PRINCÍPY BUNKOVÝCH RÁDIOVÝCH SIETÍ

Transcript

1 Princípy unkových rádiových sietí PRINCÍPY BUNKOVÝCH RÁDIOVÝCH IETÍ ÚVOD Klasické verejné moilné rádiové siete existovali od roku 9, kedy začala činnosť moilná telefónna sieť v t. Luis (UA). Neskôr zdokonalenie moilných telefónnych sietí prinieslo vysoký stupeň automatizácie, ktorá umožňuje moilným účastníkom viesť hovory rovnako, ako key používali klasický telefón. Bunkové siete sú určitým evolučným zdokonalením predtým existujúcich "konvenčných" moilných telefónnych služie pracujúcich na frekvenciách 0 a 0 MHz. Z hľadiska účastníka nesmú yť adateľné rozdiely medzi klasickými a unkovými sieťami. Oa typy ponúkajú moilným účastníkom rovnakú základnú služu - schopnosť viesť hovor s účastníkom pevnej telefónnej siete, aleo s iným moilným účastníkom jednoducho voľou telefónneho čísla. Architektúra unkovej siete, ktorá ude podronejšie popísaná neskôr, sa podoá sieti, ktorá je tvorená malými olasťami osluhovanými klasickým systémom, vzájomne susediacimi a prepojenými tak, ay ol umožnený prenos hovoru z jednej olasti (unky) do druhej. Zásadný rozdiel medzi unkovými a klasickými sieťami spočíva vo väčšej zložitosti spracovania hovoru v unkovej sieti a s tým súvisiacou väčšou zložitosťou stacionárnych aj moilných staníc. Myšlienka rozdelenia osluhovanej olasti do menších celkov (tzv. uniek) pochádza už z roku 97 od pracovníka Bellových laoratórií D. H. Ringa. Je potrené si uvedomiť, že analógové unkové siete sa významne neodlišujú od klasických sietí, ktoré im predchádzali. Základom ostáva využitie FM modulácie, no novou myšlienkou je unkové usporiadanie. Táto myšlienka priniesla možnosť dosiahnuť takmer neomedzenú kapacitu siete (z hľadiska pokrytia územia) a to ez využitia nejakého zásadného technologického ojavu. Bunková štruktúra je teda systémovou koncepciou, ktorá je nezávislá od rádiovej technológie. Tradičné (neunkové) riešenie predstavuje podoný systém ako je televízne aleo rádiové vysielanie, t. j. výkonný vysielač na najvyššom ode olasti, vyžarujúci rádiový signál až k rádiovému horizontu (~80 km). Výsledkom olo doré pokrytie danej olasti signálom, no súčasne to znamenalo, že malý počet dostupných rádiových kanálov ol lokovaný na veľkej ploche malým počtom hovorov. Bunkový prístup rieši prolém pokrytia olasti odlišne. Model "klasického" rádiového vysielania ol opustený a daná olasť ola rozdelená na menšie časti (unky) s polomerom jednotiek km, ktoré oli osluhované vysielačmi s malým výkonom (or..).

2 Princípy unkových rádiových sietí Vysielač Vysielač s veľkým veľkým výkonom pokrýva signálom olasť výkonom pokrýva signálom celého územia olasť celého územia Bunková sieť pokrýva tú istú Bunková sieť pokrýva tú istú olasť veľkým počtom olasť veľkým počtom uniek uniek využívajúc vysielače využívajúc vysielače s malým s malým výkonom výkonom Or... Porovnanie koncepcie klasickej a unkovej siete Základný prínos unkovej siete spočíva v zmenšení plochy olastí osluhovaných určitými rádiovými kanálmi, čo umožňuje opäť využiť tieto kanály po určitej vzdialenosti v ďalších unkách. Hexagonálny tvar unky predstavuje zjednodušený model rádiového pokrytia každého vysielača a ol prijatý z dôvodu jednoduchšej analýzy unkovej siete. kutočné pokrytie je predstavované amorfným orazcom, ktorý však nie je vhodný na plánovanie a analýzu unkovej siete. Prirodzenejšou voľou reprezentácie tvaru unky y ol kruh, ktorý však neumožňuje realizovať pokrytie určitej olasti ez medzier a prekrytí, čo y komplikovalo ďalšie výpočty v sieti. ARCHITEKTÚRA BUNKOVEJ RÁDIOVEJ IETE Základom každej unkovej siete sú tieto časti (or..): Moilná stanica (ďalej M) moilná telefónna stanica sa skladá z riadiacej časti, vysielača, prijímača, antény a zdroja. Základňová stanica (ďalej Z) zaezpečuje spojenie medzi rádiotelefónnou ústredňou a moilnými stanicami. kladá sa z riadiacej jednotky, zo zariadení jednotlivých rádiových kanálov, antén, napájacieho systému a dátových terminálov. Rádiotelefónna ústredňa (ďalej RTF ústredňa) je centrálnym koordinačným prvkom celej unkovej siete (všetkých základňových staníc) a osahuje unkový procesor a prepojovaciu časť. Zaezpečuje prepojenie unkovej siete s pevnou telefónnou sieťou (prostredníctvom miestnej telefónnej ústredne), ovláda osluhu hovorov, zaezpečuje ich účtovanie ap. Typická RTF ústredňa (označenie MC

3 Princípy unkových rádiových sietí Moile witching Center) osluhuje účastníkov a zaezpečuje realizáciu asi 000 hovorov v danom okamihu. Dataázy slúžia na evidenciu moilných staníc, registráciu predplatených služie a prevádzkových olastí a predstavujú základný informačný prvok pri lokalizácii účastníka. Dohľadové centrum realizuje technický a organizačný dozor nad sieťou. poje unkovej siete rádiové a vysokorýchlostné dátové spoje prepojujú vyššie uvedené zložky unkovej siete. tála telefónna sieť Bunková rádiová sieť Základňová stanica Moilná stanica Telefónna ústredňa Rádiotelefónna ústredňa Bunka poje Dataázy Dohľadové centrum Or... Architektúra unkovej rádiovej siete PRINCÍP ČINNOTI BUNKOVEJ RÁDIOVEJ IETE Komunikácia medzi Z a M je definovaná spoločným rádiovým rozhraním CAI (Common Air Interface), ktorý definuje rôzne kanály. Kanály využívané na rečovú komunikáciu od Z k M sa nazývajú dopredné (forward), aleo zostupné (downlink) rečové kanály a podone kanály využívané na prenos reči od M k Z sú označené ako spätné (reverse), aleo vzostupné (uplink) rečové kanály. Tieto kanály sú plne duplexné, čo znamená, že každý hovor využíva dve rôzne frekvencie aleo časové úseky. Okrem rečových kanálov sa používajú riadiace kanály dopredné a spätné, ktoré sú určené na vytvorenie spoja. Tieto kanály prenášajú informáciu o začatí hovoru, požiadavky na rôzne služy a sú monitorované každou M. Dopredné riadiace kanály sú využívané aj na nepretržité vysielania prevádzkových požiadaviek pre všetky M v sieti. Realizácia hovoru Každá Z vysiela nepretržite signál na zostupnom riadiacom kanáli. M po zapnutí zdroja prehľadáva zoznam zostupných riadiacich kanálov a hľadá signál s najväčším výkonom. Tento kanál potom monitoruje aj v ďalšej prevádzke a akonáhle výkon signálu riadiaceho kanálu poklesne pod stanovenú úroveň, začne opäť prehľadávať zoznam riadiacich kanálov. Príjem hovoru moilnou stanicou Pri volaní moilného účastníka RTF ústredňa vysiela cez zostupné riadiace kanály základňových staníc v sieti vyhľadávaciu informáciu, ktorá osahuje identifikačné číslo moilnej stanice MIN (Moile Identification Numer) slúžiace ako telefónne číslo moilného účastníka. Moilná stanica príjme MIN cez riadiaci kanál, ktorý monitoruje a identifikuje sa cez vzostupný riadiaci kanál. Z odovzdá identifikáciu RTF ústredni, ktorá oznámi Z rečový kanál, na ktorom ude preiehať hovor (typicky je v Z pridelených 0

4 Princípy unkových rádiových sietí 0 rečových kanálov a riadiaci kanál). Z potom signalizuje M ay nastavila frekvencie duplexného páru rečového kanála. Následne cez zostupný rečový kanál vysiela Z dátovú správu, ktorá spustí vyzváňanie v M. Akonáhle začne preiehať hovor, RTF ústredňa adaptívne mení vysielací výkon moilnej stanice a kanály tak, ay kvalita hovoru neklesla pod stanovenú úroveň. Začatie hovoru moilnou stanicou Na vzostupnom riadiacom kanáli vyšle M požiadavku na realizáciu volania. účasne s touto požiadavkou je vyslané vlastné telefónne číslo M (MIN), elektronické sériové číslo EN (Electronic erial Numer), telefónne číslo volaného účastníka a označenie výkonovej triedy moilnej stanice CM (tation Class Mark), ktorá udáva maximálny vysielací výkon danej M. Z príjme tieto údaje a odošle ich RTF ústredni, ktorá overí autentickosť požadovaných služie (zaznamenané v registroch), realizuje spojenie do pevnej telefónnej siete a súčasne oznámi Z a M duplexný pár rečového kanála, na ktorom ude preiehať hovor. Roaming Táto služa umožňuje účastníkom moilných sietí viesť hovory aj v iných olastiach ako v tých, v ktorých si predplatili služy moilnej siete. Keď účastník vstúpi do olasti moilnej siete, v ktorej nemá predplatené služy, je zaregistrovaný ako roamer (cestovateľ). RTF ústredňa pravidelne po určitom čase (niekoľko minút) vysiela gloálny povel cez všetky zostupné riadiace kanály v sieti, v ktorom žiada všetky M, ktoré ešte nie sú registrované, ay vyslali svoje identifikačné čísla MIN a EN cez vzostupný riadiaci kanál. RTF ústredňa potom pomocou ooch čísiel pre neregistrované M vyžiada informáciu o predplatených služách z dataázy domácich účastníkov HLR (Home Location Register). Ak má daný účastník oprávnenie roamingu, je zaregistrovaný ako platiaci účastník a účtovanie služie je automaticky smerované do jeho domácej siete. Registrácia a lokalizácia moilnej stanice M sa po nájdení najsilnejšieho zostupného riadiaceho kanála prihlási do siete (viď vyššie). Tento proces nazvaný registrácia moilnej stanice už ol popísaný vyššie a preto sa sústredíme na ďalšiu funkciu unkovej siete lokalizáciu moilnej stanice. V unkovej sieti je až 80 % hovorov realizovaných z moilnej stanice a len 0 % hovorov sa začína z pevnej telefónnej siete. Táto skutočnosť sa využíva na proces autolokalizácie stanice. Moilná stanica, ktorá začína hovor, určuje sieti olasť (unku), v ktorej sa nachádza. V prípade, že sa moilná stanica pohyuje dlhšiu dou v sieti ez toho, že y viedla nejaký hovor, je informácia o lokalizácii stanice neaktualizovaná. V prípade smerovania hovoru k tejto moilnej stanici sieť musí prehľadávať všetky unky, kým daného účastníka nenájde. Je známych niekoľko spôsoov ako vyhľadať určitú moilnú stanicu v sieti a smerovať k nej hovor:. Záplavové smerovanie. Výzva k moilnej stanici je vysielaná cez všetky riadiace kanály uniek, patriacich určitej RTF ústredni. Ak sa v tejto olasti moilná stanica nenájde, sieť začne prehľadávať olasť patriacu inej RTF ústredni. Základnou výhodou tohto spôsou je jeho jednoduchosť, no nevýhodou je veľké zaťaženie riadiacich kanálov v unkách, v ktorých sa moilná stanica vôec nevyskytuje.. merovanie určené prevádzkovou olasťou. Dataáza RTF ústredne osahuje informáciu, v ktorej prevádzkovej olasti sa nachádza daná moilná stanica. Výzva je potom vysielaná len cez riadiace kanály uniek danej prevádzkovej olasti.

5 Princípy unkových rádiových sietí. merovanie určené unkou. Používa sa pre unky s polomerom desiatky kilometrov. Podľa údajov v dataáze sa výzva vysiela ia v danej unke.. merovanie určené lokalizačnou olasťou. pôso smerovania aplikovaný v digitálnych unkových sieťach, kde lokalizačnú olasť tvorí niekoľko susedných uniek (napr. sedem). Určenie veľkosti lokalizačnej olasti je optimalizačná úloha pre konkrétne rozmiestnenie základňových staníc v sieti. ZÁKLADNÉ PRINCÍPY BUNKOVEJ ARCHITEKTÚRY Bunková architektúra je založená na štyroch základných princípoch:. Vysielače s malým výkonom.. Opakované využitie rádiových kanálov. 7. Delenie uniek a sektorizácia uniek za účelom zväčšenia kapacity siete. 8. Prepnutie hovoru počas prechodu hranicou unky (handover). Vysielače s malým výkonom a opakované využitie rádiových kanálov Vedci z Bellových laoratórií si uvedomili, že ak udú použité vysielače s relatívne nízkym výkonom, čiže, ak sa rádiové signály udú šíriť len na krátke vzdialenosti, je možné opakovane použiť rovnaké frekvenčné kanály pri minimálnom rušení v lízkych olastiach. Tento jav je kľúčovým rysom unkových sietí rozdelenie olasti do veľkého počtu malých uniek, z ktorých každá je osluhovaná vysielačom s nízkym výkonom, pričom rádiové kanály sú opakovane využívané. To umožňuje osluhovať veľký počet účastníkov súčasne. Architektúra klasických sietí viedla k tomu, že tieto siete oli omedzené šumom (t. j. väčší výkon vysielača znamenal lepší pomer signál/šum v prijímači moilnej stanice). Na rozdiel od týchto sietí predstavujú unkové siete tzv. siete omedzené rušením. Každý prijímač siete je vystavený nielen šumovým vplyvom okolia ale hlavne rušiacim signálom prichádzajúcim z uniek, ktoré využívajú rovnaké rádiové kanály. Vplyvy tohto rušenia sú podstatne väčšie ako vplyvy šumu. V unkových rádiových sieťach existuje niekoľko druhov rušenia. Rušenie zo susedného kanála nastane vtedy, keď informácia vysielaná v jednom rádiovom kanáli sa súčasne ojaví aj v kanáli susednom, kde spôsoí rušenie "užitočného" signálu. Zníženie vplyvu tohto rušenia sa rieši tromi spôsomi: filtrovaním signálu na vysielacej strane omedzenie šírky frekvenčného spektra vysielaného signálu, filtrovaním signálu na prijímacej strane odfiltrovanie nežiaduceho (rušiaceho) signálu, organizačným usporiadaním kanálov (or..). BUNKA BUNKA F F F F Or... Organizačné usporiadanie rádiových kanálov.. Dominantnou formou rušenia v unkových RTF sieťach je však rušenie zo zhodného kanála. Pretože toto sa vyskytuje v rovnakom frekvenčnom pásme ako užitočný signál, nemôže yť odstránené filtrovaním. Tento druh rušenia sa stal najdôležitejším omedzujúcim činiteľom, ktorý ovplyvňuje tzv. model opakovania rádiových kanálov. Pomer signál/rušenie, označovaný /I (ignal/interference), je základným činiteľom na aplikovanie modelu opakovania rádiových kanálov. Na vysvetlenie si predstavme situáciu znázornenú na or.

6 Princípy unkových rádiových sietí Na moilnú stanicu pohyujúcu sa v lízkosti hraníc ooch uniek y vplývalo silné rušenie. Toto je dôvod, prečo nemôžu yť použité rovnaké rádiové kanály v susedných unkách. Zóna rušenia je veľmi široká, pretože podmienky šírenia signálu sa neustále menia. Hranice unky musia yť určené tak, ay sa nenachádzali v rušenej zóne (or..). a) ) Or... Definícia hraníc uniek pri použití rovnakých komunikačných kanálov v susedných unkách (a) a pri oddialení uniek () Táto podmienka sa realizuje geografickým oddelením uniek so zhodnými rádiovými kanálmi. Minimálna vzdialenosť medzi dvomi unkami so zhodnými skupinami rádiových kanálov závisí od mnohých činiteľov, napr. od počtu uniek so zhodnými skupinami rádiových kanálov v lízkosti centrálnej unky, profilu terénu, výšky antény, vysielacieho výkonu každej základňovej stanice. Na ojasnenie koncepcie opakovaného využitia kanálov uvažujme unkovú sieť, ktorá má celkove duplexných kanálov. Ak kanálov rozdelíme medzi K uniek tak, že sa neopakujú a každej unke pridelíme skupinu k kanálov, potom celkový počet kanálov môžeme vyjadriť ako k K (.) Počet uniek K, ktoré spoločne používajú kompletnú sadu všetkých pridelených kanálov sa nazýva zväzok kanálov (cluster) (or..). Ak je tento zväzok opäť použitý M-krát v celej sieti, celkový počet duplexných kanálov C predstavuje kapacitu siete C M M k K (.) Činiteľ K sa nazýva aj veľkosť zväzku a typicky nadoúda hodnoty, 7, aleo. Ak redukujeme činiteľ K pri zachovaní rozmeru uniek, potom na pokrytie danej olasti potreujeme viac zväzkov kanálov, čoho dôsledkom je zväčšenie kapacity siete C. Malá hodnota K značí, že unky s rovnakými kanálmi sú ližšie pri see ako pri veľkej hodnote K. Hodnota K je funkciou veľkosti rušenia, ktoré dokáže tolerovať moilná, aleo základňová stanica pri zachovaní požadovanej kvality komunikácie. Z hľadiska návrhu je žiaduce navrhnúť sieť s najmenšou možnou hodnotou K, čím sa maximalizuje kapacita v danej olasti. Koeficient opakovania kanálov unkovej siete je /K, pretože každá unka v skupine má pridelených /K celkového počtu kanálov v sieti.

7 Princípy unkových rádiových sietí Or... Model opakovania kanálov v unkovej sieti Podľa geometrického usporiadania zväzku kanálov (or..) je zrejmé, že prakticky existujú len určité veľkosti zväzkov kanálov, ktoré je možné vyjadriť rovnicou +, (.) K i ij + j kde i a j sú kladné celé čísla. Na nájdenie najližšej unky s rovnakou skupinou kanálov je potrené : 9. posunúť sa o i uniek pozdĺž ľuovoľného radu uniek, potom 0. zmeniť smer o 0 0 proti smeru hodinových ručičiek a posunúť sa o j uniek. V ta... sú uvedené hodnoty i, j a im zodpovedajúce hodnoty činiteľa K. Ta... tanovenie modelov opakovania rádiových kanálov i j K D 0,7,00 0, 7,8 0 9,0,00, 0,9 9 7, 7,9 8 9,7

8 Princípy unkových rádiových sietí 8 Na or... sú znázornené niektoré prakticky používané modely opakovania kanálov v unkových sieťach. K K9 K7 7 D A j A K A A i A A A Or... Modely opakovania rádiových kanálov Na určenie minimálnej vzdialenosti pre opakovanie kanálov D definujme ekvivalentnú olasť, ktorej plocha je totožná s plochou zväzku K uniek v modeli opakovania kanálov (or..7). Je zrejmé, že čím väčšia je hodnota D, tým menšia je možnosť výskytu rušenia z rovnakého kanála. Teoreticky y to znamenalo vyrať model s najväčším počtom uniek, čiže s najväčšou hodnotou K. V skutočnosti je však hodnota K ohraničená zhora maximálnym počtom rádiových kanálov pridelených danej unkovej sieti. Všetky dostupné rádiové kanály sa totiž rozdelia medzi K unkami modelu, čo znamená, že ak hodnota K ude príliš veľká, potom počet rádiových kanálov pridelených každej z K uniek modelu je malý (napr. ak je pre unkovú sieť vyčlenených 000 rádiových kanálov, potom v modeli K je každej zo uniek pridelených 0 rádiových kanálov. Ak však použijeme model K9, poklesne počet rádiových kanálov určených každej z 9-tich uniek na ).

9 Princípy unkových rádiových sietí 9 r ρ n a r pre plochu n-uholníka platí : a n ρ Teda plocha unky : r r r r D K uniek r x Vzdialenosť stredov veľkých olastí D,7r x rx, čiže D r x. Pre plochu ekvivalentnej olasti (K uniek) platí: D x rx D aleo ak vyjadríme plochu pomocou plochy uniek : K K Porovnaním x ooch vzťahov : D r x K r Or..7. Určenie vzdialenosti D Úlohou je teda zistiť minimálnu hodnotu K, pri ktorej unková sieť ešte vyhovuje požiadavkám na kvalitu hovoru. Na zaezpečenie kvality hovoru, ktorá ola určená na základe sujektívnych testov, ola zistená minimálna hodnota /I 8 db (pre analógové siete používajúce FM moduláciu), resp. 9- db (pre digitálne siete). Teraz určíme, v ktorom z uvedených modelov opakovania rádiových kanálov sa hodnota /I najviac priližuje 8 db. Pomer /I v prijímači sledovanej moilnej stanice je daný I N I ( I k ) kde N I je počet rušiacich uniek. Hodnotu /I určujeme v najnevýhodnejšej polohe M z hľadiska rušenia, t. j. na hranici unky. α V tomto ode môžeme hodnotu výkonu užitočného signálu vyjadriť ako r. V hexagonálne tvarovanej unkovej sieti existuje vždy rušiacich uniek s rovnakými kanálmi v. rušiacej olasti (or..). Ak zanedáme tepelný šum, je pomer /I daný I Ak pre jednoduchosť predpokladáme, že D k je rovnaké pre všetkých šesť rušiacich uniek (D D k ), potom sa vzťah (.) zmení r k α D α k k k Dk r α (.) (.)

10 Princípy unkových rádiových sietí 0 ) : a) K ( K ) α (.) I ( K ) Vzťah (.) udáva závislosť pomeru /I od hodnoty veľkosti skupiny kanálov K. Ďalej určíme hodnotu K, ktorá umožní dosiahnuť požadovanú hodnotu pomeru /I 8 db (pre α α ) K 7 I ( ) t.j.,8 db (.7) I ( 7) 7, t.j.8,7 db Z výpočtov vyplýva, že na zaezpečenie požadovanej hodnoty /I 8 db je potrené použiť 7 unkový model. Predošlý predpoklad, že vzdialenosť všetkých rušiacich Z je od M rovnaká, má v mnohých prípadoch optimistický výsledok. Uvažujme teraz reálnejšiu sieť s M, nachádzajúcou sa na hranici vlastnej unky, pričom vzdialenosť k rušiacim Z nie je rovnaká (or..8). K7 (.8) D+r D D- r D+r D- r D Or..8. Medziunkové rušenie v najnevýhodnejšej polohe moilnej stanice Pomer /I môže yť vyjadrený ako I Ak α a q D/r, môžeme vzťah (.9) prepísať I α ( ) α α D r + D + ( D + r ) α r ( ) ( q + q + q + ) (.9) (.0) Dosadením za q, dostaneme /I, (7, db). Teda pre 7 unkový model je hodnota pomeru /I menšia ako 8 db pre najnevýhodnejšiu polohu M. V reálnej situácii, vzhľadom na konfiguráciu terénu, je pomer /I často menší ako 7, db ( db, aleo menší). Ak uvažujeme najhorší prípad rušenia pre sedemunkový model, je zrejmé, že hodnota q, nie je dostatočná pre unkovú sieť so všesmerovými anténami. Za takýchto okolností je potrené voliť sieť s hodnotou q,0 (K ). Tento model zaezpečí dosiahnutie hodnoty /I, db.

11 Princípy unkových rádiových sietí Delenie uniek a sektorizácia uniek V predchádzajúcej časti sme ukázali ako súvisí polomer unky s minimálnou vzdialenosťou potrenou na rozmiestnenie uniek s rovnakými rádiovými kanálmi. Ak dokážeme zmenšiť polomer unky, znamená to, že unky s rovnakou skupinou komunikačných kanálov sa udú nachádzať v menšej asolútnej vzdialenosti a teda na danom území vzrastie kapacita siete. Každé zmenšenie polomeru unky o 0 % vedie k štvornásonému zväčšeniu prenosovej kapacity v danej olasti (or..9)..delenie.delenie Počet kanálov Ak platí: Potom platí: 0r..9. Nárast kapacity pri delení unky r pred delením r po delení (.) Plocha pôvodná unka Plocha nová unka (.) n n C p (.) C kde C n je nová kapacita unky, C p je pôvodná kapacita unky a n je počet delení unky. Potom pre príklad na or..9 je n a nová kapacita je 00 x 00 komunikačných kanálov. Je zrejmé, že vyudovať unkovú sieť s tisícami malých uniek y olo veľmi nákladné. Preto sa hľadal iný spôso, ktorý y umožnil dynamicky vytvárať menšie unky v olastiach, kde to ude nevyhnutne potrené, zatiaľ čo v ostatných olastiach sa môžu ponechať unky pôvodnej veľkosti. Koncepcia, ktorá to umožňuje sa nazýva delenie uniek (Cell plitting). Na začiatku pracuje unková sieť s unkami s pôvodným polomerom. Akonáhle hustota prevádzky dosiahne od, v ktorom existujúci počet rádiových kanálov pridelených unke už nemôže zaezpečiť požadovanú úroveň služy (napr. pravdepodonosť lokovania hovoru max. 0,0), potom je táto unka rozdelená na určitý počet menších uniek. Pretože veľkosť uniek je určená aj výkonmi vysielačov (okrem ostatných spomínaných činiteľov), je potrené regulovať ich výkon v novovytvorených základňových staniciach. Predpokladajme napríklad, že polomer novej unky je po delení polovičný, t. j. r /. Potom výkon prijímaný na hranici pôvodnej unky je α R k Pp r P (.) kde k je konštanta, r je polomer unky a P p je vysielací výkon pôvodnej unky. Podone výkon prijímaný na hranici novej unky je

12 Princípy unkových rádiových sietí α r P R k Pn (.) kde P n je vysielací výkon novej unky. Pretože prijímané výkony v ooch modeloch musia yť rovnaké (P R P R ), platí P n P p (.) Pri hodnote α je P n P p /, t. j. základňová stanica v novej unke musí zmenšiť vysielací výkon krát, t. j. o db. Model opakovania rádiových kanálov, ktorý ol použitý v pôvodnom usporiadaní je opätovne použitý v novej, menšej olasti a celková prevádzková kapacita je toľkokrát väčšia ako pôvodná, koľko olo vytvorených nových uniek. Každá menšia unka má ten istý počet rádiových kanálov ako mala pôvodná unka. Proces delenia uniek môže pokračovať rovnakým spôsoom podľa potrie ďalej. Architekti unkových sietí predpokladali minimálne tri etapy delenia uniek (or..0), pričom pri každej etape je nevyhnutné:. redukovať výkon vysielačov nových základňových staníc (minimalizácia rušenia zo zhodného kanála),. vyudovať nové základňové stanice (aktivovať ich), pričom základná nevýhoda - vysoké náklady, môže yť vyvážená zvýšením príjmov od ďalších účastníkov. Z toho, čo olo doteraz konštatované vyplýva, že poznáme dva základné princípy delenia uniek:. statické delenie,. dynamické delenie. Pri statickom delení sú rozmery uniek vopred prispôsoené požiadavkám prevádzky v danej olasti (or..0). Hlavnou nevýhodou dynamického delenia je jeho realizácia v reálnom čase, pretože je potrené udržať v spojení veľké množstvo preiehajúcich hovorov a po aktivovaní nových základňových staníc tieto hovory na ne prepojiť. Tento prolém je o to zložitejší, že delenie uniek preieha práve v okamihu preťaženia siete. Delenie uniek umožňuje podstatne zväčšiť kapacitu siete. Tým, že zmenšíme polomer unky r a nezmeníme hodnotu pomeru D/r, delenie uniek zväčší počet kanálov na jednotku plochy. α Veľké unky pre prímestské olasti Malé unky pre mestské centrá Or..0. tatické delenie uniek

13 Princípy unkových rádiových sietí Ďalší spôso ako zväčšiť kapacitu siete je nezmeniť polomer unky, ale hľadať metódy na zmenšenie pomeru D/r. V tomto prípade je nárast kapacity dosiahnutý redukciou počtu uniek v skupine a tým následným zväčšením počtu kanálov v danej olasti. Na dosiahnutie tohto cieľa je však potrené redukovať vzájomné rušenie ez zmenšenia hodnoty vysielaného výkonu. Rušenie zo zhodného kanála môže yť redukované nahradením všesmerových antén v Z niekoľkými smerovými anténami, z ktorých každá vyžaruje v určenom sektore unky. V tomto usporiadaní je unka rozdelená na tri aleo na šesť sektorov (sektorizácia uniek) pomocou troch aleo šiestich smerových antén so šírkou vyžarovacieho laloka 0, resp. 0 (or..). Následkom tohto usporiadania je, že Z prijíma rušenie len od časti uniek so zhodnými kanálmi a podone vysiela signál len k časti týchto uniek. Kanály danej unky sú rozdelené do sektorov a sú použité len v príslušných zhodne orientovaných sektoroch. a) ) ektorizácia po 0 Or... ektorizácia uniek pomocou smerových antén 0 (a) a 0 () Na určenie hodnoty /I v sektorovom usporiadaní po 0 uvažujeme opäť najnevýhodnejšiu pozíciu moilnej stanice (or..). a) ) D ruš iace sektory Moilná stanica D + 0,7r D - 0,r M Moilná stanica r Or... Rušenie zo zhodného kanála pre 0 sektory (a) a geometria rušenia pre najnevýhodnejšiu polohu moilnej stanice () Použitím smerových antén so šírkou laloka 0 sa počet rušiacich základňových staníc zredukoval na dve (or..a). V najnevýhodnejšej pozícii moilnej stanice (od M na or..) je táto vzdialená od dvoch rušiacich základňových staníc D+0,7r a D-0,r. Pomer /I pri príjme v moilnej stanici ude aleo I I ( ) D + 0,7r + ( D 0,r ) r ( ) q + 0,7 + ( q 0, ) (.7) (.8) Po dosadení za q, dostaneme /I 7 (,9 db). Z výsledku je zrejmé, že použitie sektorizácie so sektormi 0 zmenšuje hodnotu rušenia zo zhodného kanála. V reálnej situácii, pri vysokej prevádzkovej

14 Princípy unkových rádiových sietí hustote, je hodnota pomeru /I menšia asi o db. Dosiahnutá konečná hodnota /I 7,9 db je ešte prijateľná z hľadiska rušenia. ektorizácia po 0 V tomto prípade je unka rozdelená na sektorov pomocou smerových antén so šírkou laloka vyžarovacieho diagramu 0 (or..). a) ) Moilná stanica M D + 0,7r rušiaci sektor r Or... Rušenie zo zhodného kanála pre 0 sektory (a) a geometria rušenia pre najnevýhodnejšiu pozíciu moilnej stanice () V tomto usporiadaní prichádza rušenie len z jednej základňovej stanice (or..a). Hodnotu pomeru /I určíme takto I r ( D + 0,7r ) ( q + 0,7) (.9) Pre q, dostaneme /I 789 (9 db). To znamená, že použitie sektorových antén 0 prináša ďalšiu redukciu rušenia zo zhodného kanála. Po odpočítaní db (reálna prevádzka) ostávajúca hodnota /I db o db prekračuje minimálnu hodnotu. Ďalšie zlepšenie pomeru /I sa dosahuje sklonom vyžarovacieho diagramu antény Z, pričom v smere k najližším unkám so zhodnými kanálmi je vo vyžarovacom laloku vytvorený zárez. Nevýhodou sektorizácie je zväčšený počet antén Z a pokles zväzkovej účinnosti. Pretože sektorizácia redukuje olasť pokrytia signálom určitou skupinou kanálov, rastie aj počet prepnutí hovoru. Riešenie tohto prolému spočíva v umožnení realizácie sektorového prepnutia hovoru samotnou Z, ez intervencie RTF ústredne. Prepnutie hovoru pri prechode hranicou unky (handover) Jedným z prolémov využívania malých uniek je to, že nie všetky moilné stanice dokončia hovor v hraniciach jednej unky. Vozidlo pohyujúce sa v husto zastavanej mestskej štvrti môže prejsť cez hranicu mnohých uniek skôr ako účastník dokončí hovor. Pretože v susedných unkách sa využívajú odlišné skupiny rádiových kanálov, musí yť hovor "presúvaný" medzi rôznymi rádiovými kanálmi. Celý tento proces sa nazýva prepnutie (handover, aleo handoff). Konvenčná moilná rádiová sieť je ovykle založená na výere jedného, prípadne viacerých kanálov z určitej skupiny pridelenej na použitie v danej olasti. Účastník, ktorý začína hovor v jednej olasti, musí opätovne začať hovor pri presune do druhej olasti, inak ude hovor prerušený. Prepnutie hovoru je proces automatickej zmeny rádiových kanálov v prípade, že sa moilná stanica pohyuje smerom k inej olasti (s inými rádiovými kanálmi) tak, ay hovor mohol pokračovať v novom rádiovom kanáli ez nutnosti jeho opätovného začatia. Podstatu prepnutia hovoru si ukážeme na jednoduchom príklade podľa or...

15 F F F F Princípy unkových rádiových sietí Predpokladajme, že moilná stanica začína hovor v unke B a pohyuje sa smerom k unke B. V určitom okamihu musí yť hovor v rádiovom kanáli F prerušený a opätovne začatý v rádiovom kanáli F unky B. Celý tento proces sa musí realizovať rýchlo a automaticky. B B B B B F F F F F F F F F smer pohyu M Or... Mechanizmus prepnutia hovoru Celkove môžeme metódy prepnutia hovoru rozdeliť na niekoľko skupín (or..). Rozdelenie metód prepnutia hovoru (Handover) Podľa spôsou realizácie Podľa olasti realizácie Podľa počtu komunikujúcich základňových staníc Meranie intenzity signálu moilnej stanice Medziunkové prepnutie hovoru Tvrdé prepnutie hovoru (Hard handover) Meranie vzdialenosti moilnej stanice od základňovej stanice Vnútrounkové prepnutie hovoru Mäkké prepnutie hovoru (oft handover) Meranie pomeru /I v moilnej stanici Meranie itovej chyovosti v moilnej stanici Medzisystémové prepnutie hovoru (Roaming) Or... Rozdelenie metód prepnutia hovoru V rozdelení podľa spôsou realizácie sa prvé dve metódy prepnutia hovoru používajú v analógových unkových sieťach. Klasická metóda merania intenzity signálu moilnej stanice pracuje podľa schémy na or...

16 Princípy unkových rádiových sietí Rádiotelefónna ústredňa 7 M Or... Metóda merania intenzity signálu moilnej stanice Princíp prepnutia hovoru vysvetlíme podľa schémy na or... Keď sa moilná stanica priližuje ku hranici unky, výkon prijímaného signálu vo "vlastnej" základňovej stanici (Z) klesá. Základňová stanica, ktorá realizovala spojenie neustále monitoruje výkon signálu moilnej stanice počas hovoru. Okrem tohto monitorovania preiehajúceho hovoru základňové stanice pomocou tzv. lokalizačného prijímača určujú aj výkon signálu moilných staníc, ktoré sa nachádzajú v susedných unkách. Lokalizačné prijímače vo všetkých Z sú riadené RTF ústredňou, ktorá pomocou nameraných hodnôt z lokalizačných prijímačov určí cieľovú Z, ktorá preerie preiehajúci hovor. Podľa príkladu na or.. lokalizačný prijímač v Z zaznamenáva zväčšujúcu sa hodnotu výkonu signálu M, zatiaľ čo prijímače v Z7 a zaznamenávajú takmer konštantnú hodnotu výkonu. Predpokladajme, že RTF ústredňa zvolí cieľovú unku, vyerie vhodný voľný rádiový kanál a určí správny okamih na začatie procesu prepnutia hovoru. Potom vyšle povel pre moilnú stanicu, ktorý osahuje informáciu o novopridelenom rádiovom kanáli. Táto signalizácia preieha počas hovoru účastníkov tak, že preiehajúci hovor je na veľmi krátky čas prerušený a v tomto intervale sú odoslané príslušné dáta. Moilná stanica sa preladí na nový rádiový kanál a začne vysielať kontrolnú informáciu novej základňovej stanici. V tomto čase RTF ústredňa prepája linky medzi základňovými stanicami. Prerušenie hovoru trvá priližne 00 ms a z hľadiska prenosu reči je zanedateľné. V prípade prenosu dát sa však stratená informácia musí onoviť, napr. metódou ARQ (Automatic Repeat Request - požiadavka na automatické opakovanie). Pri metóde merania vzdialenosti medzi moilnou a základňovou stanicou sleduje moilná stanica riadiaci kanál vlastnej základňovej stanice a okolitých základňových staníc. Meraním fázových rozdielov zistí, ktorá základňová stanica je najližšie a k tej sa prihlási. Základnou nevýhodou tohto spôsou je požiadavka na presnú synchronizáciu vysielania informácie v riadiacich kanáloch. Tento spôso prepnutia hovoru používa analógová sieť C 0 (Nemecko). V digitálnych unkových sieťach sa používajú metódy merania pomeru /I v moilnej stanici, aleo meranie itovej chyovosti v moilnej stanici. Ich spoločnou základnou výhodou je to, že moilná stanica rozhoduje o tom, s ktorou základňovou stanicou ude komunikovať a kedy. Každá M meria výkon prijímaného signálu z okolitých Z a neustále hlási tieto hodnoty osluhujúcej Z. Prepnutie hovoru je realizované, akonáhle výkon prijímaného signálu z niektorej okolitej Z prekročí výkon signálu prijímaného z osluhujúcej Z o určitú hodnotu počas stanoveného časového úseku. Tieto metódy umožňujú podstatne rýchlejšie prepnutie hovoru (typicky trvá celý proces sek.) ako v analógových sieťach (asi 0 sekúnd). Podľa olasti realizácie prepnutia hovoru rozoznávame tri základné druhy prepnutia. Vzhľadom na to, že medziunkové prepnutie hovoru olo už vysvetlené, neudeme sa ním viacej zaoerať. Vnútrounkové prepnutie hovoru je možné realizovať uď medzi jednotlivými kanálmi, aleo medzi sektormi unky. púšťacím mechanizmom je opäť niektorý z parametrov popísaný v rozdelení prepnutia

17 Princípy unkových rádiových sietí 7 podľa spôsou realizácie. Tento spôso prepnutia hovoru je aktuálny hlavne v olastiach s vysokou prevádzkovou hustotou a s malým pohyom moilných staníc (napr. ezšnúrové telefóny). Medzisieťové prepnutie hovoru (roaming) znamená, že moilná stanica, ktorá začala hovor v jednej sieti (prevádzkovanej jedným prevádzkovateľom a osluhovanej jednou RTF ústredňou), môže pokračovať v tomto hovore aj v sieti inej. V súčasnej doe sa pod pojmom roaming chápe skôr možnosť začínať hovory z iných sietí a prijímať v nich hovory. Popísané typy prepnutia hovoru znázorňuje or..7. V rozdelení prepnutí hovoru podľa počtu komunikujúcich základňových staníc rozoznávame dva základné typy. V prípade tvrdého prepnutia hovoru (Hard handover) je komunikácia so základňovou stanicou prerušená skôr ako je osluha moilnej stanice prevzatá inou základňovou stanicou. Tento spôso prepnutia hovoru ol charakteristický pre analógové unkové siete. Pri mäkkom prepnutí hovoru (oft handover) komunikuje moilná stanica súčasne s viacerými základňovými stanicami a preto vlastné prepnutie hovoru sa realizuje ez straty informácie. Pretože realizácia tohto spôsou vyžaduje spracovanie viaccestného signálu, ktorého jednotlivé kópie sú koherentne sčítané v prijímači, využíva sa táto metóda hlavne v systémoch CDMA. RTÚ A RTÚ B Vnútrounkové prepnutie hovoru Medziunkové prepnutie hovoru Bunková sieť A Roaming Bunková sieť B Or..7. Rozdelenie prepnutí hovoru podľa olasti realizácie