Παρεμβολές και Τεχνικές Αντιμετώπισης

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ ΤΜΗΜΑ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Παρεμβολές και Τεχνικές Αντιμετώπισης Αθανάσιος Κανάτας Καθηγητής Παν/μίου Πειραιώς Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων Ομοδιαυλικές Παρεμβολές στην ευθεία ζεύξη Για ομοιοκατευθυντικές κεραίες στους ΣΒ, οι ομοδιαυλικές κυψέλες που προκαλούν παρεμβολή είναι πάντα 6 για εξαγωνική δομή και θεωρώντας μόνο την πρώτη (πιο κοντινή) ζώνη.

2 Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων Συμβολίζουμε το διάνυσμα των αποστάσεων από τους ΣΒ σε συγκεκριμένη θέση του ΚΣ DDo, D, D, DN I όπου N I ο αριθμός των ομοδιαυλικών ΣΒ που παρεμβάλουν. Θεωρούμε ότι το επιθυμητό σήμα και οι παρεμβολές ακολουθούν λογαριθμοκανονική κατανομή με την ίδια τυπική απόκλιση. Θα υπολογίσουμε τον λόγο ισχύος επιθυμητού σήματος προς την ισχύ παρεμβολών. 4 Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων Άρα C D0log D 0log db I 0log P 0 0 k I 0log 0 r 0 0 r k k I PrdBDk D00log0 0 r db N k N N P r I P P D P D r /0 D 0 D k

3 5 Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων Να παρατηρήσουμε ότι ενώ κάθε λαμβανόμενη ισχύς ακολουθεί λογαριθμοκανονική κατανομή, το άθροισμα στον παρανομαστή της προηγούμενης δεν ακολουθεί κατ ανάγκη την ίδια κατανομή. Η πιθανότητα ομοδιαυλικής παρεμβολής είναι O D D Pr db thdb Συνήθως ενδιαφέρει το ποσοστό των ζεύξεων που έχουν C/I μεγαλύτερο από το κατώφλι, π.χ. C/I 90 6 Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων Ομοδιαυλικές Παρεμβολές στην αντίστροφη ζεύξη D D D 0 D 6 D D 4 D 5 Ο λόγος σήματος προς παρεμβολή δεν είναι ίδιος στις δύο κατευθύνσεις (ευθεία και αντίστροφη ζεύξη) λόγω του διαφορετικού διανύσματος των αποστάσεων.

4 7 Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων Επιστρέφουμε στην ευθεία ζεύξη και θεωρούμε Μοντέλο απωλειών διάδοσης απλή κλίσης Ο συντελεστής απωλειών διάδοσης είναι κοινός για όλες τις εμπλεκόμενες κυψέλες Οι ΣΒ εκπέμπουν όλοι την ίδια ισχύ C D0log0 D I N D I k o D k Επιπλέον θεωρούμε ότι D R D D o k 8 Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων Άρα D/ R N C I N N I I Λύνοντας ως προς Ν, μπορούμε να υπολογίσουμε την ελάχιστη δυνατή τιμή του Ν ώστε να ικανοποιείται η τιμή κατωφλίου για το C/I C N I I N 4

5 Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων 9 Παράδειγμα : Για το σύστημα MPS ο λόγος C/I πρέπει να είναι τουλάχιστο 8dB. Υποθέτοντας =4 και θεωρώντας μόνο την πρώτη ζώνη ομοδιαυλικών κυψελών, προκύπτει ότι N 6.49, δηλαδή το ελάχιστο μέγεθος του cluster πρέπει να είναι N=7. Παράδειγμα : Για το σύστημα GSM ο λόγος C/I πρέπει να είναι τουλάχιστο 7dB. Υποθέτοντας =.5 και θεωρώντας μόνο την πρώτη ζώνη ομοδιαυλικών κυψελών, προκύπτει ότι N., δηλαδή το ελάχιστο μέγεθος του cluster πρέπει να είναι N=. Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων 0 Νόημα έχουν μόνο οι τιμές Ν=,, 4, 7, 9,,, 9, 7, κλπ. 5

6 Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων Η προηγούμενη σχέση είναι προσεγγιστική και συχνά οπτιμιστική. Για N=7 D-R MS D D-R D D+R D+R Καθορισμός Απόστασης Επαναχρησιμοποίησης Συχνοτήτων Μια πιο ακριβής σχέση για την περίπτωση που N=7 είναι η εξής C I D D D R R R Η οποία για το παράδειγμα του MPS θα δώσει C/I=7.dB δηλαδή πρέπει να αυξήσουμε το Ν στο 9 ή το, που σημαίνει μείωση της χωρητικότητας. 6

7 Τομεοποίηση Κυψελών (Cell Sectorig) Η τομεοποίηση είναι η πλέον κοινή τεχνική για την μείωση των ομοδιαυλικών παρεμβολών. Κάθε κυψέλη χωρίζεται σε τομείς με τη χρήση κατευθυντικών κεραιών (60 ο ή 0 ο ). Τομεοποίηση Κυψελών (Cell Sectorig) 4 Οι συχνότητες χωρίζονται σε ομάδες ανά τομέα. Στην περίπτωση Ν=7 και τομείς 0 ο οι παρεμβάλλοντες ΣΒ είναι. 7

8 8 Τομεοποίηση Κυψελών (Cell Sectorig) 5 Για Ν=7 και 0 ο τομείς, ο λόγος C/I γράφεται C R I D D R D D R R MS Παρεμβάλλοντες BSs D+0,7R D Τομεοποίηση Κυψελών (Cell Sectorig) 6 Για Ν=7 και 60 ο τομείς, ο λόγος C/I γράφεται C R I D R D R N=7 Τομέας-60 o MS Παρεμβάλλων BSs

9 Τομεοποίηση Κυψελών (Cell Sectorig) 7 Αν συγκρίνουμε τις δύο περιπτώσεις (0 ο και 60 ο ) με την ομοιοκατευθυντική κεραία, ως προς τον επιτυγχανόμενο C/I, προκύπτει ότι Για =4, χωρίς τομείς και Ν=7, δηλ. D/R=4.58, C/I=5. ή 7.dB. Για =4, τομείς 0 ο και Ν=7, δηλ. D/R=4.58, C/I=80.95 ή 4.5dB. Άρα κέρδος 7.dB. Για =4, τομείς 60 ο και Ν=7, δηλ. D/R=4.58, C/I=777.0 ή 8.9dB. Άρα κέρδος.6db. Τομεοποίηση Κυψελών (Cell Sectorig) 8 Μειονεκτήματα τομεοποίησης Αυξανόμενος αριθμός κεραιών στο ΣΒ Αυξανόμενος αριθμός μεταπομπών Μειωμένος βαθμός χρησιμοποίησης των διαύλων (αποδοτικότητα διαύλων σε Erlags/chael) Συνήθως συμβολίζουμε τα συστήματα ως εξής : Κ=Α/Β, όπου Κ ο παράγοντας επαναχρησιμοποίησης, Α ο αριθμός των ΣΒ στο cluster και Β ο αριθμός των ομάδων συχνοτήτων στο cluster. Βέβαια (Β/Α) είναι ο αριθμός των κυψελών στο ΣΒ (ή τομείς, sectors). Άρα μπορεί να έχουμε συστήματα Κ=/, /9, /8, 4/, 7/7, 7/, κλπ. 9

10 Τομεοποίηση Κυψελών (Cell Sectorig) 9 Κ=/9 Κ=7/ Τομεοποίηση Κυψελών (Cell Sectorig) 0 Χρήση χρωματικής διαβάθμισης για την απόδοση των ίδιων διαύλων 0

11 Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig) Για την αύξηση της χωρητικότητας ενός συστήματος προβαίνουμε στη διάσπαση των κυψελών. Χωρίζουμε την αρχική κυψέλη σε μικρότερες, εισάγοντας νέους ΣΒ σε προκαθορισμένες θέσεις της αρχικής κυψέλης. Η ισχύς των νέων κυψελών είναι περιορισμένη ώστε να προκύψουν μικρότερες σε ακτίνα κυψέλες και να αυξηθεί η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων. Με τη διάσπαση απαιτούνται και άλλα clusters για να καλύψουν την ίδια γεωγραφική περιοχή και άρα αυξάνεται ο διαθέσιμος αριθμός διαύλων. Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig) Η λαμβανόμενη ισχύς στα όρια της αρχικής κυψέλης είναι ανάλογη της εκπεμπόμενης ισχύος Pr Ro PoR o Ενώ στα όρια της νέας κυψέλης Pr Rs Ps R s Αν π.χ. =.5 και θέλουμε R s =R o /, τότε για να διατηρήσουμε τη λαμβανόμενη ισχύ σταθερή πρέπει να μειώσω την εκπεμπόμενη ισχύ κατά 0.5dB s o s o o P P R / R P / 8 Είναι προφανές ότι αν δεν διασπασθούν όλες οι κυψέλες υπάρχει πρόβλημα προσδιορισμού της ισχύος εκπομπής και της απόδοσης συχνοτήτων.

12 Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig) Η λύση στο πρόβλημα είναι η διαίρεση των συχνοτήτων σε δύο ομάδες. Μια αποδίδεται στις μικρές κυψέλες και μια στις μεγάλες (αρχικές). Μειώνεται βέβαια η αποδοτικότητα των διαύλων. 4 Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig Overlaid) Μια πιο αποδοτική λύση είναι η υπέρθεση νέων κυψελών πάνω στις αρχικές, οι οποίες εξυπηρετούνται από τους ίδιους ΣΒ. Οι δίαυλοι πάλι διαιρούνται σε δύο ομάδες.

13 5 Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig Reuse Partitioig) Χρήση δύο διαφορετικών παραγόντων επαναχρησιμοποίησης στις αρχικές και στις νέες υπερτιθέμενες κυψέλες. Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig) 6 Στην πράξη ο σχεδιαστής επιθυμεί αρχικά να χρησιμοποιήσει μεγάλη ακτίνα κυψελών. Όταν παραστεί ανάγκη να αυξηθεί η χωρητικότητα, θα ακολουθεί συνήθως δύο στάδια Πρώτα τομεοποίηση (διατήρηση ΣΒ και χρήση κατευθυντικών κεραιών για τροφοδοσία των κυψελών από τα άκρα) Στη συνέχεια διάσπαση (: ή :4) με εισαγωγή νέων ΣΒ και μείωση της ισχύος. Προσοχή : Στην τομεοποίηση αλλάζουμε το σχήμα επαναχρησιμοποίησης π.χ. από / σε /9, ενώ στη διάσπαση παραμένει το ίδιο μετά την τομεοποίηση.

14 Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig) 7 Πρώτη Φάση : Τομεοποίηση (0 ο ) Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig) 8 Δεύτερη Φάση : Διάσπαση :4 Οι νέοι ΣΒ τοποθετούνται στο μέσον κάθε πλευράς του εξαγώνου 4

15 Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig) 9 Απόδοση διαύλων στην η Φάση : από Ν= περνάμε σε Κ=/9 Διάσπαση Κυψελών (Cell Splittig) 0 Απόδοση διαύλων στην η Φάση : το σχήμα Κ=/9 διατηρείται Η θέση των ομοδιαυλικών υπολογίζεται εύκολα με i=, j=0 5

16 Απόδοση Διαύλων Α Α Α 4Α 5Α 6Α 7Α Β Β Β 4Β 5Β 6Β 7Β C C C 4C 5C 6C 7C Υπάρχουν ομάδες συχνοτήτων. Στο παράδειγμα έχουμε N = 7. Γειτονικοί δίαυλοι σε κάθε ομάδα απέχουν 0 κανάλια. Γειτονικοί δίαυλοι σε γειτονικές ομάδες (π.χ. Α και Β ) απέχουν 6 κανάλια. Παρεμβολές σε Δίκτυα OFDM (4G) Στα OFDM based 4G δίκτυα ένας βασικός στόχος είναι η επαναχρησιμοποίηση όλων των διαθέσιμων συχνοτήτων σε γειτονικές κυψέλες. Στο OFDM, η βασική μονάδα για το schedulig και την απόδοση πόρων είναι το Resource Block (RB) που αναπαριστά ένα πλήθος από subcarriers που αποδίδονται σε ένα χρήστη στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας. Στα 4G δίκτυα όλα τα BSs εκπέμπουν σε όλα τα διαθέσιμα χρονο συχνοτικά RBs ταυτόχρονα. 6

17 Παρεμβολές σε Δίκτυα OFDM (4G) Διακυψελική παρεμβολή (itercell iterferece) προκαλείται από συγκρούσεις μεταξύ RBs που χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα από πολλές κυψέλες (συνήθως γειτονικές). Επιπλέον, οι κυψέλες στα 4G δίκτυα έχουν μικρότερη ακτίνα λόγω του περιορισμού της ισχύος από τα τερματικά (uplik limited). Η επίδοση του συστήματος καθορίζεται από την πιθανότητα συγκρούσεων καθώς και από την επίδραση μιας σύγκρουσης στο SINR των συγκρουόμενων RBs. Παρεμβολές σε Δίκτυα OFDM (4G) 4 7

18 Παρεμβολές σε Δίκτυα OFDM (4G) 5 Οι τεχνικές Iter Cell Iterferece Coordiatio (ICIC) έρχονται να περιορίσουν το πρόβλημα είτε με την υιοθέτηση συγκεκριμένων προτιμήσεων των γειτονικών κυψελών για διαφορετικά υποσύνολα RBs, είτε με τον περιορισμό της ισχύος των συγκρουόμενων RBs. Στην πράξη απαιτείται συντονισμός BSs. Να σημειωθεί ότι σε πραγματικές συνθήκες το σύνολο των συγκρουόμενων RBs αλλάζει δυναμικά στη συχνότητα και στο χρόνο. Παρεμβολές σε Δίκτυα OFDM (4G) 6 Η διαπραγμάτευση αφορά κύρια σημεία Ο συντονισμός μεταξύ των BSs μπορεί να αυξήσει το συνολικό throughput εις βάρος της backhaul επικοινωνίας και επιπλέον επεξεργασίας. Περιορίζοντας τη χρήση κάποιων RBs περιορίζονται οι συγκρούσεις αλλά υπο χρησιμοποιούνται οι πόροι και μειώνεται η δυνατότητα multi user diversity σε ένα περιβάλλον με επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα διαλείψεις, δηλ. περιορίζεται η χρήση κάποιων subcarriers ή RBs που στιγμιαία βρίσκονται σε ευνοϊκές συνθήκες fadig. Η μεγιστοποίηση του throughput μπορεί να οδηγήσει σε άδικη απόδοση πόρων και άρα σε παραβίαση του QoS. 8

19 Τεχνικές ICIC 7 Power Cotrol: Σε όλα τα συστήματα G και G υπάρχει η έννοια του PC με την οποία ρυθμίζεται η ισχύς εκπομπής από τους χρήστες ανάλογα με την απόσταση από το BS και κατά συνέπεια ανάλογα με τις απώλειες διάδοσης, ώστε η ισχύς που λαμβάνει το BS να είναι σχεδόν σταθερή. Με τη λύση αυτή δεν έχουμε βελτιστοποίηση του συνολικού throughput αλλά εξασφαλίζεται δίκαιη λύση για τους cell edge users. Τεχνικές ICIC 8 Στα 4G δίκτυα προτείνεται το fractioal power cotrol σύμφωνα με το οποίο ένα τμήμα μόνο των απωλειών διάδοσης αντισταθμίζεται. Η λύση αυτή παρέχει βελτίωση μέχρι και 0% στο throughput του sector για περιπτώσεις κυψελών με ακτίνα από 500m ως 000m και badwidth 0MHz. 9

20 Τεχνικές ICIC 9 Fractioal frequecy reuse (FFR): χωρισμός του χρήσιμου εύρους ζώνης σε υποζώνες και απόδοση κάθε υποζώνης σε μια κυψέλη με τρόπο συντονισμένο ώστε να μειώνεται η παρεμβολή. Π.χ. για ένα σχήμα επαναχρησιμοποίησης N = / FFR, σε κάθε κυψέλη αποδίδεται μια υποζώνη που αντιστοιχεί στο / του συνολικού εύρους. Το σχήμα N = / FFR βελτιώνει το SINR αλλά λόγω του περιορισμένου εύρους ζώνης το συνολικό throughput είναι το 75 80% της περίπτωσης με N =. Επιπλέον, το FFR στο LTE OFDM μειώνει τα διαθέσιμα RBs που μπορεί να χρησιμοποιηθούν στο schedulig και άρα στο μέγιστο throughput, επηρεάζοντας το QoS εφαρμογών με μεγάλο badwidth. Τεχνικές ICIC 40 Fractioal Frequecy Reuse 0

21 Τεχνικές ICIC 4 Strict FFR Τεχνικές ICIC 4 daptive FFR (FFR): Προσαρμόζει τις αποδώσεις του FFR ανάλογα με τις παρεμβολές και ρυθμίζει τους χρήστες σε μια υποζώνη βασισμένο σε μετρήσεις του διαύλου (CQI) όπως αυτές παρέχονται από το MS. Η υλοποίηση του ΑFFR βασίζεται στη λογική των Power Badwidth Profiles (PBPs). Η διαφορά στη ΦΠΙ μέσα σε ένα PBP ορίζεται ως power split (PS). Στο επόμενο σχήμα δίνεται παράδειγμα με power split db.

22 Τεχνικές ICIC 4 Τεχνικές FFR 44 Ευχαριστώ για την προσοχή σας Αθανάσιος Κανάτας Καθηγητής Πανεπιστημίου Πειραιώς Τηλ: e mail: kaatas@uipi.gr