσεις και θεωρητικά δεδοµένα. i)okumura-hata Model Το µοντέλο αυτό είναι το ιο δηµοφιλές και βασίζεται στη στατιστική ανάλυση των ειραµατικών µετρήσεων της ισχύος του ράδιο-σήµατος. Εφαρµόζεται για συχνότητες 150 έως 1000MHz, α οστάσεις 1 έως 20 km, ύψους της κεραίας του οµ ού 30 έως 200 m και ύψους της κεραίας του δέκτη 1 έως 10m. Το µοντέλο ε εκτάθηκε α ό την COST (European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research) για συχνότητες µεταξύ 1500 και 2000MHz. H καµ ύλη της ισχύος του ράδιο-σήµατος εριλαµβάνει και έναν συντελεστή διόρθωσης ο ο οίος αίρνει διάφορες τιµές ανάλογα µε το εριβάλλον (αστικό, ηµιαστικό, αγροτική εριοχή, µικρή όλη κτλ.) ii)lee Model Το µοντέλο αυτό είναι αρκετά δηµοφιλές διότι οι αράµετροί του µ ορούν εύκολα να ροσαρµοσθούν σε ένα εριβάλλον χρησιµο οιώντας ειραµατικά α οτελέσµατα. Α οτελείται α ό δυο στοιχεία: το δισηµειακό µοντέλο ου αίρνει υ οψιν του την ε ιφάνεια του εδάφους και το α ό εριοχή σε εριοχή µοντέλο ου εριλαµβάνει την ε ίδραση κτιρίων και άλλων εµ οδίων. Άλλα ειραµατικά µοντέλα είναι τα Carey Model, Longley-Rice Model, CCIR Model, Bertoni-Walfish Model και Terrain Intergrated Rough Model SHADOWING Το µοντέλο της Οδικής Εξασθένησης ή Α ωλειών ιαδροµής (path loss) ου εριγράφηκε ροηγουµένως έχει σα στόχο τον υ ολογισµό της εξασθένησης στην ερί τωση ου ο οµ ός και ο δέκτης έχουν σταθερές και συγκεκριµένες θέσεις. Στην ραγµατικότητα η θέση του δέκτη εριλαµβάνει και τα αντικείµενα ου εριβάλλουν τη διαδροµή ου ακολουθεί το σήµα καθώς ε ίσης και το έδαφος. Ε οµένως για µια δεδοµένη α όσταση και για συγκεκριµένη συχνότητα και ισχύ εκ εµ όµενου σήµατος, η ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος δεν είναι σταθερή αλλά εξαρτάται α ό το 67

68 εριβάλλον. Αυτές οι στοχαστικές µεταβολές είναι σταθερές για όσο διάστηµα ο δέκτης και το εριβάλλον του δεν κινούνται και α οτελούν το φαινόµενο της ράδιο-σκιάς shadowing. Το φαινόµενο αυτό είναι συνιστώσα διαφόρων αραγόντων ου εµφανίζονται κατά τη διάδοση του ηλεκτροµαγνητικού κύµατος σε ένα εριβάλλον ό ως : ανακλάσεις - reflections (σε κτίρια και έδαφος), ερίθλαση - diffraction (στα κτίρια), διάθλαση - refraction(µέσα α ό τοίχους και αράθυρα), σκέδαση-scattering (σε κτίρια, δέντρα, έδαφος), α ορρόφηση absorption (σε δάση και άρκα). Ο υ ολογισµός της ε ίδρασης καθενός α ό αυτά τα φαινόµενα για κάθε θέση είναι σχεδόν αδύνατος γι αυτό και χρησιµο οιείται η ράδιο-σκιά για να εριγράψει το «άθροισµα» αυτών των φαινοµένων. Η σχέση ου χρησιµο οιείται σε αυτήν την ερί τωση είναι: 2 1 α p( αsh ) = exp 2 2 (3.15) σ π σ ό ου SH 2 SH SH σsh η µεταβλητότητα του σήµατος p(αsh) η ε ίδραση των φαινοµένων ου εριγράφονται α ό το shadowing αsh o αράγοντας εξασθένησης λόγω του shadowing Oλες οι οσότητες είναι σε db FADING Το fading (Πολυόδευση) είναι η αρεµβολή ου ροκαλούν τα σκεδαζόµενα σήµατα ου φτάνουν σε µια κεραία. Αυτού του είδους η αρεµβολή είναι υ εύθυνη για τις ιο γρήγορες και έντονες µεταβολές της ενέργειας του σήµατος και της φάσης του. Οι αλλαγές αυτές στο σήµα συµβαίνουν µέσα σε ολύ µικρά χρονικά διαστήµατα, της τάξης του ενός δευτερολέ του ή και λιγότερο, και εξαρτώνται α ό την ταχύτητα του δέκτη. Το fading ως στοχαστική διαδικασία ου είναι µ ορεί να έχει σαν αντίκτυ ο µια χρονικά και συχνοτικά µεταβαλλόµενη εξασθένηση στο µεταδιδόµενο σήµα. Σε µερικές ερι τώσεις το fading µ ορεί να µεταβάλλεται µόνο χρονικά ή µόνο ως ρος τη συχνότητα. 68

69 Εικόνα 3.4 Σενάριο διάδοσης Αυτού του είδους η αρεµβολή ροκαλείται ουσιαστικά α ό τα ολλα λά αντίγραφα του µεταδιδόµενου σήµατος ου ροσ ί τουν στην κεραία του δέκτη και καθένα α ό τα ο οία έχει ακολουθήσει και µια διαφορετική διαδροµή κατά τη διάδοση του. Ανάλογα µε το εριβάλλον στο ο οίο βρίσκονται ο οµ ός και ο δέκτης, είναι δυνατό να υ άρχουν λίγα ή ολλά αντικείµενα άνω στα ο οία ανακλάται το µεταδιδόµενο σήµα. Γενικά τα αντικείµενα αυτά είναι γνωστά ως scatterers και η αντίστοιχη µετάδοση καλείται ολυοδική µετάδοση (multipath signal propagation). Σε ένα τυ ικό εριβάλλον κάθε διαδροµή (path) έχει και ένα διαφορετικό µήκος και κατά συνέ εια τα σήµατα φτάνουν στην κεραία µε διαφορετική καθυστέρηση. Έτσι αντίγραφα ου ακολουθούν σύντοµες διαδροµές φτάνουν ιο γρήγορα α ό αντίγραφα ου ακολουθούν µεγαλύτερες διαδροµές. Πρακτικά αυτό ισοδυναµεί µε ηχώ. Εκτός όµως α ό την ολυοδική µετάδοση, κάθε αντίγραφο του σήµατος υφίσταται και διαφορετική εξασθένηση αφού οι οδοί ου ακολουθούν µ ορεί να εριλαµβάνουν εµ όδια ό ως αράθυρα, τοίχους κτιρίων α ό διαφορετικά δοµικά υλικά, δέντρα κ.α.. Λαµβάνοντας υ όψιν τα αρα άνω, η αρεµβολή µ ορεί σε ορισµένα σηµεία να συνεισφέρει θετικά ενώ σε άλλα καταστροφικά. Αν καθένας α ό τους αράγοντες ( οµ ός, εµ όδια, δέκτης ) είναι ακίνητος το λαµβανόµενο σήµα υφίσταται µόνο delay spread και εξασθένηση. Σε αυτή την ερί τωση η αρεµβολή του καναλιού µένει σταθερή και γι αυτό το κανάλι θεωρείται χρονικά αµετάβλητο. Αντίθετα αν συµβεί ο οιαδή οτε κίνηση τότε το κανάλι είναι χρονικά µεταβλητό. 69

70 3.3 MODULATION CHANNEL Ενώ στο radio channel το σήµα υφίσταται εξασθένηση, το ε ί εδο της διαµόρφωσης έχει ροσθετική ε ίδραση στο σήµα. υο είναι οι βασικοί λόγοι για τους ο οίους συµβαίνει αυτό: ο Θόρυβος και η Παρεµβολή. Και τα δυο είναι στοχαστικές διαδικασίες και µεταβάλλονται µε το χρόνο. Η αρεµβολή οφείλεται σε άλλα RF ηλεκτρονικά συστήµατα και ιο συγκεκριµένα σε συστήµατα ου λειτουργούν στην ιδία µ άντα συχνοτήτων ή σε Συγκαναλική και Παρεµβολή Γειτονικού καναλιού. Η Συγκαναλική αρεµβολή συµβαίνει λόγω της ε αναχρησιµο οίησης των συχνοτήτων σε ένα κυτταρικό εριβάλλον και είναι ανα όφευκτη. Η αρεµβολή Γειτονικού καναλιού εξαρτάται α ό τα φίλτρα τα ο οία αφήνουν να εράσει ένα οσό ενέργειας στις λευρικές ζώνες (sidebands). Τα είδη του Θορύβου και της Παρεµβολής εριγράφονται αναλυτικά στο ε όµενο κεφάλαιο. Τελικά η οιότητα της α οδιαµόρφωσης και της α οκωδικο οίησης βασίζεται στην ισχύ του λαµβανόµενου σήµατος και στην ισχύ άλλων σηµάτων ου λειτουργούν στις ίδιες συχνότητες στην ο οία ροστίθεται και η ισχύς του θορύβου. 3.4 DIGITAL CHANNEL Για ένα ψηφιακό τηλε ικοινωνιακό σύστηµα το ερώτηµα είναι κατά όσο οι αραµορφώσεις ου υφίσταται το σήµα υ οβαθµίζουν την οιότητα των υ ηρεσιών. Ένα σηµαντικό µέγεθος για το digital channel είναι το Bit Error Rate (BER) ου εξαρτάται α ό τον Λόγο-Σήµατος- ρος-θόρυβο-και- Παρεµβολή (SNIR) καθώς και α ό τη διαµόρφωση ου χρησιµο οιείται ΟΜΗ ΤΟΥ DIGITAL CHANNEL Το λαµβανόµενο αναλογικό σήµα είναι ένας συρµός αναλογικών αλµών ο ο οίος θα ρέ ει να µετατρα εί στον συρµό δυαδικών ψηφίων ου τον δηµιούργησε. Η διαδικασία αυτή ονοµάζεται α οδιαµόρφωση και µ ορεί να διαιρεθεί σε δυο φάσεις: αυτή καθαυτή την α οδιαµόρφωση και την ανίχνευση. Α οδιαµορφωτής Το ψηφιακά διαµορφωµένο σήµα µ ορεί να θεωρηθεί σαν ένας γραµµικός συνδυασµός συναρτήσεων ου σχηµατίζουν µια ορθοκανονική βάση. Η λειτουργία του α οδιαµορφωτή είναι, στο διάστηµα της εριόδου του κάθε 70

71 συµβόλου, να αναλύσει τη λαµβανόµενη κυµατοµορφή σε ένα διάνυσµα. Το διάνυσµα αυτό εριέχει τις ροβολές της λαµβανόµενης κυµατοµορφής. Αυτό µ ορεί να ε ιτευχθεί είτε µε ένα ροσαρµοσµένο φίλτρο είτε µε έναν εξισωτή (correlator) ανάλογα µε το είδος του σήµατος ου ρόκειται να α οδιαµορφωθεί. Ανιχνευτής Η λειτουργία του ανιχνευτή είναι να συγκρίνει το διάνυσµα της εξόδου του α οδιαµορφωτή µε τις τιµές των ιθανών κυµατοµορφών. Οι α οστάσεις των διανυσµάτων συγκρίνονται και η κυµατοµορφή µε τη µεγαλύτερη ιθανότητα είναι αυτή ου µεταδίδεται. Η ανίχνευση γίνεται µε τέτοιο τρό ο ώστε η ιθανότητα λανθασµένης α όφασης να ελαχιστο οιείται. Με αυτόν τον τρό ο το σήµα µετασχηµατίζεται σε µια ακολουθία α ό σύµβολα (α οδιαµόρφωση) και µετά σε µια ακολουθία α ό bits (ανίχνευση). Η ακολουθία των bits θα ρέ ει να είναι ίδια µε την ακολουθία των bits ου αρχικά µεταδόθηκε. Αυτό δεν είναι άντα εύκολο αφού συχνά εµφανίζονται λάθη. Τα λάθη µ ορούν να εριγραφούν α ό έναν συρµό bits, ό ου το 1 αντι ροσω εύει τα λανθασµένα λαµβανόµενα bits ενώ το 0 τα σωστά. Η µετατρο ή είναι ιθανό να ροϋ οθέτει ότι ο θόρυβος και η αρεµβολές στο δέκτη είναι γνωστά. Για κάθε κβάντο χρόνου, η τιµή του λαµβανόµενου σήµατος διαιρείται µε το άθροισµα του θορύβου και της αρεµβολής στο διάστηµα αυτό και µετά η οσότητα αυτή χρησιµο οιείται στη συνάρτηση της διαµόρφωσης. Η συνάρτηση αυτή χρησιµο οιείται στην ιθανότητα bit error probability. Έτσι το digital channel µ ορούµε να ούµε ότι ροκύ τει α ό το analog channel, υ ολογίζοντας µε οια ιθανότητα ένας αλµός ου λαµβάνεται µε µια συγκεκριµένη ισχύ µ ορεί να α οδιαµορφωθεί ορθά. Σηµειώνεται ότι για ένα δεδοµένο analog channel µ ορούν να ροκύψουν διαφορετικά digital channels ανάλογα µε τη συνάρτηση διαµόρφωσης ου χρησιµο οιείται. 3.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται µια εριγραφή του ασύρµατου καναλιού και της συµ εριφοράς του. Γίνεται µια διαίρεση αυτού σε τέσσερα ε ί εδα: το κανάλι διάδοσης, τον ράδιο-δίαυλο, το κανάλι διαµόρφωσης και το ψηφιακό κανάλι. Αναφέρονται ε ίσης µοντέλα ου εξηγούν τη συµ εριφορά του σε διάφορες ερι τώσεις. Οι αράγοντες ου ε ηρεάζουν τη συµ εριφορά του ασύρµατου καναλιού µ ορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες: αράγοντες εξασθένησης και ροσθετικοί αράγοντες. Και οι δύο συµβάλλουν στον στοχαστικό χαρακτήρα του καναλιού. Οι αράγοντες εξασθένησης συναντώνται στον ράδιο-δίαυλο, ενώ οι ροσθετικοί αράγοντες στο κανάλι διαµόρφωσης. 71

72 Κεφάλαιο 4 Εισαγωγή Το κεφάλαιο αυτό εριγράφει τους δύο βασικότερους αράγοντες ου ε ηρεάζουν το σήµα σε ένα ασύρµατο κανάλι. Τον Θόρυβο και την Παρεµβολή. Οι δυο αυτοί αράγοντες µ ορούν να ε ιφέρουν µεταβολές στο σήµα, να το εξασθενήσουν ή να το αραµορφώσουν και να δηµιουργήσουν ρόβληµα στο τηλε ικοινωνιακό σύστηµα µε διάφορους τρό ους. Αρχικά γίνεται αναφορά στον Θόρυβο και τα είδη του και στη συνέχεια στην Παρεµβολή. 4.1 ΘΟΡΥΒΟΣ - NOISE Ως Θόρυβος ορίζεται ο οιοδή οτε σήµα ου δεν ανήκει στο σήµα ου µεταφέρει την ληροφορία. Ο θόρυβος δηλαδή είναι ένα ανε ιθύµητο σήµα ου εµφανίζεται άντα στα συστήµατα τηλε ικοινωνιών και δηµιουργεί ρόβληµα τόσο στην ανάκτηση της ληροφορίας στο δέκτη, όσο και στην ανα αραγωγή του µεταδιδόµενου σήµατος. Γενικά διάφορες διαταραχές ηλεκτρικής φύσης αράγουν το θόρυβο στους δέκτες, ου τρο ο οιεί το σήµα κατά τρό ο ανε ιθύµητο. Στο ραδιόφωνο για αράδειγµα ο θόρυβος µ ορεί να αράγει ένα σφύριγµα στα µεγάφωνα, στους δέκτες τηλεοράσεων γίνεται αντιλη τό σαν «χιόνι» στην εικόνα ενώ στα τηλε ικοινωνιακά συστήµατα, ου µας αφορούν στην ροκειµένη ερί τωση, µ ορεί να δηµιουργήσει ανε ιθύµητους αλµούς και σοβαρά σφάλµατα. Ε ι λέον ο θόρυβος µ ορεί να µειώσει το εύρος των συστηµάτων για δεδοµένη ενέργεια αλλα και την ευαισθησία του δέκτη στα αδύναµα σήµατα. Για όλους αυτούς τους λόγους, η µελέτη του θορύβου είναι α αραίτητη, αφού αυτός καθορίζει σε µεγάλο βαθµό την οιότητα ενός τηλε ικοινωνιακού συστήµατος. Η κατηγοριο οίηση ου ακολουθεί για τα είδη του θορύβου έχει εξαχθεί α ό αναφορές ου γίνονται κυρίως στο διαδίκτυο. 72

73 4.1.1 ΕΙ Η ΘΟΡΥΒΟΥ Συνήθως ο θόρυβος είναι στοχαστικός, λευκός (έχει την ιdίδια ισχύ σε όλες τις συχνότητες) ή ροσθετικός (δρα ροσθετικά στο µεταδιδόµενο σήµα). Ταξινοµείται σε δυο είδη και η κατηγοριο οίηση αυτή έχει σχέση µε τις ηγές ου αράγουν θόρυβο. Τα δυο αυτά είδη είναι ο τεχνητός και ο φυσικός θόρυβος Ο ΦΥΣΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ Ο φυσικός θόρυβος µ ορεί ε ιµέρους να διακριθεί. Στον ατµοσφαιρικό και στον κοσµικό θόρυβο. Ο ατµοσφαιρικός θόρυβος αράγεται συνήθως α ό τις αστρα ές κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Σε αυτές τις ερι τώσεις δηµιουργείται ένας RF θόρυβος, ου καλύ τει ένα ευρύ φάσµα συχνοτήτων (~100 khz µε 20 MHz) και ο ο οίος µ ορεί να ταξιδέψει ακόµη και εκατοντάδες µίλια. Ωστόσο η ισχύς του ατµοσφαιρικού θορύβου µειώνεται δραµατικά καθώς αυξάνεται η συχνότητα. Το ε ί εδο του ατµοσφαιρικού θορύβου είναι ε ίσης αντιστρόφως ανάλογο του γεωγραφικού λάτους της γης. Είναι δηλαδή ιο ισχυρό κατά τη διάρκεια των βροχο τώσεων σε εριοχές κοντά στον ισηµερινό. Εικόνα 4.1 Είδη Θορύβου Ο κοσµικός θόρυβος ροέρχεται α ό ηγές ου αράγουν κοσµική ακτινοβολία και βρίσκονται έξω α ό την γήινη ατµόσφαιρα. Ο ήλιος αράγει θόρυβο, ο οίος φτάνει σε ένα maximum κάθε 11 χρόνια (τελευταία φορά ήταν το 2001). Ο λανήτης ίας αράγει άφθονα οσά RF θορύβου στις 73

74 συχνότητες 16 µε 24MHz. Τα υ όλοι α αστέρια και γαλαξίες συµβάλλουν και αυτά στη δηµιουργία κοσµικού θορύβου Ο ΤΕΧΝΗΤΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ Τα δυο ροηγούµενα είδη του φυσικού θορύβου είναι ασήµαντα σε σχέση µε τον θόρυβο ου αράγεται α ό τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα. Ο τεχνητός ή αλλιώς man-made θόρυβος αράγεται α ό µηχανήµατα και εξο λισµό ου χειρίζεται ο άνθρω ος και είναι θόρυβος γιατί οι µηχανές αυτές αράγουν ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία ενώ δεν είναι αυτός ο σκο ός τους. Ο αντικειµενικός σκο ός τους είναι άλλες λειτουργίες, Ωστόσο όταν τα ηλεκτρικά ή τα ηλεκτρονικά µέρη τους ανοίγουν, κλείνουν ή συνδέονται κά ου, αράγουν ηλεκτροµαγνητική ενέργεια η ο οία µ ορεί να ροκαλέσει διαταραχές στις ασύρµατες ε ικοινωνίες ου εκτυλίσσονται σε κοντινή α όσταση. Σύµφωνα µε µια ροσέγγιση αυτό το είδος θορύβου κατατάσσεται στο είδος της Ηλεκτρικής Παρεµβολής, στη συγκεκριµένη εργασία όµως δεν ακολουθείται αυτή η κατηγοριο οίηση. Ο man-made noise δεν ωφελεί κανέναν και δεν είναι σχεδόν οτέ σκό ιµος. Με λίγες εξαιρέσεις, ο εξο λισµός ου ροκαλεί τα ηλεκτρικά ροβλήµατα δεν ροορίστηκε για να είναι µια ηγή RF ενέργειας. Συχνά, ο θόρυβος είναι το α οτέλεσµα µιας ατέλειας, µιας αστοχίας ή κακής συντήρησης, ου µ ορεί να διορθωθεί εύκολα. Μερικοί τύ οι ηλεκτρονικών εξο λισµών τείνουν α λά να αράγουν θόρυβο ακόµη και στην κανονική λειτουργία. Γενικά, οι κατασκευαστές ρέ ει να σχεδιάζουν και να κατασκευάζουν τα ροϊόντα τους έτσι ώστε να µην ροκαλούν αυτήν την ε ιβλαβή ε ίδραση. Σε ολλές ερι τώσεις, αυτό είναι µια νοµική α αίτηση διότι υ άρχουν κανονισµοί ου ροσδιορίζουν τα ακριβή όρια της ακούσιας αραγωγής RF noise. Οι κατασκευαστές είναι υ οχρεωµένοι να συµµορφώνονται µε αυτούς τους κανονισµούς ε ειδή µ ορεί να υ άρξουν αυστηρές οινικές ρήτρες για την ώληση συσκευών ου δεν αντα οκρίνονται στα ρότυ α. Εντούτοις, ορισµένοι τύ οι εξο λισµών, ό ως ο εξο λισµός φωτισµού και τα βιοµηχανικά ηλεκτρικά γρανάζια, δεν καλύ τονται α ό αυτούς τους κανονισµούς. Ε ι λέον, ο ηλεκτρονικός εξο λισµός ου ροσαρµόζεται στα αρα άνω όρια µ ορεί να αρεµ οδίσει τα ασύρµατα συστήµατα εάν δεν λαµβάνονται ορισµένες ροφυλάξεις. Η ηλικία, η µόνωση και η ανε αρκής συντήρηση µ ορούν να αναγκάσουν τον εξο λισµό να γίνει τελικά µια ηγή θορύβου. Ο ψηφιακός θόρυβος µ ορεί συνήθως να ροσδιοριστεί α ό τον χαρακτηριστικό οξύ ήχο το βούισµα. Η ηχηρότητα και ο χαρακτήρας του ήχου µεταβάλλονται, δεδοµένου ότι ένας υ ολογιστής εκτελεί διαφορετικούς τύ ους διαδικασιών. Οι ερι τώσεις αυτές εµφανίζονται δηλαδή στην ενεργό λειτουργία µιας ψηφιακής συσκευής και όχι όταν αυτή είναι αδρανής. Οι ψηφιακοί ε εξεργαστές και ο εξο λισµός ου εριέχει DSPs (ε εξεργαστές ψηφιακών σηµάτων) είναι ιθανότερο να ροκαλέσουν θόρυβο α ό τους 74

75 υ ολογιστές. Γενικά, αυτός ο τύ ος τεχνητού θορύβου α οτελεί ρόβληµα όταν ο δέκτης είναι κοντά στην ψηφιακή συσκευή. Παραδείγµατος χάριν, ένας ασύρµατος δέκτης ου δέχεται την ε ίδραση του θορύβου, όταν το οθετείται 30cm ιο µακριά α ό την ψηφιακή συσκευή συνήθως δεν αντιµετω ίζει λέον ρόβληµα. Μια ψηφιακή συσκευή µ ορεί να δηµιουργήσει θόρυβο ου ταξιδεύει µέσω των καλωδίων εναλλασσόµενου ρεύµατος ή των ακουστικών καλωδίων και φθάνει τελικά στον ασύρµατο δέκτη. Στις υψηλότερες συχνότητες, η αρεµβολή µ ορεί να υ άρχει και έξω α ό τα καλώδια. Σε µερικές ερι τώσεις, η χρησιµο οίηση µιας χωριστής ηγής ρεύµατος για την ψηφιακή συσκευή ή η εγκατάσταση ενός φίλτρου µ ορεί να α οδειχθεί α αραίτητη. Οι κατασκευαστές υ ολογιστών και ψηφιακού εξο λισµού ρέ ει να ελέγχουν το οσοστό θορύβου ου µ ορεί να δηµιουργούν οι συσκευές και να κινούνται µέσα στα αντίστοιχα ρότυ α. Ο χαρακτηρισµός man-made θόρυβος είναι αρκετά ερί λοκος αφού ρέ ει να υ ολογιστούν αρκετές αράµετροι στο εκάστοτε εριβάλλον. Οι αράµετροι αυτές εριλαµβάνουν τη συνολική µέση ισχύ, το φάσµα ισχύος, την κατανοµή της ιθανότητας του θορύβου, το ύψους, το λάτος και τον ρυθµό των αλµών αλλά και αραµέτρους του δεδοµένου συστήµατος ό ως είναι η όλωση της κεραίας, το ύψος, η κατευθυντικότητα της και η θέση της. Ο man-made θόρυβος µ ορεί και αυτός να διαιρεθεί στις υ οκατηγορίες external και internal man-made θόρυβος. Ο external man-made θόρυβος αράγεται α ό όλες τις ηλεκτρικές συσκευές σε µικρό ή µεγαλύτερο βαθµό. Οι λάµ ες φθορισµού, τα συστήµατα ανάφλεξης στους κινητήρες των αυτοκινήτων και οι ηλεκτρικές µηχανές είναι µερικές α ό τις χειρότερες ηγές θορύβου. Κατά γενικό κανόνα, «ό ου υ άρχουν σ ινθήρες, υ άρχει θόρυβος!». Ο οιοσδή οτε τύ ος ηλεκτρικής εκκένωσης αράγει RF άνω α ό ένα ευρύ φάσµα των µηκών κύµατος. Ο internal man-made θόρυβος διακρίνεται στον Θερµικό θόρυβο (Johnson or Nyquist noise) ου αράγεται α ό την τυχαία κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων των αγωγών, τον θόρυβο βολής (shot noise) ου ουσιαστικά οφείλεται στις τυχαίες διακυµάνσεις της εκ οµ ής των ηλεκτρονίων α ό την κάθοδο µιας λυχνίας ή στις τυχαίες µεταβολές στη διάχυση των φορέων φορτιών σε µια δίοδο ή ένα transistor. τον flicker noise (1/f noise) ου εµφανίζεται στα στοιχεία στερεάς κατάστασης και ου η ισχύς του είναι αντιστρόφως ανάλογη της συχνότητας και στον τον plasma noise ου οφείλεται στην τυχαία κίνηση φορτιών σε ένα ιονισµένο αέριο. Οι σηµαντικότεροι τύ οι internal man-made noise είναι οι δυο ρώτοι και κυρίως ο Θερµικός Θόρυβος για τον ο οίο θα γίνει διεξοδικότερη ανάλυση. 75

76 ΘΕΡΜΙΚΟΣ ΘΟΡΥΒΟΣ THERMAL NOISE Ο θερµικός θόρυβος δηµιουργείται α ό την κίνηση των ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό και εξαρτάται α ό τη θερµοκρασία. Ε ειδή ο αγωγός είναι σε µια θερµοκρασία ε άνω α ό α όλυτο µηδέν (- 459 F), τα ηλεκτρόνια κινούνται τυχαία στο στερεό. Αυτή η τυχαία µετακίνηση των ηλεκτρονίων αράγει ένα ρεύµα µέσα στον αγωγό, έτσι ώστε ακόµη κι όταν αυτός είναι ανοιχτοκυκλωµένος, εξακολουθεί να υφίσταται µια διαφορά τάσης στα άκρα του µε µέση τετραγωνική τιµή Vn ². Ο θερµικός θόρυβος είναι ε ίσης γνωστός ως «λευκός θόρυβος» ε ειδή το εύρος του θερµικού θορύβου δεν εξαρτάται α ό τη συχνότητα. Με άλλα λόγια, ο θερµικός θόρυβος εριέχει τα σήµατα θορύβου όλων των συχνοτήτων και όλα αυτά τα σήµατα έχουν το ίδιο µέσο εύρος. Οι ηγές του θερµικού θορύβου έχουν µια υκνότητα φασµατικής ισχύος η ο οία εξαρτάται α ό τη θερµοκρασία στην ο οία αυτές λειτουργούν. Υ άρχουν βέβαια και ηγές στις ο οίες ο θόρυβος δεν εξαρτάται α ό τη θερµοκρασία λειτουργίας. Παρόλα αυτά, ορίζεται µια ενεργός θερµοκρασία θορύβου (effective noise temperature) για κάθε ηγή γκαουσσιανού θορύβου (.χ. για ενισχυτές) και χρησιµο οιείται στον υ ολογισµό της ισχύος του θορύβου ου αράγεται α ό το συγκεκριµένο στοιχείο. Αυτός ο θόρυβος αναφέρεται στην είσοδο του στοιχείου και στη συνέχεια φιλτράρεται. Ανακαλύφθηκε ειραµατικά α ό τον J.B.Johnson και α οδείχθηκε θεωρητικά α ό τον Nyquist. i) Το είραµα Εξετάζοντας έναν αντιστάτη µε την αντίσταση R σε µια θερµοκρασία Τ (σε Kelvin) η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι ανάλογη ρος το Τ. Η τυχαία κίνηση των ηλεκτρονίων δηµιουργεί τις διακυµάνσεις τάσης στα άκρα αντιστατών. Εικόνα 4.2 Η ιδανική αντίσταση και το ισοδύναµο κύκλωµα της 76

77 Η τάση θορύβου έχει µηδέν µέσο όρο, αλλά η rms τιµή δίνεται α ό την εξίσωση ακτινοβολίας υ = n 4hfBR hf / kbt e 1 (4.1) ό ου υn η rms τιµή της τάσης θορύβου h η σταθερά του Planck f η συχνότητα kβ = σταθερά του Boltzmann (1.38*10-23 J/K) T = α όλυτη θερµοκρασια (degrees K) B = εύρος συχνοτήτων (Hz) R = αντίσταση (ohms) Αν η συχνότητα είναι µεγάλη χ 100GHz και η θερµοκρασία χαµηλή χ Τ=100Κ τότε hf = k T = (4.2) B Αυτό σηµαίνει ότι ο εκθέτης του e είναι ολύ µικρός. Η ανισότητα γίνεται ακόµη µεγαλύτερη για µικροκυµατικές συχνότητες και θερµοκρασία δωµατίου (Τ=273K). Για το λόγο αυτό λαµβανουµε υ όψη τους δυο ρώτους όρους της σειράς Taylor. e hf / k T B hf 1+ (4.3) k T B Ο ότε καταλήγουµε στην υ 4hfBR n 1 + hf / k T 1 = B 4k TBR B (4.4) ό ου υn η rms τιµή της τάσης θορύβου kβ = σταθερά του Boltzmann (1.38*10-23 J/K) T = α όλυτη θερµοκρασία (degrees K) B = εύρος συχνοτήτων (Hz) R = αντίσταση (ohms) Σε αυτήν την ροσέγγιση, το Vn είναι ανεξάρτητο α ό τη συχνότητα. Για αυτόν τον λόγο, το θερµικό σήµα θορύβου καλείται «λευκός θόρυβος». Μοντελο οιούµε γενικά την τάση θορύβου σαν µια τυχαία µεταβλητή µε 77

78 γκαουσσιανή κατανοµή και τη µέση τιµή Vn ². Λαµβάνοντας υ όψη τις ολλα λές ηγές θορύβου, οι κατανοµές είναι ανεξάρτητες. Α ό µαθηµατική ά οψη, αυτό σηµαίνει ότι εάν συνδυάσουµε τις ολλα λές ηγές θορύβου, η µέση τιµή είναι ίση µε το άθροισµα των ε ιµέρους µέσων τιµών ( ροσθέτουµε τις ισχύς θορύβου, όχι τις τάσεις). Μ ορούµε να αντικαταστήσουµε ο οιοδή οτε «θορυβώδη» (θερµό) αντιστάτη µε ένα Thevenin ισοδύναµο µιας ηγής θορύβου και έναν ιδανικό, «αθόρυβο» αντιστάτη. Εάν συνδέουµε αυτό το ισοδύναµο κύκλωµα µε ένα ζωνοδιαβατό φίλτρο µε εύρος ζώνης Β Hz και έ ειτα µε έναν δεύτερο ιδανικό αντιστάτη (ό ου η αντίσταση του φορτίου είναι τέτοια για µέγιστη µεταφορά ενέργειας), η ισχύς θορύβου ου φτάνει στο φορτίο είναι 2 2 υ n υn Pn= R= 2R 4R ό ου Pn η ισχύς θορύβου υn η rms τιµή της τάσης θορύβου R = αντίσταση (ohms) και µε αντικατάσταση της τάσης λαµβάνουµε P n (4.5) 4kBTBR = = kbtb (4.6) 4R ό ου Pn η ισχύς θορύβου kβ = σταθερά του Boltzmann (1.38*10-23 J/K) T = α όλυτη θερµοκρασία (degrees K) B = εύρος συχνοτήτων (Hz) Η υκνότητα φάσµατος ισχύος για αντίσταση R ου βρίσκεται σε α όλυτη θερµοκρασία είναι S(ω)= 2kTR. Η σχέση αυτή ισχύει για συχνότητες f< 10 GHz ενώ για µεγαλύτερες συχνότητες η υκνότητα του φάσµατος µεταβάλλεται µε τη συχνότητα. Η εσωτερική αντίσταση των transistor, των διόδων, και άλλων ενεργών ηλεκτρονικών στοιχείων δηµιουργεί το θερµικό θόρυβο. Για τους υκνωτές και τα ηνία, οι εσωτερικές αντιστάσεις είναι αµελητέες και µ ορούν να θεωρηθούν αθόρυβες. ii) Συντελεστής θορύβου Σηµείο κλειδί για ένα σύστηµα είναι ο λόγος-σήµατος- ρος-θόρυβο (signalto-noise-ratio - SNR). ό ου SNR ο λόγος σήµατος- ρος-θόρυβο (4.7) 78

79 S η ισχύς του χρήσιµου σήµατος N η ισχύς του θορύβου Ένα υψηλό SNR σηµαίνει ότι είναι εύκολο να αναγνωρίσουµε το σήµα ενώ ένα χαµηλό SNR σηµαίνει ότι είναι δύσκολο να διακρίνουµε την χρήσιµη ληροφορία α ό τον θόρυβο. Ενισχυτές, γραµµές µετάδοσης, µείκτες, και σχεδόν ο οιοδή οτε άλλο συστατικό ενός µικροκυµατικού συστήµατος ροσθέτουν θόρυβο στο σήµα. Ένα ιδανικό στοιχείο δεν ροσθέτει θόρυβο, έτσι το SNR στην έξοδο είναι το ίδιο µε το SNR στην είσοδο. Αλλά για ένα µηιδανικό στοιχείο, το SNR της εξόδου είναι µικρότερο α ό το SNR της εισόδου. Ο συντελεστής θορύβου είναι ένα µέτρο της υ οβάθµισης του SNR καθώς ένα σήµα ερνά µέσα α ό ένα στοιχείο. Ο καθορισµός του συντελεστή θορύβου (F) είναι η συνολική ισχύς θορύβου στην έξοδο ρος την συνολική ισχύ θορύβου στην έξοδο όταν αυτό θεωρείται αθόρυβο : ό ου F είναι ο συντελεστής θορύβου Για ένα ιδανικό στοιχείο F=1. Ο συντελεστής θορύβου είναι δηλαδή (4.8) ό ου F είναι ο συντελεστής θορύβου Si, So η ισχύς του χρήσιµου σήµατος σε είσοδο και έξοδο αντίστοιχα Ni, No η ισχύς του θορύβου σε είσοδο και έξοδο αντίστοιχα SNRin, SNRout ο λόγος σήµατος- ρος-θόρυβο σε είσοδο και έξοδο αντίστοιχα και συχνά εκφράζεται σε db. (4.9) ΘΟΡΥΒΟΣ ΒΟΛΗΣ SHOT NOISE Ο θόρυβος βολής, γνωστός και ως shot ή impulsive noise, αρουσιάζεται σαν peak σήµα µε µεγάλο λάτος και µικρή διάρκεια. Ένα σύστηµα ε ικοινωνιών µ ορεί να είναι ολύ ευαίσθητο σε θόρυβο βολής ο ο οίος µ ορεί να δηµιουργήσει σφάλµατα συγχρονισµού ή σύνδεσης και να µειώσει τη χωρητικότητα του συστήµατος. Εµφανίζεται στους σωλήνες κενού και στα κυκλώµατα ηµιαγωγών. Η ροή του ρεύµατος σε έναν σωλήνα κενού δεν είναι 79

80 µια οµαλή σταθερή ροή αλλά εξαρτάται α ό την τυχαία εκ οµ ή ηλεκτρονίων στην κάθοδο. Όσον αφορά στους ηµιαγωγούς, ο θόρυβος οφείλεται στην τυχαία διάχυση των φορέων µειονότητας και στην τυχαία δηµιουργία ζευγών ο ών και ηλεκτρονίων. Στα δι ολικά τρανζίστορ, ο θόρυβος βολής αυξάνεται καθώς αυξάνεται το δυναµικό. Στα FET, ο θόρυβος δεν ε ηρεάζεται α ό τις µεταβολές στο δυναµικό. Η σηµασία του θορύβου βολής αυξάνεται όσο οι νέες ψηφιακές υ ηρεσίες ανα τύσσονται. Αυτή η εξέλιξη α αιτεί την αναθεώρηση των ηγών θορύβου ου µ ορούν να αρέµβουν στα νέα συστήµατα. Οι µετρήσεις είναι α αραίτητες ώστε τα συστήµατα ε ικοινωνιών να µ ορούν να σχεδιαστούν κατάλληλα για να µετριάσουν τα α οτελέσµατα του θορύβου. Πιο συγκεκριµένα αυτό το είδος θορύβου εµφανίζεται κυρίως στα αστικά και βιοµηχανικά εριβάλλοντα, και συγκεκριµένα στους ηλεκτρικούς κινητήρες των αυτοκινήτων, στα ηλεκτροφόρα καλώδια, σε διακό τες, φώτα φθορισµού, κ.λ. εδοµένου ότι έχει τέτοια φύση, ρέ ει να αντι ροσω ευθεί α ό ένα αλµικό µοντέλο. Ο θόρυβος βολής µ ορεί να µοντελο οιηθεί σαν ένα συρµό τυχαίων αλµών µε µιας ευρείας ζώνης φασµατική υκνότητα ισχύος. Η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας του αλµικού θορύβου, αλλάζει µε τη διαδικασία του φιλτραρίσµατος. Αυτό το είδος θορύβου µ ορεί να «φράξει» το σύστηµα, ακόµη και σε ερι τώσεις µε υψηλό λόγο σήµατος- ρος-θόρυβο. Αν και η ε ίδρασή του στο BER θα µ ορούσε να είναι αµελητέα, η υ οκειµενική υ οβάθµιση του σήµατος µ ορεί να είναι σηµαντική. Συνήθως, η εριβάλλουσα και η φάση του αλµικού θορύβου µοντελο οιούνται ξεχωριστά. Η εριβάλλουσα όµως διαµορφώνεται α ό τρεις τυχαίες µεταβλητές: το εύρος του αλµού (αi), τη διάρκειά του (wi) και το χρονικό διάστηµα µεταξύ των αλµών (ti). i i (4.10) i w n( t) = a ( t t ) i n(t) το σήµα θορύβου αi το εύρος του αλµού wi η διάρκεια του αλµού ti το χρονικό διάστηµα µεταξύ των αλµών Η µέτρηση του θορύβου βολής δεν είναι εύκολη διαδικασία. Τα µέσα ου χρησιµο οιούνται για τη µέτρηση του θορύβου αυτού, εξελίσσονται και ανα τύσσονται αράλληλα µε την αντίστοιχη τεχνολογία. Η λύση ου υιοθετείται τελευταία είναι να χρησιµο οιηθούν συστήµατα µέτρησης ου ροωθούν την υκνότητα του εύρους του αλµού (PAD), την κατανοµή της διάρκειας του αλµού (PDD) και την κατανοµή του διαστήµατος µεταξύ των αλµών (PID). Το ρόβληµα µε τη µέτρηση του θορύβου αυτού σε µια υψηλή ζώνη συχνοτήτων είναι ότι α αιτείται υψηλή συχνότητα δειγµατοληψίας ου να φτάνει το όριο Nyquist. Αυτό συνε άγεται και αρκετή διαθέσιµη µνήµη για την καταγραφή των δειγµάτων, κάτι ου δεν είναι άντα εφικτό. Το διάγραµµα µ λοκ ενός τέτοιου συστήµατος θα µ ορούσε να είναι αυτό του ακόλουθου σχήµατος: 80

81 Εικόνα 4.3 ιάγραµµα µ λοκ για µέτρηση shot noise Το σήµα λαµβάνεται α ό µια κεραία, φιλτράρεται, ενισχύεται και οδηγείται σε έναν µείκτη. Χρησιµο οιείται ένα κάθετο µονό ολο µε κέρδος 1dBi και 50Ω εµ έδηση. Ε ιλέγεται ένα συγκεκριµένο κανάλι της ζώνης α ό το IF φίλτρο µεταβαλλοντας τη συχνότητα ενός ταλαντωτή (LO1) κι έτσι το σήµα εριορίζεται στα 5 MHz, δηλαδή στο εύρος ζώνης ου ορίζεται σε κάθε κανάλι UMTS. Το IF σήµα α οδιαµορφώνεται και η δειγµατοληψία γίνεται µε 20 Msamples ανά δευτερόλε το για κάθε µιας α ό τις συνιστώσες. Η χρονική ευκρίνεια είναι 50 ns, και το µέγιστο µήκος καταγραφής είναι 4096 δείγµατα ανά κανάλι, ισοδύναµο µε 204µs. Καταγράφονται οι ανιχνεύσεις µε τουλάχιστον ένα αλµό. Οι Manuel Garcιa Sanchez, Inigo Cuinas, και Ana Vazquez Alejos χρησιµο οίησαν το αρα άνω σύστηµα ροκειµένου να µετρήσουν το θόρυβο σε 3 διαφορετικά σηµεία µιας όλης : έναν κυκλικό κόµβο, ένα εργοστάσιο κατασκευής ηλεκτρικών κινητήρων για θαλάσσια σκάφη και έναν σταθµό τρένου. Συνολικά έκαναν 2000 καταγραφές ου εριείχαν αλµούς στον κυκλικό κόµβο και 500 καταγραφές µε αλµούς στο βιοµηχανικό εριβάλλον. Στον σταθµό του τρένου τα α οτελέσµατα θορύβου βολής ήταν ολύ χαµηλά. Ο χρόνος ου α αιτήθηκε για να γίνουν οι καταγραφές ήταν αρόµοιος, ενώ σηµειώνουν ότι τα «γεγονότα» ήταν συχνότερα στο αστικό εριβάλλον, κάτι ου ιθανώς οφείλεται στην αρουσία ερισσότερων ηγών θορύβου. Ένα α ό τα συµ εράσµατα τους ήταν ότι λόγω της κρουστικής φύσης του θορύβου βολής υ άρχουν ερισσότεροι α ό ένας αλµοί θορύβου ανά καταγραφή. Η αρουσία ισχυρών ηγών, ό ως οι µοτοσικλέτες, αυξάνει ακόµη ερισσότερο τον αριθµό των αλµών ανά καταγραφή ό ως φαίνεται στο σχήµα : 81

82 Εικόνα 4.4 Η τάση εξόδου µιας κεραίας εξαιτίας του θορύβου µιας µοτοσικλέτας Ο χρόνος µεταξύ δυο αλµών µ ορεί να υ ολογισθεί µόνο έναν οι αλµοί εντο ίζονται στην ίδια καταγραφή. Αν υ άρχει µόνο ένας αλµός ανά καταγραφή αυτός ο χρόνος δεν µ ορεί να υ ολογισθεί αλλά µ ορεί να υ οτεθεί ότι είναι µεγαλύτερος α ό 204µs. Οι µετρήσεις τους έδειξαν ότι ο θόρυβος κατανέµεται οµοιόµορφα στο διάστηµα [0.2 ]. Μια ακόµη αρατήρηση τους είναι ότι µερικοί αλµοί εµφανίζονται µε ολύ υψηλή ισχύ σε σχέση µε την ευαισθησία αναφοράς ενός δέκτη σε ένα σταθµό βάσης UMTS. Αυτή η υψηλή ισχύς ήταν µεγαλύτερη στο εργοστάσιο σε σχέση µε το αστικό εριβάλλον µε µια διαφορά ερί ου 15dB ΜΕΡΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Σύµφωνα µε α οτελέσµατα µετρήσεων για συχνότητες άνω α ό 4GHz η ισχύς του man-made θορύβου είναι αµελητέα συγκρινόµενη µε την ισχύ του θορύβου ου αράγεται α ό έναν τυ ικό δέκτη. Γενικά µ ορεί να ει κανείς ότι οι βασικές ηγές θορύβου είναι φούρνοι µικροκυµάτων, φωτοτυ ικά µηχανήµατα, εκτυ ωτές, ανελκυστήρες και κινητήρες εσωτερικής καύσης των οχηµάτων. Βέβαια οι ερισσότερες µετρήσεις ου είναι διαθέσιµες είναι αρκετά αλιές και γι αυτό δεν είναι έγκυρες για τα σηµερινά δεδοµένα καθώς οι τεχνολογικές εξελίξεις έχουν βοηθήσει στην καλύτερη α οµόνωση των ηγών θορύβου αλλά και γιατί στα σηµερινά εριβάλλοντα έχουν κάνει την εµφάνιση τους νέες ηγές θορύβου οι ο οίες α αιτούν νέα µοντέλα για την έρευνά τους. 82

83 4.2 ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ INTERFERENCE Εκτός α ό τις ηγές ου αραµορφώνουν το σήµα, σε ένα εριβάλλον µ ορεί να είναι ενεργά και αλλά τηλε ικοινωνιακά συστήµατα. Τέτοιες ηγές ου έχουν σαν βασικό στόχο την αραγωγή ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας, δεν χαρακτηρίζονται ως θόρυβος αλλά ως Παρεµβολές. Η διαταραχή µ ορεί να διακόψει, να εµ οδίσει, να υ οβιβάσει ή να εριορίσει την α οτελεσµατική α όδοση του κυκλώµατος. Η ηλεκτροµαγνητική αρεµβολή µ ορεί να χρησιµο οιηθεί σκό ιµα για το ράδιο-µ λοκάρισµα, ό ως σε ερι τώσεις ηλεκτρονικών εχθρο ραξιών, ή µ ορεί να εµφανιστεί ακούσια, ως α οτέλεσµα των ροϊόντων ενδοδιαµόρφωσης, και άλλων αρόµοιων φαινόµενων. Έχει ε ι τώσεις συχνά στην λήψη του AM radio στις αστικές εριοχές. Μ ορεί ε ίσης να έχει ε ι τώσεις στην κυτταρική τηλεφωνία, το FM radio και την τηλεο τική λήψη, σε µικρότερη έκταση όµως έκταση. Ό ως και ο θόρυβος έτσι και η αρεµβολή έχει µια ροσθετική και αραµορφωτική ε ίδραση άνω στο σήµα. Για αράδειγµα η αρεµβολή εµφανίζεται στα κυτταρικά συστήµατα λόγω του γεγονότος ότι το εύρος ζώνης είναι εριορισµένο και για να λειτουργήσει το σύστηµα α αιτείται η ε αναχρησιµο οίηση ορισµένων συχνοτήτων. Η διαχείριση και η καταχώρηση των συχνοτήτων σε ένα κυτταρικό τηλε ικοινωνιακό σύστηµα είναι η βέλτιστη εκµετάλλευση του διαθέσιµου ράδιο-φάσµατος µε τέτοιο τρό ο ώστε να εριορίζεται η αρεµβολή ΕΙ Η ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ Γενικά υ άρχουν διαφορετικά είδη αρεµβολής ου έχουν και διαφορετικό αντίκτυ ο στο λαµβανόµενο σήµα. Σύµφωνα µε µια ροσέγγιση ο διαχωρισµός της Παρεµβολής σε διάφορα είδη εριλαµβάνει την αρεµβολή ραδιοσυχνότητας (Radio Frequency Interference - RFI) και την ηλεκτρική αρεµβολή (Electrical Interference - EI). Στην ροσέγγιση αυτή η RFI ροκαλείται α ό συσκευές ου αράγουν την ενέργεια ραδιοσυχνότητας ως τµήµα της λειτουργίας τους και η EI ροκαλείται α ό τους υ ολογιστές και τοv ψηφιακό εξο λισµό, τον βαρύ ηλεκτρικό εξο λισµό, τα συστήµατα φωτισµού και τις ελαττωµατικές ηλεκτρικές συσκευές. Η συγκεκριµένη εργασία δεν κατατάσσει την EI στα είδη της αρεµβολής, αλλά στο είδος του man-made noise ου έχει ήδη αναφερθεί σε ροηγούµενη αράγραφο. Τα είδη ε οµένως της αρεµβολής ου θα εριγραφούν εδώ είναι ουσιαστικά η Radio Frequency Interference ου εριλαµβάνει την Συγκαναλική Παρεµβολή (Co-channel Interference - CI), την Παρεµβολή Γειτονικού Καναλιού (Adjacent Channel Interference - ACI) και την Παρεµβολή Ενδοδιαµόρφωσης (Intermodulation Interference I I). Η Radio Frequency Interference ροκαλείται α ό τα σήµατα ραδιοσυχνότητας (RF) στον ασύρµατο δέκτη ή κοντά σε αυτόν. Τα 83

84 αρεµβαλλόµενα σήµατα µ ορεί να έχουν διαβιβαστεί σκό ιµα, ή ακούσια, ως α οτέλεσµα κά οιας ατέλειας ή κά οιου ανε ιθύµητου χαρακτηριστικού της ηγής. εν είναι α αραίτητο ότι το αρεµβαλλόµενο σήµα να βρίσκεται ακριβώς στην ίδια συχνότητα µε το ασύρµατο σύστηµα για να γίνει ενοχλητικό. Τα ισχυρά RF σήµατα ου είναι κοντά στην συχνότητα του ασύρµατου συστήµατος µ ορούν να έχουν ε ι τώσεις στη λειτουργία του ασύρµατου δέκτη, ροκαλώντας ροβλήµατα λήψης. Όλα τα ασύρµατα συστήµατα λειτουργούν σε φάσµατα συχνότητας ου τα µοιράζονται µε την τηλεο τική µετάδοση ή τους διάφορους τύ ους ραδιοε ικοινωνιών. Λόγω αυτού, οι χρήστες ασύρµατων συστηµάτων ρέ ει να γνωρίζουν ότι δεν έχουν τα α οκλειστικά δικαιώµατα στις συχνότητες ου χρησιµο οιούν. Πολλά ασύρµατα συστήµατα λειτουργούν στις ζώνες συχνότητας ου χρησιµο οιούνται για την τηλεο τική αναµετάδοση. Οι συσκευές α οστολής σηµάτων TV είναι γενικά αρκετά ισχυρές και µ ορούν να αρεµ οδίσουν τους ασύρµατους δέκτες στις ολύ ιδιαίτερες α οστάσεις. Τα ασύρµατα συστήµατα ου χρησιµο οιούν συχνότητες λειτουργίας κοντά στις συχνότητες ου χρησιµο οιούνται για την τηλεο τική αναµετάδοση µ ορούν να αρεµβληθούν ακόµη και σε α οστάσεις έρα α ό την α όσταση καλής λήψης του τηλεο τικού σήµατος. Η κατανόηση των συµ τωµάτων και των αιτιών των τριών τύ ων αρεµβολής είναι βασική για να µ ορέσει να ασχοληθεί α οτελεσµατικά κανείς µε ο οιαδή οτε ροβλήµατα µ ορεί να ροκύψουν. Μερικές φορές φαίνεται ότι όλα ε ηρεάζουν το ρόβληµα, αλλά τί οτα δεν το λύνει. Το να γνωρίζει κανείς οιος τύ ος αρεµβολής είναι αρών, βοηθά στο να α οφύγει τις µη αραγωγικές ροσεγγίσεις και α λο οιεί ολύ τη διαδικασία ρος εύρεση της ραγµατικής ηγής του ροβλήµατος ΣΥΓΚΑΝΑΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ Στις κινητές ε ικοινωνίες, η ε αναχρησιµο οίηση της συχνότητας είναι ουσιαστική και α αραίτητη για την αύξηση της α οδοτικότητας του φάσµατος και η εφαρµογή της έννοιας έχει οδηγήσει στην ανά τυξη των κυψελοειδών ασύρµατων συστηµάτων. Η συγκαναλική αρεµβολή (Cochannel Interference) είναι ουσιαστικά η χρήση της ίδιας συχνότητας α ό 2 τουλάχιστον οµ οδέκτες. Η αρουσία της cochannel αρεµβολής λόγω της ε αναχρησιµο οίησης της συχνότητας είναι ένα σοβαρό ρόβληµα των κυψελοειδών ράδιοσυστηµάτων ανεξάρτητα α ό το µέγεθος κυττάρων. 84

85 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Η µέση αρεµβολή σε ένα κινητό τηλέφωνο εξαρτάται α ό τον αράγοντα ε αναχρησιµο οίησης συχνότητας, Κ. Σε ένα κυψελοειδές σύστηµα ου χρησιµο οιεί τις ανκατευθυντικές κεραίες στους σταθµους βάσης τα έξι ρώτα κύτταρα γύρω α ό αυτές είναι αυτά ου συµβάλλουν ερισσότερο στη δηµιουργία της συγκαναλικής cochannel αρεµβολης. Ο αριθµός των κυττάρων ου συµβάλλουν στην αρεµβολή γειτονικού καναλιού εξαρτάται α ό το σχεδιασµό, τα διαστήµατα µεταξύ των καναλιών καθώς και το εύρος ζώνης. Στο κυψελοειδές εριβάλλον, το χρήσιµο σήµα (SOI-Signal of Interest) και τα σήµατα αρεµβολής, διαδίδονται µέσα σε ανεξάρτητα κανάλια συχνοε ιλεκτικών διαλείψεων των ο οίων το ισοδύναµο της ζώνης βάσης µ ορεί να µοντελο οιηθεί ως µια κρουστική α όκριση µε τυχαία φάση και εύρος. ηλαδή g τ t α t e δ τ τ t 2 ( ) (, ) ( ) j π f cτ m = t m ( m( )) m ό ου α m ( t) είναι η εξασθένηση m-οστής διαδροµής τ m ( t ) είναι η αντίστοιχη καθυστέρηση διάδοσης δ ( t) είναι η συνάρτηση δέλτα του Dirac g( τ, t) η κρουστική α όκριση m το λήθος των διαδροµών f η συχνότητα (4.11) Κάθε στοιχείο της g( τ, t) αν δεν αναλύεται στο χρόνο, έχει ανεξάρτητα ραγµατικά και φανταστικά µέρη, ου κατανέµονται όµοια σαν γκαουσσιανές διαδικασίες µηδενικής µέσης τιµής. Σε αυτή την ερί τωση η εριβάλλουσα της g( τ, t) είναι κατανεµηµένη κατά Rayleigh σε κάθε χρονική στιγµή. Στην ερί τωση συχνοε ιλεκτικού καναλιού τα στοιχεία της συνάρτησης µ ορούν να ε ιλυθούν και το κανάλι να µοντελο οιηθεί α ό µια γραµµή καθυστέρησης ο ότε η έξοδος του καναλιού θα είναι M 1 T T T r( k ) = gm( k ) s( k mtr ) (4.12) n m= 0 n n ό ου T r( k ) n είναι η έξοδος Μ είναι ο µέγιστος αριθµός διαδροµών m το λήθος των διαδροµών 85

86 ( T g ) m k n είναι ο συντελεστής κρουστικής α όκρισης του m-οστού καναλιού, T s( k mtr ) n είναι το σήµα εισόδου Tr είναι η χρονική διάκριση Τ είναι η ερίοδος συµβόλου και gm είναι µια τυχαία µιγαδική µεταβλητή µε ραγµατικά και φανταστικά µέρη ου έχουν γκαουσσιανή κατανοµή µηδενικής µέσης τιµής. Λόγω της αρουσίας της αυτο αρεµβολής (ISI - self-interference) η συνολική αρεµβολή «αυξάνει». Τα ασύρµατα κανάλια εξασθενίζουν µε βάση ορισµένες κατανοµές.χ. Rayleigh, Nakagami, Rice κ.λ. Εικόνα 4.5 Η θέση ενός συνδροµητή σε κυτταρικό σύστηµα µε µέγεθος συστάδας 3 Το σηµαντικό είναι να καθορίσουµε το µέσο λόγο σήµατος- ρος- αρεµβολή σε έναν κινητό δέκτη, ο ο οίος βρίσκεται κά ου τυχαία µέσα σε ένα κύτταρο. Σε αυτήν την ερί τωση, η θέση και ο συντελεστής α ωλειών διάδοσης καθορίζουν το σήµα ενδιαφέροντος (SOI-signal of interest), την ισχύ της συγκαναλικής αρεµβολής (CCI - cochannel interference) και την ισχύ της αρεµβολής γειτονικού καναλιού (ACI adjacent channel interference) ου θα αναλυθεί αρακάτω. Μια χαρακτηριστική κατάσταση α εικονίζεται στο σχήµα 4.5. Για ο οιοδή οτε εξαγωνικό κυψελοειδές σύστηµα οι ισχύουν ακόλουθες σχέσεις: π 3 rcj = (3 K) R + r + 2( 3 K ) Rr cos( θ+ j as in( )) 3 3K (4.13) π raj = 4R + r + 4Rr cos( θ+ ( j 1) ) 3 (4.14) 86

87 ό ου Κ είναι το µέγεθος της συστάδας των κυττάρων (cluster size), r είναι η α όσταση α ό τη βάση rcj είναι η α όσταση του κινητού α ό την j-οστή ηγή αρεµβολής CCI στην ρώτη σειρά raj είναι η α όσταση του κινητού α ό την j-οστή ηγή αρεµβολής ACI και R είναι η ακτίνα του κυττάρου. Εάν τα διαγράµµατα ισχύος του αρεµβαλλόµενου και του σήµατος ου µας ενδιαφέρει είναι όµοια, οι λόγοι σήµατος- ρος-θόρυβο (SNR), σήµατος- ρος-συγκαναλικη αρεµβολή (SCCIR), σήµατος- ρος- αρεµβολή γειτονικού καναλιού (SACIR) και σήµατος- ρος-συνολική αρεµβολή (SIR) µ ορούν εύκολα να ροσδιορισθούν. Για ένα µέγεθος συστάδας 3, ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις : rcj = 9R + r + 6Rr cos( θ+ j π π ) π raj = 4R + r + 6Rr cos( θ + ( j 1) ) 3 ό ου r είναι η α όσταση α ό τη βάση rcj είναι η α όσταση του κινητού α ό την j-οστή ηγή αρεµβολής CCI στην ρώτη σειρά raj είναι η α όσταση του κινητού α ό την j-οστή ηγή αρεµβολής ACI και R είναι η ακτίνα του κυττάρου (4.15) (4.16) Η µέση ισχύς του σήµατος ου µας ενδιαφέρει σε έναν δέκτη ου βρίσκεται σε α όσταση R1 α ό έναν σταθµό βάσης είναι P P S = = R1 γ γ ( R1 / R) r 1 r µε = R > δ (4.17) ό ου S η µέση ισχύς του σήµατος ου µας ενδιαφέρει γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 r είναι η κανονικο οιηµένη α όσταση α ό τον σταθµό βάσης του κυττάρου P είναι η ισχύς του σήµατος στην άκρη του κυττάρου δηλαδή για r=1. Η οσότητα δ δεν ε ιτρέ ει στο S να φτάσει στο ά ειρο. Eάν η µεταβλητότητα του θορύβου είναι σταθερή άνω α ό το κύτταρο, ο λόγος SNR στην είσοδο του δέκτη µ ορεί να υ ολογιστεί : S P = 2 N r γ σ n (4.18) ό ου S η ισχύς του χρήσιµου σήµατος N η ισχύς του θορύβου 87

88 P είναι η ισχύς του σήµατος στην άκρη του κυττάρου γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 r είναι η κανονικο οιηµένη α όσταση α ό τον σταθµό βάσης του κυττάρου σn η µεταβλητότητα του θορύβου SNR= [10log( P) 20log( σ )] 10γ log( r) n (4.19) SNR= SNRmax 10γ log( R) 10 γ ( r) = SNRmin 10γ log( r) 1 r>0 (4.20) ό ου SNRmax και SNRmin είναι οι λόγοι σήµατος ρος θόρυβο στο d και στην άκρη του κυττάρου αντίστοιχα γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 r είναι η κανονικο οιηµένη α όσταση α ό τον σταθµό βάσης του κυττάρου Η κανονικο οιηµένη α όσταση του κινητού α ό ένα σταθµό βάσης, r, είναι µια τυχαία διαδικασία µε συνάρτηση αθροιστικής κατανοµής (cdf) 2 Y Fr ( Y ) = p( r< Y ) = π = Y π 2 µε 0 Y 1 (4.21) ό ου r είναι η κανονικο οιηµενη α όσταση α ό τον σταθµό βάσης του κυττάρου Fr(Υ) είναι η συνάρτηση αθροιστικής κατανοµής και συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας (pdf) df fr ( Y ) = = 2Y dy Y µε 0 1 (4.22) fr(υ) η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας Οι αντίστοιχες συναρτήσεις του µέσου λόγου SNR είναι Y SNRmin Y SNRmin ( ) 2( ) 10γ 10γ F ( Y ) = P( SNR< Y ) = P( r> 10 ) = 1 10 SNR ό ου FSNR(Y) είναι η συνάρτηση αθροιστικής κατανοµής του µέσου λόγου SNR (4.23) fsnr 2 ( Y ) = 10 10γ Y SNRmin 2( ) 10γ SNR µε max Y SNRmin ό ου fsnr(y) είναι η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας του µέσου λόγου SNR. (4.24) Το µέσο SNR άνω α ό ένα κύτταρο βρίσκεται µε τον υ ολογισµό µέσου SNR α ό τις στατιστικές του Υ και δίνεται α ό την 88

89 Y SNR min 2( ) SNR max 10γ 2 SNR= Y dy = SNR min+ 0, 9421γ SNR min 10γ (4.25) ό ου γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 SNRmax και SNRmin είναι οι λόγοι σήµατος ρος θόρυβο στο d και στην άκρη του κυττάρου αντίστοιχα ΛΟΓΟΣ ΣΗΜΑΤΟΣ-ΠΡΟΣ-ΣΥΓΚΑΝΑΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ (SCCIR) Η ρώτη σειρά των σταθµών βάσης είναι η ιο σηµαντική στη δηµιουργία της συγκαναλικής αρεµβολής. Η ισχύς της αρεµβολής ου λαµβάνει το κινητό α ό αυτούς τους σταθµούς είναι c L I = I = P cm l 1 l 1 r γ = = cm 6 1 (4.26) ό ου L είναι ο αριθµός των ενεργών συγκαναλικών αρεµβολέων Ιc είναι η ισχύς της αρεµβολής ου λαµβάνει το κινητό Ιcm είναι η ισχύς αρεµβολής του m-οστού αρεµβολέα rcm είναι η α όσταση α ό τον m-οστό αρεµβολέα γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 P είναι η ισχύς του σήµατος στην άκρη του κυττάρου Ωστόσο ο αρα άνω τύ ος είναι ολύ δύσκολο να υ ολογιστεί, γι αυτό έ ειτα α ό ροσοµοίωση σε υ ολογιστή µ ορεί να ξαναγραφεί ως I c LP = (3K 0,5 γ r ) γ 2 2 µε 1 r 0.01 (4.27) ό ου L είναι ο αριθµός των ενεργών συγκαναλικών αρεµβολέων Ιc είναι η ισχύς της αρεµβολής ου λαµβάνει το κινητό γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 r είναι η κανονικο οιηµενη α όσταση α ό τον σταθµό βάσης του κυττάρου Κ είναι ο αράγοντας ε αναχρησιµο οίησης της συχνότητας 89

90 Η τιµή 0,01 για το r έχει ληφθεί ως η ελάχιστη, για να α οφύγουµε το Ic να φτάσει στο ά ειρο. Ο ότε ο λόγος SCCIR για την ρώτη σειρά µ ορεί να υ ολογιστεί ως γ 2 2 S (3K 0.5 γ r ) = γ I r L c (4.28) ό ου γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 r είναι η κανονικο οιηµένη α όσταση α ό τον σταθµό βάσης του κυττάρου Κ είναι ο αράγοντας ε αναχρησιµο οίησης της συχνότητας L είναι ο αριθµός των ενεργών συγκαναλικών αρεµβολέων Ιc είναι η ισχύς της αρεµβολής ου λαµβάνει το κινητό S η ισχύς του χρήσιµου σήµατος και 2 SCCIR= 5γ log(3k 0.5 γ r ) 10γ log( r) 10 log( L) µε 1 r 0.01 (4.29) ό ου SCCIR είναι ο λόγος σήµατος ρος συγκαναλικη αρεµβολή γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 r είναι η κανονικο οιηµένη α όσταση α ό τον σταθµό βάσης του κυττάρου L είναι ο αριθµός των ενεργών συγκαναλικών αρεµβολέων Α ό την τελευταία βρίσκουµε τις min και max τιµές του SCCIR. Η εικόνα 4.6 δείχνει τη µεταβολή του SCCIR σε σχέση µε την θέση του κινητού. Εικόνα 4.6 Η µεταβολή του SCCIR σε σχέση µε τη θέση του κινητού Φαίνεται, ό ως άλλωστε ήταν αναµενόµενο, ότι ο λόγος είναι υψηλότερος σε σηµεία κοντά στους σταθµούς βάσης (µ ορεί να φτάσει τα 130dB)και χαµηλότερος στις άκρες των κυττάρων. Το σχήµα 4.7 αρουσιάζει την 90

91 µεταβολή του SCCIR σε σχέση µε τους ενεργούς συγκαναλικούς αρεµβολείς. Παρατηρείται ότι το SCCIR για Κ = 3 είναι ουσιαστικά χαµηλότερο α ό αυτό για Κ = 7. Εικόνα 4.7 Η µεταβολή του SCCIR σε σχέση µε τους ενεργούς συγκαναλικούς αρεµβολείς Ο ίνακας 4.1 συνοψίζει το ελάχιστο SCCIR σε db για τις διαφορετικές τιµές του L, γ και Κ. Η συνάρτηση αθροιστικής κατανοµής και η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας βρίσκονται α ό τις σχέσεις 3K FSCCIR ( Y ) = 1 ( 2/ 10 Y /5 L γ γ γ ) και (4.30) f SCCIR 2/ γ Y /5γ 3KL 10 ( Y ) = 5 γ ( L γ ) 2/ γ Y /5γ 2 µε SCCIR min Y SCCIR max ό ου + (4.31) FSCCIR είναι η συνάρτηση αθροιστικής κατανοµής fsccir είναι η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 Κ είναι ο αράγοντας ε αναχρησιµο οίησης της συχνότητας L είναι ο αριθµός των ενεργών συγκαναλικών αρεµβολέων 91

92 Attenuation Number of active co-channel interferers constant K=3 γ= γ= γ= γ= Κ=7 γ= γ= γ= γ= Πίνακας 4.1 Το µέσο SCCIR ενός κυττάρου µ ορεί να βρεθεί α ό την σχέση : SCCIR= SCCIR max SCCIR min 2/ γ Y /5γ 3YKL 10 dy 2/ γ Y /5γ 2 5 γ ( L γ ) (4.32) ό ου SCCIRείναι το µέσο SCCIR γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης ο ο οίος συνήθως κυµαίνεται α ό 2 έως 5 Κ είναι ο αράγοντας ε αναχρησιµο οίησης της συχνότητας L είναι ο αριθµός των ενεργών συγκαναλικών αρεµβολέων Στον ίνακα 4.2 συνοψίζεται η µέση τιµή του SCCIR σε ένα κύτταρο. Attenuation Number of active co-channel interferers constant K=3 γ= γ= γ= γ= Κ=7 γ= γ= γ= γ= Πίνακας 4.2 Μια σύγκριση των α οτελεσµάτων στους ίνακες 1 και 2 δείχνει ότι οι µέσες τιµές του SCCIR, για µέγεθος συστάδας 3, είναι κοντά σε αυτές για το ελάχιστο SCCIR. Αυτή η αρατήρηση δείχνει ότι ένα µέγεθος συστάδας 3 µ ορεί να είναι το α όλυτο χαµηλότερο όριο της ε αναχρησιµο οίησης συχνοτήτων στα συστήµατα FDM. 92

93 ΚΑΤΑΝΟΜΗ NAKAGAMI (για microcellular συστήµατα) Εκτενείς είναι οι µελέτες ου έχουν γίνει για τα α οτελέσµατα της συγκαναλικής αρεµβολής τόσο σε µεσαία όσο και σε µεγάλα κυτταρικά συστήµατα. Αρκετά είναι ε ίσης και τα στατιστικά ρότυ α ου έχουν δηµιουργηθεί για να εριγράψουν το εριβάλλον της ε ικοινωνίας ό ως το µοντέλο Rayleigh, το µοντέλο log-normal shadowing καθώς και το superimposed Rayleigh fading and log-normal shadowing. Σε όλες αυτές τις µελέτες υ άρχει µια κοινή υ όθεση ότι όλα τα λαµβανόµενα σήµατα, ε ιθυµητά και µη, έχουν τα ίδια στατιστικά χαρακτηριστικά Μια τέτοια υ όθεση είναι αρκετά λογική για τα µεσαία και τα µεγάλα συστήµατα κυττάρων. Για τα microcellular συστήµατα όµως, η αρχική αυτή αραδοχή δεν φαίνεται να ισχύει. Για αράδειγµα, σε ένα µικροκυτταρικό εριβάλλον, ένα ανε ιθύµητο σήµα α ό ένα α οµακρυσµένο κύτταρο ου χρησιµο οιεί την ίδια συχνότητα µ ορεί να µοντελο οιηθεί κατά Rayleigh, αλλά η Rayleigh εξασθένιση (Rayleigh fading) δεδοµένης µιας ζεύξης ο τικής ε αφής να µην είναι η κατάλληλη µοντελο οίηση για το ε ιθυµητό σήµα. Ε οµένως, σε αυτήν την ερί τωση, α αιτούνται διαφορετικά µοντέλα εξασθένησης για το ε ιθυµητό και το ανε ιθύµητο σήµα. Όσον αφορά λοι όν στα µικροκυτταρικά συστήµατα, αυτό είναι το σηµείο κλειδί στη µελέτη της αρεµβολής. Το ε ιθυµητό σήµα σε αυτήν την ερί τωση ακολουθεί το µοντέλο Rician σύµφωνα µε το ο οίο υ άρχει µια κυρίαρχη διαδροµή αντανακλάσεων κατά τη µετάδοση µεταξύ των κυττάρων. Τα ανε ιθύµητα σήµατα της συγκαναλικής αρεµβολής υ οτίθεται ότι υ όκεινται σε Rayleigh εξασθένηση λόγω της α ουσίας µιας διάδοσης ο τικής ε αφής. Αυτό το ρότυ ο εριγράφει ένα εριβάλλον εξασθένησης Rician/Rayleigh. Το µοντέλο Rician/Rayleigh είναι αυτό ου χρησιµο οιείται κυρίως στις διάφορες µελέτες. Εντούτοις, µια διαφορετική ( ιθανώς καλύτερη) ροσέγγιση για να µελετήσει κανείς την cochannel αρεµβολή είναι να χρησιµο οιήσει τις Nakagami κατανοµές για διάφορους λόγους. Κατ' αρχάς, η κατανοµή Nakagami χρησιµο οιεί την κατανοµή Rayleigh ως ειδική ερί τωση, ό ως κάνει και η διανοµή Rician, αλλά έχει µια α λούστερη έκφραση για την συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας. εύτερον, η κατανοµή Nakagami είναι µια ολύ καλή ροσέγγιση τόσο της Rician κατανοµής όσο και της log-normal κατανοµής. Τρίτον, οι κατανοµές Nakagami µ ορούν να µοντελο οιήσουν καλύτερα α ό το Rayleigh µοντέλο τις συνθήκες εξασθένησης. Τέλος οι κατανοµές Nakagami ροσαρµόζονται καλύτερα στα ειραµατικά στοιχεία α ό τα Rayleigh, Rician ή τα log-normal µοντέλα σε ολλές ερι τώσεις. Ανεξάρτητα α ό τους αρα άνω λόγους σε τελική ανάλυση το Nakagami µοντέλο είναι µια ε ι λέον εναλλακτική λύση. Οι Yu-Dong Yao και Asrar U.H.Sheikh έχουν αρουσιάσει σε δηµοσίευση τους την εναλλακτική αυτή λύση η ο οία και αρουσιάζεται αρακάτω. 93

94 i) Το µοντέλο Nakagami mx/my Παρόµοια µε το Rician/Rayleigh µοντέλο, στο ο οίο το ε ιθυµητό και το ανε ιθύµητο σήµα έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά εξασθένησης, εδώ υ οθέτουµε ότι τα σήµατα έχουν χαρακτηριστικά Nakagami αλλά µε διαφορετικές αραµέτρους, δηλ., διαφορετικά οσά εξασθένισης AF. Το AF ορίζεται ως ο λόγος της διαφοράς της λαµβανόµενης ενέργειας ρος τετράγωνο του µέσου όρου της λαµβανόµενης ενέργειας. Το µοντέλο Nakagami ορίζει τον λόγο mx/my, ό ου το mx και το my, είναι τα AF των ε ιθυµητών και ανε ιθύµητων σηµάτων, αντίστοιχα. Στην ειδική ερί τωση ό ου το ανε ιθύµητο σήµα ροσεγγίζεται καλύτερα α ό το µοντέλο Rayleigh, χρησιµο οιείται το µοντέλο Nakagami/Rayleigh. Το AF του ε ιθυµητού σήµατος υ οτίθεται ότι είναι 1/mx. Το α είναι µια τυχαία µεταβλητή µε σ... 2 m m pα( α) = α exp α Γ ( m ) 2X 2X x mx 2mx 1 x 2 ( ) ( ) x m m (4.33) ό ου Γ( ) είναι η συνάρτηση Γάµµα Χm είναι η µέση ενέργεια του σήµατος mx το οσό εξασθένησης AF των ε ιθυµητών σηµάτων και είναι 1/2 α είναι µια τυχαία µεταβλητή Η ενέργεια του σήµατος, x, ου υ ολογίζεται για έναν RF κύκλο είναι α²/2. Η σ... του x είναι dα 1 mx mx mx 1 mx px( x) = pα( α ) = x exp x dx Γ mx Xm Xm ( ) ( ) ( ) ό ου px(x) είναι η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας x είναι η ενέργεια του σήµατος α είναι µια τυχαία µεταβλητή Χm είναι η µέση ενέργεια του σήµατος mx το οσό εξασθένησης AF των ε ιθυµητών σηµάτων και είναι 1/2 (4.34) ου είναι µια Γάµµα σ.... Οι 4.33 και 4.34 εκφυλίζονται σε Rayleigh και εκθετική σ..., αντίστοιχα, όταν mx = 1. Όσο το mx, αυξάνει, µειώνεται το AF. Η αράµετρος mx, στις κατανοµές Nakagami µ ορεί να άρει ο οιαδή οτε ραγµατική τιµή µεγαλύτερη ή ίση µε 0.5. ΟιYu-Dong Yao και Asrar U.H.Sheikh εξετάζονται µόνο οι ακέραιες τιµές του mx (mx = 1.2.3, ). Στην υ οθετική ερί τωση ου υ άρχουν Ι ανεξάρτητα µεταξύ τους αρεµβαλλόµενα Nakagami σήµατα, κάθε ένα α ό αυτά έχει AF l/my και µέση ισχύ Υm. Η ισχύς καθενός α ό αυτά τα σήµατα ( ου µετριέται άνω α ό 94

95 έναν κύκλο RF) είναι µια τυχαία µεταβλητή µε κατανοµή Γάµµα. Η συνολική ισχύς αρεµβολής, y, είναι το άθροισµα ισχύων Ι. Χρησιµο οιώντας τους µετασχηµατισµούς Laplace, η σ... του y είναι my I 1 my my I y my py ( y) = ( ) exp y Y Γ( m I ) X ( ) m y m ό ου py(y) είναι η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας της συνολικής ισχύος αρεµβολής y y η συνολική ισχύς αρεµβολής my το οσό εξασθένησης AF των ανε ιθύµητων σηµάτων Χm είναι η µέση ισχύς του σήµατος Ι η ισχύς του κάθε αρεµβαλλόµενου σήµατος Υm η µέση ισχύς του αρεµβαλλόµενου σήµατος (4.35) Ορίζοντας τον λόγο σήµατος- ρος- αρεµβολή ως r=x/y,η σ... του r θα είναι η (4.36) p ( r) = yp ( ry) p ( y) dy r x y 0 m m m r m = ry y + y dy 1 x m 1 1 x y m ( ) ( ) y I mx m ( ) y x y exp ( ) Γ( mx) Γ( myi) X m Y m X 0 m Ym Γ m + m I m m = + Γ( m ) Γ( m I) X Y X Y ( x y ) m ( x ) mx y m ( ) yi mx 1 m y m ( xr ) x myi r x y m m m m ό ου pr(r) η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας r ο λόγος σήµατος ρος αρεµβολή my το όσο εξασθένησης AF των ανε ιθύµητων σηµάτων mx το όσο εξασθένησης AF των ε ιθυµητών σηµάτων Χm είναι η µέση ενέργεια του σήµατος Υm η µέση ισχύς του αρεµβαλλόµενου σήµατος (4.36) Θέτοντας bm=xm/ym λαµβάνουµε την (4.37) Γ ( m + m I) m m p r m r r m 1 ( ) ( ) x y x mx m y I mx x x y ( ) m m I r = y + y Γ( mx ) Γ( myi) bm bm (4.37) 95

96 ό ου pr(r) η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας my το οσό εξασθένησης AF των ανε ιθύµητων σηµάτων mx το οσό εξασθένησης AF των ε ιθυµητών σηµάτων Ι η ισχύς του κάθε αρεµβαλλόµενου σήµατος Γ( ) είναι η συνάρτηση Γάµµα Στην αρα άνω ανάλυση των Yu-Dong Yao και Asrar U.H.Sheikh, οι σχέσεις (4.35) και (4.37) ισχύουν µόνο για την ερί τωση ό ου όλα σήµατα της συγκαναλικής αρεµβολής έχουν την ίδια µέση ισχύ Υm. Για τις ερι τώσεις στις ο οίες κά οια α ό αυτά τα σήµατα έχουν διαφορετικές µέσες ισχείς α αιτούνται και διαφορετικές σχέσεις για την σ... της ολικής ισχύος αλλά και για τη σ... του λόγου σήµατος- ρος- αρεµβολή. Για την ειδική ερί τωση ό ου my = 1 (Rayleigh αρεµβολή) και όλα τα σήµατα αρεµβολής έχουν διαφορετικές µέσες ισχείς µεταξύ τους, η σ... του y και του r ελήφθησαν ως εξής. Υ έθεσαν ότι το i-οστό σήµα αρεµβολής (1 i I) έχει µέση ισχύ Υmi, και Υmi, Ymj για i j. Ε ίσης, όλα τα σήµατα αρεµβολής έχουν AF = 1 ου ρακτικά σηµαίνει ότι κάθε αρεµβαλλόµενο σήµα ακολουθεί το µοντέλο Rayleigh. Κατά συνέ εια, η συνολική ισχυς αρέµβολης, y, είναι το αθροισµα των ανεξάρτητων εκθετικά κατανεµηµενων τυχαίων µεταβλητών Ι. Σύµφωνα µε τους Α.Renyi και K.W.Sowerby A.G. Williamson ό ως αναφέρουν οι Yu-Dong Yao και Asrar U.H.Sheikh, η σ... του y είναι I I I 2 y ( ) = mi exp( ) i= 1 Ymi j= 1, j i Ymi Ymj p y Y y ό ου py(y) είναι η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας της συνολικής ισχύος αρεµβολής y Υmi η µέση ισχύς του i-οστού σήµατος αρεµβολής Ι η ισχύς του κάθε αρεµβαλλόµενου σήµατος Η σ... του λόγου σήµατος- ρος- αρεµβολή θα είναι η 1 (4.38) I I mx+ 1 mx 1 mi mi r ( ) = x mx+ 1 i= 1 ( mxr+ bmi ) j= 1, j i bmj bmi p r m r b b (4.39) ό ου bmi=xm/ymi pr(r) η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας 96

97 Οι καµ ύλες σ... του λόγου σήµατος- ρος- αρεµβολή δίνονται στις εικόνες 4.8 και 4.9. Στην εικόνα 4.8, φαίνεται το µοντέλο Nakagami mx/my µε το my =2. Τα σήµατα της συγκαναλικής αρεµβολής είναι τρία (Ι = 3) και κάθε ένα έχει µέση ισχύ ίση µε bm = 5. Η εικόνα 4.8α αρουσιάζει τη γενική τάση της σ... ενώ εννέα καµ ύλες σ... αρουσιάζονται στην εικόνα 4.8β για διάφορα mx (mx = 2,3,4,5,7.9, ). Εικόνα 4.8 Η σ... του λόγου σήµατος- ρος- αρεµβολή µε my=2 Στην εικόνα 4.9 αρουσιάζεται το µοντέλο Nakagami/Rayleigh (my=1) µε τρία σήµατα συγκαναλικής αρεµβολής ου έχουν διαφορετικές µεταξύ τους µέσες ισχείς (bm1=3, bm2=5, bm3=7). Η γενική τάση της σ... αρουσιάζεται στην εικόνα 4.9α και οι έντε καµ ύλες αρουσιάζονται (mx = 1,2,3,5,7) στην εικόνα 4.9β. Φαίνεται ότι η καµ ύλη για το mx = 1 είναι ευδιάκριτα διαφορετική α ό τις υ όλοι ες. 97

98 Εικόνα 4.9 Η σ... του λόγου σήµατος- ρος- αρεµβολή µε my=1 Χρησιµο οιώντας την σ... του λόγου σήµατος- ρος- αρεµβολή των σχέσεων 4.37 ή 4.39, είναι εύκολο να αξιολογηθεί η α όδοση του συστήµατος σε ένα εριβάλλον µε εριορισµένη αρεµβολή (δηλ., ο θόρυβος είναι αµελητέος και µας ενδιαφέρει µόνο η αρεµβολή) µε χαρακτηριστικά Nakagami mx/my ή Nakagami/Rayleigh. ii) Σύγκριση µε το Rician/Rayleigh model Στο Rician/Rayleigh model το ε ιθυµητό σήµα ακολουθεί Rician κατανοµή µε σ α α + s αs pα ( α) = exp( ) I0( ) X 2X X (4.40) ό ου pα(α) είναι η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας του ε ιθυµητού σήµατος α είναι το ε ιθυµητό σήµα Ι0( ) είναι η τρο ο οιηµένη συνάρτηση Bessel X είναι η µέση ισχύς του ανακλώµενου σήµατος s είναι η µέση ισχύς του α ευθείας σήµατος 98

99 Η σ... της αντίστοιχης ισχύος είναι 2 1 2x+ s 2xs px ( x) = exp( ) I0( ) X 2X X px(x) είναι η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας της ισχύος X είναι η µέση ισχύς του ανακλώµενου σήµατος s είναι η µέση ισχύς του α ευθείας σήµατος (4.41) η ό οια είναι µια noncentral χ²- συνάρτηση µε δύο βαθµούς ελευθερίας. Στις σχέσεις 4.40 και 4.41, I0 ( ) είναι η τρο ο οιηµένη συνάρτηση Bessel ρώτου είδους και της γραµµής µηδέν. Η µέση ισχύς είναι Χ + s²/2, ό ου το Χ συντίθεται α ό το ανακλώµενο κοµµάτι του σήµατος και το s²/2 α ό το α ευθείας line-of-sight σήµα. Τα σήµατα εξασθένησης µελετώνται χρησιµο οιώντας είτε τις στατιστικές σχετικά µε τις εριβάλλουσες τους είτε τις στατιστικές σχετικά µε τις ισχείς των σηµάτων. Είναι γνωστό ότι ένα σήµα εξασθένησης Rayleigh έχει ισχύ µε εκθετική κατανοµή. Για ένα σήµα εξασθένησης Rician, η ισχύς χαρακτηρίζεται α ό µια noncentral χ²- συνάρτηση µε δύο βαθµούς ελευθερίας ό ως φαίνεται στην Στην ερί τωση Nakagami η κατανοµή Γάµµα χαρακτηρίζει την ισχύ των σηµάτων. Η σχέση µεταξύ του σήµατος ου εξασθενεί της ισχύος σε αυτά τα τρία εριβάλλοντα (Rayleigh, Rician και Nakagami) αρατίθεται στον ίνακα 4.3 για σύγκριση. Πίνακας 4.3 Τα σήµατα ου οφείλονται στην συγκαναλικη αρεµβολή στο µοντέλο Rician/Rayleigh υ όκεινται σε εξασθένιση Rayleigh. Η σ... της συνολικής ισχύος των Ι αυτών σηµάτων λαµβάνεται χρησιµο οιώντας τη σχέση 4.35, µε my = 1 και η µέση ισχύς καθενός είναι Υ. Σε αυτήν την ερί τωση η σ... του λόγου σήµατος- ρος- αρεµβολή είναι 99

100 2 I 1 y 2ry+ s 2rys y y pr ( r) = exp( ) I 0 0( ) exp( ) dy= I X 2 X X Y ( I 1)! Y I b ab 1 ar = b r b r b i r b I I+ 1 I 1 ( ) exp( ) CI ( ) + + i= 0! + ό ου pr(r) η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας α=s²/2x, b=x/y και C είναι διωνυµικοί συντελεστές Ι η ισχύς του κάθε αρεµβαλλόµενου σήµατος (4.42) Η σ... ου δίνεται στη σχέση 4.42 ισχύει για την ερί τωση ό ου όλες οι κατά Rayleigh αρεµβολές έχουν την ίδια µέση ισχύ. Εάν έχουν τις µεταξύ τους µέσες ισχεις διαφορετικές (δηλ., η i-οστή αρεµβολή (1 i Ι) έχει µέση ισχύ Υ, και Yi Yj όταν i j), η σ... της ολικής αρεµβαλλόµενης ισχύος λαµβάνεται α ό τη σχέση 4.38 και ο λόγος σήµατος- ρος- αρεµβολή λαµβάνεται α ό την 4.43 b ar ab p ( r) = (1 + )exp( ) r I I i i j 2 i= 1 ( r+ bi ) r+ bi r+ bi j= 1, j i bj bi b (4.43) ό ου bi=x/yi pr(r) η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας α=s²/2x, b=x/y είναι διωνυµικοί συντελεστές iii) Πιθανότητες διακο ής της λειτουργίας Εφόσον στα κυψελοειδή ράδιο-συστήµατα, µας ενδιαφέρουν κυρίως η ισχύς του σήµατος, ο λόγος σήµατος- ρος-θόρυβο και ο λόγος σήµατος- ρος- αρεµβολη, η ιθανότητα διακο ής της λειτουργίας, ου ορίζεται ως η ιθανότητα µη ικανο οιητικής λήψης σήµατος, α οτελεί κατάλληλο µέτρο για την αξιολόγηση ενός συστήµατος. Μια α λή ανάλυση θα λάβει υ όψη της µόνο έναν α ό τους δυο λόγους. Περιβάλλον µε εριορισµένη αρεµβολή (interference-limited environment) Υ οθέτοντας ότι ο λόγος σήµατος- ρος- αρεµβολή είναι RI, η ιθανότητα διακο ής της λειτουργίας είναι R I Pout = Pr( r< RI )= p ( ) 0 r r dr (4.40) ό ου Pout είναι η ιθανότητα διακο ής λειτουργίας pr(r) η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας 100

101 Παρατηρείται ότι στα µικροκυτταρικά συστήµατα (Nakagami model) η ιθανότητα είναι µικρότερη σε σχέση µε τα µεσαία/µεγάλα συστήµατα (Rayleigh/Rayleigh model). Α ό την ειραµατική διαδικασία ένα ενδιαφέρον στοιχείο είναι ότι η ερί τωση ενός αρεµβαλλόµενου σήµατος µε ισχύ Υm και η ερί τωση δύο αρεµβαλλόµενων σηµάτων µε ισχύ 0.5 Υm το α οτέλεσµα είναι ερί ου το ίδιο. Περιβάλλον µε θόρυβο και αρεµβολή Θεωρώντας ότι το ελάχιστα α αιτούµενο σήµα έχει ισχύ RNXm ένα εριβάλλον αρουσία θορύβου και αρεµβολής θα έχει ιθανότητα διακο ής λειτουργίας Pout= 1 Pr( x> R X, x / y> R ) = N m I x/ RI = 1 p ( ) ( ) RN X m 0 y y dy px x dx ό ου Pout είναι η ιθανότητα διακο ής λειτουργίας px(x) είναι η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας της ισχύος py(y) είναι η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας της συνολικής ισχύος αρεµβολής y (4.41) Φυσικά στην ερί τωση ου RN =0 η αρα άνω ιθανότητα θα είναι ίδια µε αυτήν της σχέσης Στην ερί τωση ου µας ενδιαφέρει ο θόρυβος ερισσότερο, υ οθέτουµε ότι RI = ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Παρεµβολή γειτονικού καναλιού (Adjacent Channel Interference - ACI) είναι το είδος της αρεµβολής ου οφείλεται στα κύτταρα ου χρησιµο οιούν συχνότητα γειτονική (στο φάσµα) µε τη συχνότητα του ε ιθυµητού σήµατος. Η αρεµβολή γειτονικού καναλιού οφείλεται στην ύ αρξη µη ιδανικών φίλτρων ου ε ιτρέ ουν την λήψη γειτονικών συχνοτήτων εντός της ζώνης λήψης συχνοτήτων του δέκτη ΛΟΓΟΣ ΣΗΜΑΤΟΣ-ΠΡΟΣ-ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ (SACIR) Η µοντελο οίηση ου ακολουθείται για την Παρεµβολή Γειτονικού καναλιού είναι η ίδια µε αυτή της Συγκαναλικής Παρεµβολής ου εριγράφθηκε στην αράγραφο Η ισχύς της αρεµβολής γειτονικού καναλιού εξαρτάται α ό την «α όσταση» µεταξύ των καναλιών, το bandwidth και ε ι λέον τη θέση του κινητού, τον συντελεστή α ωλειών διάδοσης και το µέγεθος της 101

102 συστάδας των κυττάρων. Η ακόλουθη εξίσωση αρουσιάζει τη µέση ισχύ της m-στης ACI στην είσοδο του κινητού i am ό ου = P m r γ am Pm είναι η ισχύς της αρεµβολής γειτονικού καναλιού ου ε ικαλύ τει το σήµα ενδιαφέροντος (SOI) στο όριο του κυττάρου iam είναι η µέση ισχύς της m-οστής ACI στην είσοδο του κινητού ram ο λόγος σήµατος ρος m-οστή αρεµβολή γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης Η συνολική ισχύς της ACI αρεµβολής είναι J J 1 I A = iaj = Pm E( ) j 1 j 1 2 π = = γ /2 (4+ r + 4r cos( θ+ ( j 1) )) 3 ό ου J είναι ο αριθµός των ενεργών αρεµβολέων ACI ΙΑ είναι η συνολική ισχύς της ACI αρεµβολής r είναι ο λόγος σήµατος ρος αρεµβολή γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης Pm είναι η ισχύς της αρεµβολής γειτονικού καναλιού ου ε ικαλύ τει το σήµα ενδιαφέροντος (SOI) στο όριο του κυττάρου (4.42) (4.43) Προφανώς η συνολική ACI εξαρτάται α ό ένα συγκεκριµένο τρό ο ανάθεσης των καναλιών. Η γενική µορφή της αρα άνω εξίσωσης δεν είναι εύκολο να βρεθεί ωστόσο µετά α ό ροσοµοίωση σε υ ολογιστή µ ορεί να α λο οιηθεί στην I A ό ου JPm (4 0.4 γ r ) γ r γ (4.44) ΙΑ είναι η συνολική ισχύς της ACI αρεµβολής Pm είναι η ισχύς της αρεµβολής γειτονικού καναλιού ου ε ικαλύ τει το σήµα ενδιαφέροντος (SOI) στο όριο του κυττάρου r είναι ο λόγος σήµατος ρος αρεµβολή γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης J είναι ο αριθµός των ενεργών αρεµβολέων ACI και έτσι S ( P / Pm )(4 0.4 γ r ) = γ I Jr A 2 0.5γ ό ου P/Pm έχει σχέση µε την µορφή του αλµού (4.45) 102

103 S είναι η ισχύς του χρήσιµου σήµατος ΙΑ είναι η συνολική ισχύς της ACI αρεµβολής J είναι ο αριθµός των ενεργών αρεµβολέων ACI r είναι ο λόγος σήµατος ρος αρεµβολή γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης Το SACIR µ ορεί ε οµένως να γραφτεί 2 SACIR 3+ 5γ log(4 0.4 γ r ) 10 log( Jε ) 10γ log( r) ό ου SACIR είναι ο λόγος σήµατος ρος αρεµβολη γειτονικού καναλιού J είναι ο αριθµός των ενεργών αρεµβολέων ACI r είναι ο λόγος σήµατος ρος αρεµβολή γ είναι ο εξαρτηµένος α ό το εριβάλλον αράγοντας α ωλειών διάδοσης (4.46) Εικόνα 4.10 Λόγος σήµατος- ρος- αρεµβολή γειτονικού καναλιού Η εικόνα 4.10 δείχνει τον λόγο σήµατος- ρος- αρεµβολή γειτονικού καναλιού σε σχέση µε το r όταν ο αριθµός των ενεργών αρεµβολέων είναι ο µέγιστος. Το σχήµα 4.11 στη συνέχεια, δείχνει το ελάχιστο SACIR σε σχέση µε το εύρος ζώνης για διάφορες τιµές του γ και του Κ στην ερί τωση ου όλες οι ηγές ACI αρεµβολής είναι ενεργές. Είναι εµφανές α ό τις γραφικές αραστάσεις ότι καθώς η θέση του κινητού αλλάζει α ό r = 0.01 σε r = 1, το SACIR φτάνει µέχρι τα 120dB. Ο ίνακας 4.4 συνοψίζει το ελάχιστο SACIR για το 100% του εύρους. Η συνάρτηση αθροιστικής κατανοµής και η συνάρτηση υκνότητας ιθανότητας καθώς και το ολικό µέσο SACIR βρίσκονται ό ως στην ερί τωση του SCCIR. 103

104 Εικόνα 4.11 Το ελάχιστο SACIR σε σχέση µε το εύρος ζώνης Attenuation K=3 K=7 constant γ= γ= γ= γ= Πίνακας ΦΙΛΤΡΑΡΙΣΜΑ Ο λόγος ου χρησιµο οιείται φιλτράρισµα στον τηλε ικοινωνιακό δεκτή του UMTS συστήµατος, δηλαδή σε ένα κινητό τηλέφωνο, είναι για να µειωθεί η αρεµβολή γειτονικού καναλιού και να αυξηθεί η ε ιλεκτικότητά του. Τα ε ί εδα αυτής της εξωκαναλικής αρεµβολής και κατ ε έκταση η ανάλογη µείωση, µ ορεί να διαφέρουν α ό εριοχή σε εριοχή και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι διαφέρουν τα φορτία των αντίστοιχων σταθµών βάσης. Ωστόσο το ρόβληµα µ ορεί να γίνει σοβαρό όταν η εκ οµ ή αρεµβάλλοντος γειτονικού καναλιού λαµβάνει χώρα σε ολύ κοντινή α όσταση α ό τον αρεµβαλλόµενο δέκτη. Το φαινόµενο αυτό είναι γνωστό ως κοντινό- µακρινό φαινόµενο (near-far effect). Ε οµένως το φίλτρο του δέκτη θα ρέ ει να µ ορεί να ροσαρµοστεί στα ε ί εδα της εκάστοτε αρεµβολής γειτονικού καναλιού και να ε ιτυγχάνει την αντίστοιχη µείωση. Το φιλτράρισµα σε έναν δέκτη UMTS γίνεται συνήθως κατά ένα µέρος στο αναλογικό άκρο του δέκτη και κατά ένα µέρος στο ψηφιακό άκρο του οµ ού. Όταν το ε ί εδο της αρεµβολής είναι χαµηλό, το α αραίτητο οσό µείωσης είναι ε ίσης χαµηλό και µ ορεί να ε ιτευχθεί µε λιγότερα ενδιάµεσα φίλτρα. Αυτό µειώνει τον α αραίτητο αριθµό λειτουργιών ανά λαµβανόµενο σύµβολο στο φίλτρο. Ωστόσο βέβαια η δυνατότητα µέτρησης του ε ί εδου 104

105 της εξωκαναλικής αρεµβολής αυξάνει την ολυ λοκότητα του φίλτρου λήψης. Οι J.Potman, F.W.Hoeksema και C.H.Slump έχουν µελετήσει και αρουσιάσει σε δηµοσίευσή τους τις διάφορες ερι τώσεις αρεµβολής γειτονικού καναλιού στις ο οίες µ ορεί να βρεθεί µια UMTS χειροσυσκευή. i) Το χειρότερο σενάριο Για τις µετρήσεις τους οι αρα άνω χρησιµο οίησαν τις α αιτήσεις ε ιλεκτικότητας του φίλτρου, ό ως αυτές ροσδιορίζονται α ό δοκιµές σχετικά µε την Ε ιλεκτικότητα Παρακείµενου Καναλιού (ACS-Adjacent Channel Selectivity). Οι α αιτήσεις αυτές αρουσιάζονται στην τεχνική αναφορά του ETSI : «Third Generation Partnership Project. Universal Mobile Telecommunications System; UE Radio transmission and reception (FDD).Technical Report ETSI TS V5.6.0., European Telecommunications Standards Institute, March 2003» και συγκεκριµένα στις σελίδες της αραγράφου 7.5. Αυτές οι δοκιµές α αιτούν ο λόγος των σφαλµάτων bit (BER-Bit Error Rate) στο ε ιθυµητό κανάλι να είναι µακρότερος α ό µετά α ό την εµ ρόσθια (χωρίς ε αλήθευση) διόρθωση λάθους (FEC-Forward Error Correction). Χρησιµο οιώντας αυτές τις ερι τώσεις δοκιµής ο J.Jussila όρισε ό ως φαίνονται στην εικόνα την µείωση ου δηµιουργεί το φίλτρο σε σχέση µε την κεντρική συχνότητα του καναλιού. Εικόνα 4.12 Οι α αιτήσεις για µείωση στο φίλτρο Στην εικόνα αυτή η συνεχής γραµµή δείχνει τις α αιτήσεις για µείωση (στο φίλτρο) στην downlink-band του UMTS, ενώ η διακεκοµµένη τις out-of-band L εκτός ζώνης α αιτήσεις. Το ( ) D f αντι ροσω εύει την αµφί λευρη µείωση για δεδοµένη συχνότητα, η ο οία ροσδιορίζεται α ό την out-of-band LDUP, O( f ) αµφί λευρη µείωση και τις in-band εντός ζώνης αµφί λευρες L α ώλειες DUP. Σύµφωνα µε το διάγραµµα το φίλτρο στο δέκτη θα ρέ ει να 105

106 αρέχει µείωση 33 db για τα αρακείµενα κανάλια (offset ολίσθηση συχνότητας 5 MHZ). Για µεγαλύτερη ολίσθηση συχνότητας το φίλτρο θα ρέ ει να αρέχει τουλάχιστον 66 db µείωση. Α ό αυτές τις α αιτήσεις τα 33 db ACS είναι δυσκολότερο να ε ιτευχθούν, λόγω της εγγύτητας στην ε ιθυµητή ζώνη σηµάτων. Εντούτοις, αυτές οι α αιτήσεις για µείωση είναι το χειρότερο σενάριο αφού είναι ολύ δύσκολο να ε ιτευχθεί BER όταν ένα ισχυρό σήµα γειτονικού καναλιού είναι αρόν. Οι ACS δοκιµές α αιτούν η κινητή συσκευή να µ ορεί να ε ιτύχει BER λιγότερο α ό όταν η ισχύς P του α οκλειστικού καναλιού ( DPCH -Dedicated Physical Channel Power) είναι -103 dbm και η ισχύς PIoac του γειτονικού καναλιού είναι -52 dbm, δηλαδή το ε ί εδο Παρεµβολής Γειτονικού Καναλιού (ACI-Adjacent Channel Interference) είναι 51 dβ. Πιο συγκεκριµένα Eb ACS = PI oac PADJ = PI oac ( PDPCH + GSPR + GC LIMP ) = I = 52 ( ) = 33dB ό ου GSPR είναι το spreading gain, GC είναι το coding gain, (4.47) E b I είναι ο λόγος της α αιτούµενης ενέργειας ενός bit ρος τη φασµατική υκνότητα ισχύος αρεµβολής και L IMP είναι κά οιες α ώλειες κατά την υλο οίηση. Ε οµένως ένα φίλτρο στο δέκτη θα ρέ ει να είναι ικανό να «εράσει» τις ACS δοκιµές για το χειρότερο σενάριο ου µόλις αρουσιάστηκε. ii) Α όδοση του φίλτρου Έχει α οδειχτεί ότι ένα φίλτρο ου ροσαρµόζεται στις εξωκαναλικές αρεµβολές θα ρέ ει να έχει 8 τουλάχιστον ε ί εδα (taps) για να ε ιτευχθεί η ACS των 33 db ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΝ Ο ΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Έχει ήδη τονιστεί το όσο εριορισµένο αρχίζει να γίνεται το διαθέσιµο φάσµα συχνοτήτων καθώς η τεχνολογία στις κινητές ε ικοινωνίες ανα τύσσεται όλο και ερισσότερο. Η αρεµβολή ενδοδιαµόρφωσης (IMD- Intermodulation Interference) είναι ένα είδος αρεµβολής ου ολύ συχνά αγνοείται. Είναι το είδος της αραµόρφωσης ου εµφανίζεται λόγω της µη γραµµικότητας µιας συσκευής ή ενός συστήµατος όταν δυο ή ερισσότερα σήµατα διέρχονται α ό αυτό ταυτόχρονα. Η αρεµβολή ενδοδιαµόρφωσης 106

107 µ ορεί να ροβλεφθεί και διαφέρει α ό άλλες µορφές αρεµβολής δεδοµένου ότι δηµιουργείται το ίδιο στο ασύρµατο σύστηµα κι όχι άµεσα α ό κά οια εξωτερική ηγή. Στα µη γραµµικά συστήµατα των κινητών ε ικοινωνιών, η ενδοδιαµόρφωση µ ορεί να εµφανιστεί µε δυο διαφορετικούς τύ ους : ο ρώτος τύ ος καλείται in-band (ενδοζωνικός) και αράγεται µέσα στη ζώνη GSM900, GSM1800 ή στο UMTS. Ο τύ ος αυτός αράγεται α ό τις ίδιες τις συχνότητες των συστηµάτων αυτών. Ο δεύτερος τύ ος λέγεται out-of band (εξωζωνικός) και δηµιουργείται «αναµιγνύοντας» τους όρους των αρα άνω συστηµάτων. Εικόνα 4.13 Η ενδοδιαµόρφωση στις κινητές ε ικοινωνίες Ο δεύτερος τύ ος είναι και αυτός µε τη µεγαλύτερη ε ίδραση στα ράδιοσυστήµατα εξαιτίας των υψηλών α αιτήσεων στον λόγο-σήµατος- ρος- αρεµβολή στο σύστηµα UMTS. Η IMD µ ορεί σε αυτήν την ερί τωση να υ οβιβάσει την οιότητα και φυσικά την χωρητικότητα των συστηµάτων αυτών. Τα ισχυρά σήµατα υ ερφορτώνουν κά οιο κύκλωµα στον ασύρµατο δέκτη, αναγκάζοντας το κύκλωµα για να αράγει εσωτερικά τις αρµονικές των ισχυρών σηµάτων. Αυτές οι αρµονικές συνδυάζονται στο δέκτη για να δηµιουργήσουν µια νέα συχνότητα ου δεν ήταν αρούσα στην είσοδό του. Η δηµιουργηµένη συχνότητα, α οκαλούµενη «ροϊόν ενδοδιαµόρφωσης,» αρεµ οδίζει το ασύρµατο σύστηµα µε τον ίδιο σχεδόν τρό ο µε άλλες ηγές αρεµβολής ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Σε αντίθεση µε τα γραµµικά συστήµατα, στην έξοδο ενός µη-γραµµικού συστήµατος οι συχνότητες ου εµφανίζονται δεν είναι µόνο αυτές της εισόδου, αλλά και µια µίξη αυτών. Η µίξη αυτή έχει σαν α οτέλεσµα τη δηµιουργία νέων συχνοτήτων ου ονοµάζονται ροϊόντα ενδοδιαµόρφωσης. Για αράδειγµα, εξετάζοντας ένα µη γραµµικό σύστηµα τρίτου βαθµού, η έξοδος µ ορεί να εκφραστεί σαν ένα ολυώνυµο 3 ου βαθµού: y[ v( t)] = a v( t) + a v( t) + a v( t) (4.48) ό ου y είναι η έξοδος ενός µη γραµµικού συστήµατος 107

108 α είναι οι αράγοντες του ολυωνύµου Το σήµα εισόδου είναι το άθροισµα των σηµάτων : x( t) = X cos( ω t+ ϕ ) + X cos( ω t+ ϕ ) = e + e e + e = X1 + X2 2 2 j( ω t+ ϕ ) j( ω t+ ϕ ) j( ω t+ ϕ ) j( ω t+ ϕ ) ό ου x(t) είναι το σήµα εισόδου Χ1,2 είναι το λάτος του σήµατος ω1,2 είναι η γωνιακή συχνότητα φ1,2 η φάση του σήµατος (4.49) Ε οµένως η έξοδος µ ορεί να γραφτεί: k1 j( ω1 t+ ϕ1 ) j( ω1 t+ ϕ1 ) j( ω2 t+ ϕ2 ) j( ω2 t+ ϕ2 ) y( t) = ( X1( e + e ) + X2( e + e )) + 2 k X 1 e e X 2 e e 4 X X e e e e j( ω1 t+ ϕ1 ) 2 j( ω1 t+ ϕ1 ) 2 2 j( ω2 t+ ϕ2 ) 2 j( ω2 t+ ϕ2 ) + { ( + + 2) + ( + + 2) + j( ω1 t+ ϕ1+ ω2 t+ ϕ2 ) j( ω1 t+ ϕ1+ ω2 t+ ϕ2 ) j( ω1 t+ ϕ1 ω 2t ϕ 2) j( ω1 t+ ϕ1 ω 2t ϕ 2 + ( k X 1 e e e e X 2 e e e e 8 ) (2 2 ) (2 2 ) X X (6e 6e 3e 3e 3 3 ) j( ω1 t+ ϕ1 ) 3 j( ω1 t+ ϕ1 ) j( ω1 t+ ϕ1 ) j( ω1 t+ ϕ1 ) 3 3 j( ω2 t+ ϕ2 ) 3 j( ω2 t+ ϕ2 ) j( ω2 t+ ϕ2 ) j( ω2 t+ ϕ2 ) + { ( ) + ( ) + 2 j( ω2 t+ ϕ2 ) j( ω2 t+ ϕ2 ) j(2ω 1t+ ω2 t+ 2 ϕ1+ ϕ2 ) j(2ω 1t+ ω2 t+ 2ϕ 1+ ϕ2 j ω1 t ω2 t+ ϕ1 ϕ 2 j ω1 t ω2 t+ ϕ1 ϕ e e ) )} + + X X e + e + e + e e e j( ω1 t+ ϕ1 ) j( ω1 t+ ϕ1 ) j(2ω 2t+ ω1 t+ 2 ϕ2+ ϕ1 ) j(2ω 2t+ ω1 t+ 2 ϕ2+ ϕ1 ) j(2ω 2t ω1 t+ 2 ϕ2 ϕ 1) j(2ω 2t ω1 t+ 2 ϕ2 ϕ 1) ( )} ό ου y είναι η έξοδος Χ1,2 είναι το λάτος του σήµατος ω1,2 είναι η γωνιακή συχνότητα φ1,2 η φάση του σήµατος k συντελεστές (4.50) ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΕΝ Ο ΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Α ό την αρα άνω σχέση (4.50) φαίνεται ότι η έξοδος θα έχει διαφορετικές φασµατικές συνιστώσες. Για ω1+ω1-ω1, ω2+ω2-ω2, ω1+ω2-ω2 και ω2+ω1-ω1 οι συνιστώσες θα συµ ί τουν µε το σήµα. Για 2ω2-ω1 και 108

109 2ω1-ω2 µ ορούν να θεωρηθούν σαν ενδοζωνική αραµόρφωση. Η συνιστώσα µε ω2-ω1 εµφανίζεται στη ζώνη βάσης, οι 2ω1, ω1+ω2, 2ω2 στη δεύτερη αρµονική και τέλος οι 3ω1, 2ω1+ω2, 2ω2+ω1, 3ω2 στην τρίτη αρµονική. Στην ερί τωση των GSM900/GSM1800/UMTS, η µη γραµµική αραµόρφωση µ ορεί να α οτελεί ρόβληµα, για τρεις α ό τις αρα άνω ερι τώσεις : στην ερί τωση της ενδοζωνικής αραµόρφωσης, στην δεύτερη αρµονική και στην ερί τωση ου το σήµα συµ ί τει µε το γραµµικό κοµµάτι της εξόδου. Για αράδειγµα σε ένα µη γραµµικό σύστηµα GSM 900 µε δυο φορείς στην είσοδο του ω1=898.4mhz και ω2=905.8mhz τα ροϊόντα ου ροκύ τουν είναι αυτά ου φαίνονται στον ίνακα 4.5. Αν θεωρήσουµε ότι τα δυο ρώτα ροϊόντα αφορούν στον ίδιο φορέα εκµετάλλευσης του δικτύου, τότε το ροϊόν της δεύτερης αρµονικής «έφτει» άνω στο σύστηµα GSM1800 ο ότε αυτό το κοµµάτι του φάσµατος υ οβαθµίζεται. Πίνακας 4.5 Αυτό ου ρέ ει να γίνει σαφές εδώ είναι ότι όταν αναµιγνύονται δυο σήµατα καθώς διέρχονται α ό ένα µη γραµµικό στοιχείο, τότε δηµιουργούνται σήµατα σε νέες συχνότητες. Οι συχνότητες των σηµάτων αυτών είναι αθροίσµατα ή διαφορές των συχνοτήτων των αρχικών σηµάτων ή των αρµονικών τους. Ένας γενικός τύ ος για την εύρεση των ροϊόντων ενδοδιαµόρφωσης είναι ο ακόλουθος ω k =nω i +mω j (4.51) ό ου ωk είναι η συχνότητα του σήµατος εξόδου ωi και ωj είναι οι συχνότητες των σηµάτων εισόδου. Οι ακέραιοι n και m είναι αυτοί ου καθορίζουν την τάξη των ροϊόντων ως εξής τάξη=n+m (4.52) ό ου n,m ακέραιοι 109

110 Οι δυο εικόνες ου ακολουθούν δείχνουν τα ροϊόντα 2 ης και 3 ης τάξης αντίστοιχα. Εικόνα 4.14 Προϊόντα 2 ης τάξης Εικόνα 4.15 Προϊόντα 3 ης τάξης Μια ενδιαφέρουσα ιστοσελίδα για τον υ ολογισµό των ροϊόντων της ενδοδιαµόρφωσης 2 και 3 συχνοτήτων είναι η αρακάτω : ΜΕΤΡΗΣΗ IMD Ένας κατάλληλος τρό ος για να µετρηθεί η IMD είναι να συνδυαστούν δύο ίσης ισχύος σήµατα ου έχουν ένα καθορισµένο διάστηµα µεταξύ των 110

111 συχνοτήτων στην είσοδο της συσκευής ου εξετάζεται. Το φάσµα εξόδου θα µοιάζει µε το σχήµα 4.16: Εικόνα 4.16 Φάσµα εξόδου Τα δύο µεγαλύτερα σήµατα είναι τα ενισχυµένα σήµατα των φορέων, και τα µικρότερα σήµατα, ου α οµακρύνονται α ό τους φορείς και στις δύο κατευθύνσεις, είναι τα 3 ης, 5 ης και 7 ης τάξης ροϊόντα ενδοδιαµόρφωσης αντίστοιχα. Παρατηρείται ότι τα διαστήµατα της συχνότητας µεταξύ των σηµάτων είναι ίσα. Μερικές ενδιαφέρουσες αράµετροι αναλύονται αρακάτω: ο φορέας (carrier - C):είναι η ισχύς του φορέα εκφρασµένη σε dbm. Είναι αρόµοια µε την ισχύ εξόδου, µε τη διαφορά ότι η ισχύς του φορέα µετριέται µε έναν αναλυτή φάσµατος (spectrum analyzer) ενώ η Pout µε ένα ισχυόµετρο µε µόνο ένα RF σήµα εισόδου. 3 ης τάξης ροϊόν ενδοδιαµόρφωσης (I3): είναι η ισχύς του ροϊόντος 3 ης τάξης σε dbm και µετριέται ε ίσης µε spectrum analyzer. Αντίστοιχα υ άρχουν τα ροϊόντα 5 ης και 7 ης τάξης. λόγος φορέα- ρος-3 ης τάξης ροϊόν (C/I3). Αντίστοιχα υ άρχουν οι λόγοι ρος 5 ης και 7 ης τάξης (C/I5 και C/I7). σηµείο τοµής 3 ης τάξης (3 rd order Interception Point IP3): Ως IP3 ορίζεται το σηµείο τοµής της ισχύος εισόδου µε την ισχύ της αρεµβολής ενδοδιαµόρφωσης 3 ης τάξης (σε dbm). Αντίστοιχα υ άρχουν τα σηµεία τοµής 5 ης και 7 ης τάξης (IP5 και IP7). Οι ενισχυτές ου κυκλοφορούν στην αγορά χρησιµο οιούν σαν µέτρο την οσότητα ΙΡ3. Η µέτρηση του ΙΡ3 φαίνεται στην εικόνα Το σηµείο τοµής βρίσκεται αν ροεκταθούν οι καµ ύλες των C και I. Πρόκειται για ένα υ οθετικό σηµείο, αφού στην ράξη το σηµείο αυτό δεν ε ιτυγχάνεται οτέ διότι η ισχύς του ενισχυτή έχει ήδη φτάσει στον κόρο σε αυτή την ισχύ εξόδου. 111

112 Σύµφωνα µε το σχήµα το σήµα της ενδοδιαµόρφωσης θα αύξανε τρεις φορές ιο γρήγορα α ό το σήµα του φορέα. Εικόνα 4.17 Ορισµός του ΙΡ3 Το σχήµα 4.18 αρουσιάζει έναν χαρακτηριστικό τρό ο µέτρησης της IMD. Εικόνα 4.18 Χαρακτηριστικός τρό ος µέτρησης της IMD Α ό τα αρα άνω είναι φανερό ότι η αρεµβολή ενδοδιαµόρφωσης είναι ένα ροβλέψιµο είδος, αφού µ ορεί να υ ολογισθεί η ακριβής «θέση» των συχνοτήτων αρεµβολής. 112

113 Κεφάλαιο 5 Εισαγωγή Στις κινητές κυψελοειδείς ε ικοινωνίες, η ε ίτευξη της µέγιστης χωρητικότητας είναι ο ρωταρχικός στόχος και εξαρτάται α ό το σχεδιασµό για την ε αναχρησιµο οίηση των συχνοτήτων καθώς και τις αρεµβολές ου θα δηµιουργηθούν α ό την ε αναχρησιµο οίηση αυτή. Στο κεφάλαιο αυτό αρουσιάζονται µερικές ροτάσεις σχετικά µε την αντιµετώ ιση του manmade noise και των τριών τύ ων αρεµβολής ου εριγράφηκαν στο Κεφάλαιο DEALING WITH NOISE Ό ως έχει ήδη αναφερθεί ο Θόρυβος υ άρχει άντα και ροέρχεται α ό διάφορες ηγές ό ως για αράδειγµα ατµοσφαιρικές αναταράξεις, διατάξεις ηλεκτρονικών κυκλωµάτων και µηχανήµατα ου χρησιµο οιούνται α ό τον άνθρω ο. Τα ψηφιακά συστήµατα χρησιµο οιούνται δεκαετίες τώρα σε µια ευρεία γκάµα εφαρµογών ό ως είναι η µετάδοση φωνής για στρατιωτικούς σκο ούς, κάτι ου α αιτεί υψηλή ασφάλεια, αλλά και στην καθηµερινή ζωή στα κυψελοειδή συστήµατα κινητών ε ικοινωνιών. Σε τέτοιες εφαρµογές, το σήµα φωνής (ή δεδοµένων) αλλοιώνεται α ό τον εριβαλλοντικό θόρυβο. Αυτός ο ηχητικά ροστιθέµενος αρασιτικός θόρυβος υ οβιβάζει την α όδοση των ψηφιακών ε εξεργαστών φωνής ου χρησιµο οιούνται για τις διάφορες λειτουργίες ό ως τους λεκτικούς συµ ιεστές, τους κωδικο οιητές κ.λ.. Στην λειονότητα των ερι τώσεων, ακριβώς ε ειδή ο θόρυβος εξαρτάται α ό εξωγενείς αράγοντες, είναι ολύ δύσκολο να α οµακρυνθεί, ειδικά σε ένα αστικό εριβάλλον ου συναντώνται όλα τα είδη θορύβου σε µεγάλη κλίµακα. Ε ι λέον, ακριβώς ε ειδή σε κάθε ερί τωση ο θόρυβος έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά ου σχετίζονται µε το εριβάλλον, ένας ενιαίος αλγόριθµος αντιµετώ ισης του είναι αδύνατο να ε ιτευχθεί. 113

114 5.1.1 Η ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΠΡΟ-ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ Σύµφωνα µε µια α ό τις ροτεινόµενες µεθόδους, για να διατηρηθεί το ε ί εδο α όδοσης του συστήµατος, θα ρέ ει στην τεχνική µείωσης να υ άρχει ένα γενικό pre-processor σύστηµα για την καταστολή του θορύβου, ου θα ροσαρµόζεται στον εριβαλλοντικό θόρυβο και θα εφαρµόζει στη συνέχεια έναν κατάλληλο αλγόριθµο. Αυτό το σύστηµα ροσαρµόζεται στον εριβαλλοντικό θόρυβο βασιζόµενο στο εκάστοτε SNR και «ροτείνει» τον αντίστοιχο αλγόριθµο. Το διάγραµµα µ λοκ ενός τέτοιου συστήµατος αρουσιάζεται στην εικόνα 5.1. Εικόνα 5.1 ιάγραµµα µ λοκ της ροτεινόµενης µεθόδου ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΦΩΝΗΤΙΚΗΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ VOICE ACTIVITY DETECTION ALGORITHM (VAD) Όταν τα συστήµατα ε εξεργασίας φωνής σχεδιάζονται για να λειτουργήσουν σε «θορυβώδεις» συνθήκες, α αιτείται µια εκτίµηση των φασµάτων θορύβου ου ε ηρεάζουν το σύστηµα. Σε ένα single channel σύστηµα ο θόρυβος ρέ ει να διαχωριστεί α ό το χρήσιµο λεκτικό σήµα. Μια ιθανή ροσέγγιση είναι να διαιρεθεί το «θορυβώδες» χρήσιµο λεκτικό σήµα (χρήσιµο σήµα ου εριέχει θόρυβο)σε δύο κατηγορίες: λεκτικά τµήµατα και 114

115 µη-λεκτικά τµήµατα. Τα λεκτικά τµήµατα α οτελούνται α ό κοµµάτια ροέκφρασης, έκφρασης φωνής, µετά-έκφρασης και σιω ής µεταξύ των λέξεων. Αλγόριθµοι ου ανιχνεύουν αυτόµατα τα nonspeech τµήµατα είναι α αραίτητα για ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών ό ως η κωδικο οίηση (speech coding), η αναγνώριση (speech recognition), η αύξηση (speech enhancement), κ.λ.. Στην ερί τωση της εκτίµησης των χαρακτηριστικών του θορύβου κατά τη διάρκεια των µη λεκτικών τµηµάτων, ο VAD αλγόριθµος ρέ ει να µ ορεί να ροσαρµοστεί στις αλλαγές των χαρακτηριστικών αυτών. Μια τέτοια ευελιξία είναι αρκετά δύσκολο να ε ιτευχθεί. Τα µη-λεκτικά τµήµατα του σήµατος είναι δυσκολότερο να ανιχνευθούν σε σχέση µε τα τµήµατα ου εριέχουν κά οιο είδος έκφρασης, ε ειδή είναι ιο «κοντά» στο θόρυβο και το SNR είναι γενικά χαµηλότερο σε αυτά. Η ανίχνευση δραστηριότητας φωνής α οτελείται α ό δύο στάδια: Εξαγωγή αραµέτρου Οι σχετικές αράµετροι εξάγονται α ό το λεκτικό σήµα. Προκειµένου να γίνει µια καλή ανίχνευση των λεκτικών εριοχών, οι αράµετροι ου ε ιλέγονται ρέ ει να αρουσιάζουν χαρακτηριστική µεταβολή µεταξύ της οµιλίας και των µη λεκτικών τµηµάτων. Threshold - κατώφλι Ένα κατώτατο όριο εφαρµόζεται στην αράµετρο ροκειµένου να διαιρεθεί το λεκτικό σήµα µεταξύ των τµηµάτων οµιλίας και µη-οµιλίας. Αυτό το κατώτατο όριο µ ορεί να είναι ροκαθορισµένο ή να γίνεται ροσαρµογή του κάθε φορά. Ο θόρυβος µ ορεί να υ ολογιστεί κατά τη διάρκεια των µη-λεκτικών τµηµάτων. Μια τέτοια ροσέγγιση α αιτεί ο θόρυβος είναι σταθερός ή αργά µεταβαλλόµενος. Μερικοί α ό τους αλγορίθµους VAD είναι βασισµένοι σε µετρήσεις της ενέργειας. Αυτοί οι αλγόριθµοι έχουν τα λεονεκτήµατα ότι είναι α λοί και ότι καµία υ όθεση δεν α αιτείται για τα χαρακτηριστικά του θορύβου. Εντούτοις, ακριβώς ε ειδή είναι βασισµένοι στην ενέργεια οι αλγόριθµοι αυτοί είναι ευαίσθητοι στο θόρυβο και ε οµένως, οι αραλλαγές στην κατανοµή του θορύβου µ ορούν να µειώσουν την α όδοση τους. Η λειτουργία ενός VAD αλγόριθµου βασίζεται στην εφαρµογή δυο ενεργειακών καµ υλών άνω στο λαµβανόµενο σήµα. Οι δυο ενεργειακές καµ ύλες έχουν µεν τις ίδιες τιµές, διαφορετικές «ταχύτητες» δε. Αυτό ρακτικά σηµαίνει ότι όταν φτάνει ένα λαίσιο ου εριέχει έκφραση η «γρήγορη» καµ ύλη αυξάνεται γρήγορα ενώ η αργή όχι. 115

116 Η ΜΕΘΟ ΟΣ ΤΗΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΑΦΑΙΡΕΣΗΣ Η φασµατική αφαίρεση (Spectral Subtraction) είναι βασικά µια ροσέγγιση για τον υ ολογισµό της φασµατικής υκνότητας ισχύος του «καθαρού» σήµατος. Αυτό γίνεται µε αφαίρεση της φασµατικής υκνότητας ισχύος του θορύβου α ό την φασµατική υκνότητας ισχύος του υ οβιβασµένου σήµατος. Σε αυτή την ερί τωση το σήµα τεµαχίζεται σε λαίσια (frames) καθένα α ό τα ο οία εριέχει ερί ου δείγµατα φωνής. Τα λεκτικά δείγµατα φιλτράρονται σε low-pass φίλτρο ψηφιο οιούνται και αναλύονται. Υ ολογίζονται τα φασµατικά µεγέθη των τεµαχισµένων δεδοµένων α ό τα ο οία αναιρείται η φασµατική υκνότητα του θορύβου ου υ ολογίζεται κατά τη διάρκεια της µη-λεκτικής δραστηριότητας. Το διάγραµµα µ λοκ ενός τέτοιου αλγόριθµου φαίνεται στην αρακάτω εικόνα 5.2. Εικόνα 5.2 ιάγραµµα µ λοκ αλγόριθµου φασµατικής αφαίρεσης Σε ερί τωση ου ροκύψει αρνητικό εύρος, το λαίσιο αυτό αφαιρείται εξ ολοκλήρου και δεν λαµβάνεται υ όψη. Σε δεύτερο ε ί εδο ο θόρυβος α ό µουσική καταστέλλεται µε διάφορες µεθόδους. Τέλος υ ολογίζεται ξανά η τρο ο οιηµένη κυµατοµορφή. 116

117 5.1.2 ΜΕΙΩΣΗ ΣΕ ΕΠΙΠΕ Ο ΦΙΛΤΡΟΥ Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, η ε εξεργασία των µικροκυµατικών και ράδιο-συχνοτικών σηµάτων σε ε ί εδο ο τικών ινών φαίνεται να α οτελεί µια ελ ιδοφόρο τεχνολογία. Αυτό συµβαίνει κυρίως λόγω του µεγαλύτερου εύρους ζώνης και της αυξανόµενης ευελιξίας των δοµών αυτών σε σύγκριση µε τις ηλεκτρονικές ροσεγγίσεις. Στα µικροκυµατικά φίλτρα φωτονίων το RF σήµα φέρεται α ό έναν optical φορέα και οδηγείται σε ένα κύκλωµα ώστε να γίνει η δειγµατοληψία του στο εδίο του χρόνου. Προς την κατεύθυνση αυτή είναι σε εξέλιξη µια µεγάλη ροσ άθεια κατασκευής φίλτρων υψηλής οιότητας και χαµηλού κόστους. Η χρήση αυτών των φίλτρων για µείωση του θορύβου γίνεται στο front-end ε ί εδο ενός σταθµού βάσης UMTS ριν α ό το φίλτρο ε ιφανειακού ακουστικού κύµατος (SAW filter). 5.2 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ Έχει ήδη τονιστεί σε διάφορα σηµεία της αρούσας δι λωµατικής εργασίας η ε ίδραση των Παρεµβολών στη χωρητικότητα και την οιότητα ενός τηλε ικοινωνιακού συστήµατος. Ό ως και ο θόρυβος έτσι και η αρεµβολη έχει µια ροσθετική και αραµορφωτική ε ίδραση άνω στο σήµα. Η αρεµβολη εµφανίζεται στα κυτταρικά συστήµατα λόγω του γεγονότος ότι το εύρος ζώνης είναι εριορισµένο και για να λειτουργήσει το σύστηµα α αιτείται η ε αναχρησιµο οίηση ορισµένων συχνοτήτων. Η διαχείριση και η καταχώρηση των συχνοτήτων σε ένα κυτταρικό τηλε ικοινωνιακό σύστηµα είναι η βέλτιστη εκµετάλλευση του διαθέσιµου ράδιο-φάσµατος µε τέτοιο τρό ο ώστε να εριορίζονται τα τρία είδη αρεµβολής ου έχουν αναλυθεί ήδη στο τέταρτο Κεφάλαιο ΣΥΓΚΑΝΑΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ Η συγκαναλικη αρεµβολη εµφανίζεται όταν δυο συσκευές µετάδοσης λειτουργούν στην ίδια µ άντα ράδιο-συχνοτήτων και ένας δέκτης ου ροσ αθεί να λάβει το σήµα α ό τον ένα οµ ό, λαµβάνει ε ίσης και ένα σήµα α ό τον δεύτερο οµ ό. Στα κυτταρικά συστήµατα η συγκαναλική αρεµβολή είναι ένας σηµαντικός αράγοντας ου ε ηρεάζει την ε ίδοση του συστήµατος ολύ ερισσότερο α ό το θόρυβο. Σε ερί τωση ου ερισσότερες α ό δυο ηγές αρεµβολής είναι ενεργές, η αρεµβολή µ ορεί να µοντελο οιηθεί σαν γκαουσσιανή διαδικασία ου έχει όµοια χαρακτηριστικά µε το θόρυβο. 117

118 ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΡΙΘΜΟ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΑΝΑ ΣΥΣΤΑ Α Η ε αναχρησιµο οίηση των συχνοτήτων είναι µια α ό τις βασικές αρχές της κυτταρικής ιδέας. Για λογούς ευκολίας, τα κύτταρα α εικονίζονται µε εξαγωνικό σχήµα. Το εξαγωνο είναι ένα α ό τα α λούστερα σχήµατα µε το ο οίο µ ορούµε να ψηφοθετήσουµε µια ε ιφάνεια. Στην ράξη, τα κύτταρα δεν είναι εξάγωνα και οι σταθµοί βάσης δεν το οθετούνται άντοτε στο κέντρο των κυττάρων ό ως φαίνεται και στο σχήµα 5.3 (α) (β) (γ) Εικόνα 5.3 (α)θεωρητικό διάγραµµα κάλυψης, (β)κυψελοειδές λέγµα κυττάρων, (γ)πραγµατικό διάγραµµα κάλυψης Η α όσταση µεταξύ των κέντρων των συστάδων είναι 2 2 D= i + ij+ j (5.1) ό ου D είναι η α όσταση των κέντρων i,j είναι ακέραιοι Η ε ιφάνεια ενός εξαγώνου είναι 2 R Άρα ο αριθµός των κυττάρων σε µια συστάδα είναι R 2 cluster area c 2 D 2 2 N = = = = i + ij+ j 2 cell area R R 2 ό ου Ν είναι ο αριθµός των κυττάρων σε µια συστάδα D είναι η α όσταση των κέντρων i,j είναι ακέραιοι R είναι η ακτίνα του κυττάρου (5.2) Κατά συνέ εια οι δυνατές τιµές του Ν είναι 3, 4, 7, 9, 12 κ.λ.. για α όσταση οµοκαναλικών κυττάρων (i,j) = (1,1), (0,2) (1,2), (0,3), (1,3). 118

119 Η σηµατοθορυβική σχέση (Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio - SINR) µιας ζεύξης µ ορεί να βελτιωθεί αν αυξηθεί η ισχύς εκ οµ ής. Ωστόσο, αν αυξηθεί η ισχύς εκ οµ ής όλων των χρηστών ο λόγος σήµατος ρος αρεµβολή (Signal-to-Interference Ratio - SIR) δεν µ ορεί να βελτιωθεί. Για να βελτιωθεί ο SIR SIR= 6 S k= 1 I k ό ου SIR είναι ο λόγος σήµατος- ρος- αρεµβολη S είναι η ισχύς του σήµατος Ik είναι η αρεµβολή του k-οστού κυττάρου ρέ ει να αυξηθεί η α όσταση µεταξύ συγκαναλικών κελιών, δηλαδή ο λόγος (5.3) q= D / R= 3N (5.4) ό ου q είναι η α όσταση µεταξύ συγκαναλικών κελιών Ν είναι ο αριθµός των κυττάρων σε µια συστάδα D είναι η α όσταση των κέντρων R είναι η ακτίνα του κυττάρου και ε οµένως ο αριθµός των κυττάρων σε µια συστάδα (ο συντελεστής ε αναχρησιµο οίησης Ν). Ο συγκεκριµένος τύ ος έχει ήδη αναφερθεί στο τέλος του ρώτου Κεφαλαίου. Μικρό q σηµαίνει µεγάλη χωρητικότητα ανά κύτταρο (µικρός αριθµός κυττάρων N ανά συστάδα). Η ισχύς του σήµατος S είναι αντιστρόφως ανάλογη της α όστασης d α ό την ηγή και συγκεκριµένα S d n ό ου n είναι ο εκθέτης α ωλειών διάδοσης του καναλιού. Έτσι ο SIR µ ορεί να εκφραστεί στον σταθµό βάσης του κεντρικού κυττάρου συναρτήσει των α οστάσεων n R C/I= SIR= 6 k= 1 D n k ό ου C είναι ο φορέας I είναι η αρεµβολη R είναι η ακτίνα του κυττάρου D είναι η α όσταση των κέντρων SIR είναι ο λόγος σήµατος- ρος- αρεµβολη (5.5) Εδώ ο αρονοµαστής αναφέρεται στους χρήστες σε κύτταρα γειτονικών συστάδων ου χρησιµο οιούν το ίδιο κανάλι. Αν Dk=D είναι η α όσταση µεταξύ των κέντρων των κυττάρων τότε 119

120 n n ( D / R) ( 3 N ) C/I= = (5.6) 6 6 ό ου C είναι ο φορέας I είναι η αρεµβολη R είναι η ακτίνα του κυττάρου D είναι η α όσταση των κέντρων Ν είναι ο αριθµός των κυττάρων σε µια συστάδα Ε οµένως ο C/I βελτιώνεται µε την αύξηση του Ν ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΚΑΝΑΛΙΩΝ Υ άρχουν δυο τεχνικές κατανοµής των καναλιών: η στατική και η δυναµική. Μια τρίτη κατανοµή α οτελεί συνδυασµών αυτών των δυο. Η µέθοδος κατανοµής ε ηρεάζει το handover. Στατική (Fixed) κάθε κύτταρο έχει τα δικά του κανάλια. Μ ορεί να χρησιµο οιήσει µόνο τα κανάλια ου του ανήκουν. Στατική µε ε ίτρεψη δανεισµού καναλιών υ ό την ε ο τεία ενός κέντρου ελέγχου (mobile switching center - MSC). Εντελώς δυναµική ροσφέρει µέγιστη ευελιξία στον χειρισµό των καναλιών. Τα κανάλια δεν κατανέµονται ε ί µονίµου βάσεως. Κατανέµονται α ό το MSC σύµφωνα µε τις αιτήσεις εξυ ηρέτησης. Ένα κανάλι είναι διαθέσιµο µόνο αν δεν χρησιµο οιείται σε µια συστάδα handover ΤΕΜΑΧΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΣΕ ΜΙΚΡΟΖΩΝΕΣ Μια ακόµη ρόταση ρος την κατεύθυνση βελτίωσης του C/I είναι ο τεµαχισµός των κυττάρων σε µικροζώνες (για την ερί τωση CDMA αρχιτεκτονικής). Στην ροτεινόµενη αρχιτεκτονική κάθε cluster εριλαµβάνει ένα µόνο κύτταρο, και κάθε κύτταρο 7 ζώνες. Κάθε οµ ός (κατευθυντικές κεραίες 120 ) το οθετείται στην άκρη κάθε ε ιµέρους ζώνης του κυττάρου ώστε να εκ έµ ει ρος το κέντρο της συστάδας. Αντίθετα ο οµ ός της κεντρικής ζώνης το οθετείται έτσι ώστε να ακτινοβολεί ρος το εξωτερικό µέρος της συστάδας των κυττάρων. Με αυτόν τον τρό ο µόνο 2 οµ οί α ό το κάθε κύτταρο µ ορούν να ε ηρεάσουν την κινητή µονάδα ό ως φαίνεται και στο σχήµα

121 Εικόνα 5.4 Τεµαχισµός των κυττάρων Αντίστοιχα για την ερί τωση ου το κάθε κύτταρο χωρίζεται σε 3 ζώνες, οι οµ οί ου ε ηρεάζουν την κινητή µονάδα είναι αυτοί των ζωνών Α1,Α2,Β1,C1,C2,D1,E1,E2 και F1 ό ως φαίνεται στο σχήµα ΤΕΧΝΙΚΗ BEAMFORMING ΚΑΙ POWER CONTROL Έχει ήδη τονιστεί το όσο σηµαντική είναι η αντιµετώ ιση της Συγκαναλικής Παρεµβολής στα κυψελοειδή συστήµατα κινητών ε ικοινωνιών. Σύµφωνα µε τα όσα γράφηκαν στην ενότητα µ ορεί να µειωθεί µε την αύξηση της α όστασης ε αναχρησιµο οίησης συχνότητας µεταξύ των cochannel κυττάρων κρατώντας σταθερή την ακτίνα. Αυτό όµως µειώνει τη συνολική χωρητικότητα ενός συστήµατος διότι το µέγεθος των συστάδων είναι αντιστρόφως ανάλογο ρος τη χωρητικότητα αυτή. Η τεχνική beamforming, ου υλο οιείται µε τις συστοιχίες κεραιών (antenna arrays) είναι αρκετά α οτελεσµατική στην αντιµετώ ιση της cochannel αρεµβολής, τη στιγµή ου το µέγεθος των clusters αραµένει το ίδιο. Ο αντίστοιχος ελληνικός όρος είναι «διαµόρφωση δέσµης», εφεξής όµως θα χρησιµο οιείται η ξένη ορολογία. Στην τεχνική αυτή, το beamforming γίνεται αρχικά στο σταθµό βάσης για να µειωθεί η uplink cochannel interference και ως εκ τούτου να βελτιωθεί ο λόγος carrier-to-interference (CIR) στην uplink ζεύξη. Κατό ιν γίνεται έλεγχος της ισχύος (control power) µε τη beamforming τεχνική για την εραιτέρω βελτίωση του CIR και ως εκ τούτου αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου. Υ άρχουν αλγόριθµοι ου στοχεύουν στην ε αναλη τική βελτίωση των δυο αυτών αραµέτρων (beamforming και power control). Υ άρχουν αρκετά ακόµη λεονεκτήµατα ου σχετίζονται µε τις δυο αραµέτρους ό ως 121