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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ:ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μπακογιάννη Γεωργίου του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου:8129 Θέμα «Μελέτη παραμέτρων σύγκλισης ασύρματων τεχνολογιών 3 ης & 4 ης γενιάς με στόχο την αναβάθμιση του QoS» Επιβλέπων Κωτσόπουλος Σταύρος, καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2018

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη παραμέτρων σύγκλισης ασύρματων τεχνολογιών 3 ης & 4 ης γενιάς με στόχο την αναβάθμιση του QoS» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών (Μπακογιάννη Γεωργίου του Γεωργίου) Αριθμός Μητρώου:8129 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Κωτσόπουλος Σταύρος, Θεόδωρος, Καθηγητής Ο διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Αντωνακόπουλος 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη παραμέτρων σύγκλισης ασύρματων τεχνολογιών 3 ης & 4 ης γενιάς με στόχο την αναβάθμιση του QοS» Ο Φοιτητής Ο Επιβλέπων Μπακογιάννης Γεώργιος Κωτσόπουλος Σταύρος, Καθηγητής Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η παρουσίαση ενός ολοκληρωμένου GSM δικτύου. Με τη ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας, οι επικοινωνίες δεν μπορούν να μείνουν πίσω. Οι χρήστες αναζητούν όλο και καλύτερη ποιότητα στις υπηρεσίες που τους παρέχονται. Το σύστημα GSM έχει την δυνατότητα να ικανοποιήσει τις ανάγκες των χρηστών. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια προσπάθεια να εισάγουμε την έννοια του δικτύου GSM καθώς και την εξέλιξη των γενεών των ασύρματων κινητών επικοινωνιών σήμερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται λεπτομερής περιγραφή της αρχιτεκτονικής δομής ενός GSM δικτύου. Αναλύονται τα τρία επίπεδα από τα οποία απαρτίζεται, ο σκοπός που εξυπηρετούν καθώς και τα επιμέρους τμήματα των επιπέδων αυτών. Στο τρίτο κεφάλαιο εισάγεται η έννοια των ηλεκτρικών και ηλεκτρομαγνητικών παραμέτρων και φαίνεται πόσο σημαντικό ρόλο παίζουν στην ποιότητα των υπηρεσιών που παρέχει το δίκτυο. 4

5 Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται αναλυτικά οι κύριες παρεμβολές που μπορεί να υπάρξουν στο δίκτυο καθώς και οι τρόποι με τους οποίους μπορούμε να τις αντιμετωπίσουμε. Επίσης, γίνεται μια παρουσίαση της σωστής διαχείρισης των συχνοτήτων ώστε να αποφύγουμε τυχόν παρεμβολές και να αυξήσουμε το QOS. Στο πέμπτο κεφάλαιο, χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες των προηγούμενων κεφαλαίων, προσομοιώνουμε ένα τέτοιο δίκτυο στο κέντρο της Αττικής. Εισάγουμε κάποιες νέες έννοιες όπως τα Erlang και το blocking probability και αποφασίζουμε να δουλέψουμε σε μοντέλο διαλείψεων Rayleigh. Αυτοματοποιούμε όλη αυτήν την διαδικασία σε κώδικα στην matlab και παραθέτουμε τα αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν. Στο έκτο κεφάλαιο συνοψίζουμε όλα τα παραπάνω και παραθέτουμε τα γενικά συμπεράσματα της διπλωματικής εργασίας. 5

6 Abstract The subject of this thesis is the presentation of a complete GSM network. With the rapid evolution of technology, communications cannot stay behind. Subscribers are looking for even better quality services. GSM system has the ability to meet the need of the users. In the first chapter we attempt to introduce the concept of the GSM network as well as the evolution of generations of wireless mobile communications today. In the second chapter a detailed description of the architectural structure of a GSM network is made. The three levels of which it is composed are analyzed, as well as the purpose they serve and the individual parts of these levels. In the third chapter the concept of electrical and electromagnetic parameters is introduced and it shows how important a role they play in the quality of the services provided by the network. In the fourth chapter we present in detail the main interferences that may exist on the network as well as the ways in which we can deal with them. We also present a good frequency management to avoid interference and increase QOS. In the fifth chapter using the information in the previous chapters, we simulate such a network in the center of Attica. We introduce some new concepts like Erlang and blocking probability and we decide to work on a Rayleigh misfit model. We automate all this process in code in matlab and we list the results that resulted. In the sixth chapter we summarize all the above and list the general conclusions of this thesis. 6

7 7

8 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να αποδώσω τις ευχαριστίες μου σε όλους όσους συνέβαλαν με το έναν ή τον άλλο τρόπο στην ολοκλήρωση αυτής της εργασίας. Πρώτα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα αυτής της διπλωματικής εργασίας και καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών κ. Σταύρο Κωτσόπουλο για την καθοδήγηση και την βοήθεια που παρείχε αλλά και για την αμεσότητα την οποία διαθέτει καθώς και την μεταδοτικότητα κατά την διάρκεια των διαλέξεών του. Έπειτα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συμφοιτητές μου οι οποίοι ήταν δίπλα μου κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων και παρείχαν πολύτιμη βοήθεια. Τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ το οφείλω στην οικογένειά μου για την υποστήριξή τους τόσο στις σπουδές μου όσο και σε κάθε άλλον τομέα της ζωής μου. 8

9 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1- Εισαγωγή στα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα 3ης & 4ης γενιάς 1.1 Εισαγωγή Δίκτυο GSM-900 στην Ελλάδα Δίκτυα 3 ης & 4 ης γενιάς Δίκτυα 3 ης και 3,5 γενιάς Δίκτυα 4 ης γενιάς Qos στα ασύρματα κυψελωτά δίκτυα..20 Κεφάλαιο 2- Αρχιτεκτονική δομή σύγχρονου ασύρματου δικτύου GSM 2.1 Εισαγωγή Επίπεδο ραδιοδικτύου Κυψελοειδής δομή Ο σταθμός Βάσης (BTS) Ελεγκτήρας σταθμού βάσης (BSC) Επίπεδο μεταγωγής HLR (Home Location Registry) και Auc (Authentication Center) VLR (Visitor Location Registry) Ψηφιακά κέντρα (MSC) EIR (Equipment Identity Register) Επίπεδο διαχείρισης (NMS)..30 9

10 Κεφάλαιο 3- Παραμετροποίηση ηλεκτρικών και ηλεκτρομαγνητικών παραμέτρων του δικτύου GSM 3.1 Εισαγωγή Δομή σταθμού βάσης (BTS) Είδη κεραιών Combiners Duplexers Comparatives Ισχύς κεραιών Κέρδος κεραιών (Gain) Σωστή παραμετροποίηση για GSM σύστημα...37 Κεφάλαιο 4- Επισκόπηση των κύριων παρεμβολών και διαχείριση συχνοτήτων 4.1 Εισαγωγή Ομοκαναλική παρεμβολή Παρεμβολή γειτονικού καναλιού Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Διαχείριση συχνοτήτων στο GSM σύστημα 45 Κεφάλαιο 5- Προσομοίωση εφαρμογής δικτύου κινητών επικοινωνιών στην Αττική σε περιβάλλον διαλείψεων Rayleigh- Αποτελέσματα 5.1 Εισαγωγή Εύρεση γεωγραφικής περιοχής- αριθμός κυψελών Συνδρομητικό φορτίο- Blocking probability- Ραδιοδίαυλοι Hardware Cell planning Ισχύς κεραίας εκπομπής

11 5.7 Συναρτήσεις πιθανοτήτων σε μοντέλο διαλείψεων Rayleigh Προσομοίωση σε Matlab Αποτελέσματα 68 Κεφάλαιο 5- Γενικά Συμπεράσματα.70 Αναφορές- Βιβλιογραφία.71 Παράρτημα

12 12

13 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή στα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα 3 ης & 4 ης γενιάς 1.1 Εισαγωγή Η τεχνολογία των κυψελοειδών δικτύων είναι γέννημα των απαιτήσεων της αγοράς κινητής τηλεφωνίας για ποιοτική επικοινωνία και ήρθε να καλύψει τις ελλείψεις που παρουσίαζαν τα παραδοσιακά συστήματα εξαιτίας της φύσης και των αρχών λειτουργίας τους. Η κατασκευή των κυψελοειδών δικτύων (εικόνα 1.1) επιτυγχάνει την αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος από την πλευρά της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Σήμερα, όλα τα πλεονεκτήματα των κυψελοειδών συστημάτων είναι διαθέσιμα στους συνδρομητές κινητής τηλεφωνίας. Εικόνα 1.1 τοπολογία κυψελωτού δικτύου 13

14 Έτσι, η είσοδος της τεχνολογίας των κυψελοειδών συστημάτων αύξησε ετησίως κατά 18% τους χρήστες κινητής τηλεφωνίας σε παγκόσμιο επίπεδο. Ουσιαστικά όταν μιλάμε για κυψελωτά δίκτυα, εννοούμε δίκτυα κινητής τηλεφωνίας με κυψελοειδή μορφή(κανονικου εξαγώνου), που χάρις στην οργανωμένη δομή τους και τα εύχρηστα τεχνικά χαρακτηριστικά τους, αυξάνουν τη συνδρομητική χωρητικότητα του συστήματος, παρέχουν ουσιαστική εκμετάλλευση του προσφερόμενου φάσματος ραδιοσυχνοτήτων και δίνουν παράλληλα δυνατότητα ραδιοκάλυψης σχετικά μεγάλων γεωγραφικών περιοχών, προσφέροντας στους συνδρομητές της κινητής τηλεφωνίας ποιότητα στην επικοινωνία με αποδεκτό κόστος. Αναγνωρίζοντας τα πλεονεκτήματα των κυψελωτών δικτύων, το Ευρωπαϊκό Τηλεπικοινωνιακό Συμβούλιο το 1982, άρχισε την μελέτη για την δημιουργία ενός κοινού Ευρωπαϊκού ψηφιακού συστήματος κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G). Αυτό το σύστημα ονομάστηκε αρχικά Group Special Mobile το οποίο αργότερα μετονομάστηκε σε Global System for Mobile communications (GSM). Tο πρότυπο GSM δεν είναι μόνο Ευρωπαϊκό πρότυπο, αφού υιοθετήθηκε από πολλές άλλες χώρες των άλλων Ηπείρων, εκμεταλλευόμενο διάφορες ζώνες συχνοτήτων. Όλα τα παραπάνω δείχνουν την υπεροχή του δικτύου GSM έναντι όλων των άλλων μέχρι τότε δικτύων. Η δυνατότητα του δικτύου αυτού να παρέχει ασφαλείς και υψηλής ποιότητας επικοινωνίες το έκανε να υιοθετηθεί ταχέως από πολλές χώρες ανά τον κόσμο. Η Ελλάδα δεν αποτέλεσε εξαίρεση η οποία το 1993 άρχισε να το εφαρμόζει. Αρχικά, το GSM λειτουργούσε στην ζώνη των 900 MHz. Στη συνέχεια όμως δόθηκε για τις ανάγκες του συστήματος και η περιοχή των 1800 MHz. 14

15 1.2 Δίκτυο GSM-900 στην Ελλάδα Το 1990 άρχισαν να λειτουργούν τα πρώτα δίκτυα GSM στη ζώνη συχνοτήτων των 900 MHz. Η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU) παραχώρησε ένα ζεύγος συχνοτήτων, από τα 890 έως τα 915 MHz και από τα 935 έως τα 960 MHz. Η πρώτη περιοχή χρησιμοποιείται για την επικοινωνία του κινητού με τον σταθμό βάσης (Up link), ενώ η δεύτερη για την επικοινωνία του σταθμού βάσης με το κινητό (down link). Οι περιοχές (ζώνες) των 25ΜΗz υποδιαιρούνται η καθεμία σε (1 ελεύθερο) κανάλια συχνότητας και κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 200 KHz. Όλο αυτό το σύστημα ονομάστηκε GSM 900 ή Standard GSM. Στην Ελλάδα το σύστημα αυτό άρχισε να χρησιμοποιείται το Σήμερα τρεις πάροχοι μοιράζονται το διαθέσιμο φάσμα στην περιοχή των 900 MHz (εικόνα 1.2) η Vodafone η wind και η Cosmote. Εικόνα 1.2 πάροχοι και φάσμα συχνοτήτων 15

16 1.3 Δίκτυα 3 ης & 4 ης γενιάς Το δίκτυο 2 ης γενιάς GSM παρείχε καινούργιες δυνατότητες στους χρήστες κινητών τηλεφώνων για υψηλής ποιότητας επικοινωνίες. Όμως η συνεχής ανάπτυξη της τεχνολογίας καθώς και η αύξηση των αναγκών των χρηστών οδήγησε στην αναβάθμιση και την δημιουργία νέων τεχνολογιών οι οποίες έρχονται να αναβαθμίσουν την ποιότητα και την εμπειρία των συνδρομητών. Έτσι οδηγούμαστε στη δημιουργία δικτύων 3 ης και 4 ης γενιας Δίκτυα 3 ης και 3.5 γενιάς Ο ερχομός των δικτύων 3ης γενιάς, άνοιξε το δρόμο για την εμφάνιση ακόμα περισσότερων υπηρεσιών, που μέχρι τη στιγμή εκείνη, κανένα από τα προηγούμενα πρότυπα δε μπορούσε να τους προσφέρει. Με ταχύτητες επιπέδου Megabit κάποιος που έχει πρόσβαση σε ένα τέτοιο δίκτυο μπορεί να πλοηγηθεί στο Internet, να επικοινωνήσει χρησιμοποιώντας την υπηρεσία Voice over Internet Protocol (VoIP), να κατεβάσει μουσικά κομμάτια και να χρησιμοποιήσει διάφορες άλλες υπηρεσίες με τη βοήθεια το κινητού του τηλεφώνου. Οι υπηρεσίες που προσφέρονται επεκτείνονται σε υπηρεσίες Internet και σε υπηρεσίες που συνδυάζουν εικόνα και ήχο (multimedia) με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης (εικόνα 1.3). Αντιλαμβανόμαστε ότι η τρίτη γενιά δικτύων ήταν μία πραγματική επανάσταση σε σύγκριση πάντα με την προηγούμενη. Παρ όλα αυτά δεν άφησε πλήρως ικανοποιημένους τους ειδικούς αλλά ούτε και τους χρήστες. Ίσως οι υψηλές προσδοκίες σε συνάρτηση με το τελικό αποτέλεσμα να δημιούργησε μία απογοητευτική τελευταία εντύπωση. Το πιο απογοητευτικό σημείο των 3G δικτύων, είναι ότι τελικά αντί της ύπαρξης ενός παγκόσμιου προτύπου, μόνο στην Αμερική αναπτύχθηκαν τρία ασύμβατα συστήματα. Η φωνή μεταφέρεται με κυκλώματα μεταγωγής χαρακτηριστικό που κληρονομήθηκε από τα δίκτυα 2ης γενιάς και όχι με 16

17 το υποσχόμενο ΙΡ, ενώ οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων δεν είναι αυτοί που είχαν προβλεφθεί. Για αυτό το λόγο προχωρήσαμε στην 3.5 γενιά Η γενιά αυτή περιλαμβάνει τα δίκτυα εκείνα όπου, εκτός από την τεχνολογία WCDMA, έχουν ενσωματώσει και την τεχνολογία High Speed Downlink Packet Access (HSDPA). Το πρότυπο αυτό, αφορά την μετάδοση πακέτων από το σταθμό βάσης προς το χρήστη (downlink) με ρυθμό 5 φορές μεγαλύτερο του UMTS και 15 φορές μεγαλύτερο του GPRS. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι από τα 2 Mbps που μπορεί να προσφέρει το UMTS ο ρυθμός μπορεί να φτάσει θεωρητικά μέχρι και τα 14.4 Mbps. Το HSDPA θεωρείται ως μια εξέλιξη του UMTS προτύπου, παρέχοντας στους χρήστες υψηλότερους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων και μεγαλύτερη χωρητικότητα, με ένα τρόπο ανάλογο με αυτό που προσφέρει το EDGE πρότυπο συγκρινόμενο με το GSM. Παρόλο που κάποια μέρη του προτύπου αυτού θεωρούνται απλά στο να υλοποιηθούν με το υπάρχον υλικό (hardware), το HSDPA σαν γενικότερη έννοια απαιτεί επανασχεδιασμό στην αρχιτεκτονική του δικτύου και αναβάθμιση στο υλικό, όπως αυτό που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί στους σταθμούς βάσης. Οι τελευταίοι, θα πρέπει να είναι ικανοί όχι μόνο να λειτουργούν αποδοτικά με τέτοιους υψηλούς ρυθμούς δεδομένων, αλλά και να να υποστηρίζουν τη λειτουργία περισσότερο πολύπλοκων πρωτοκόλλων. Εικόνα 1.3-δομή δικτύου 3G 17

18 1.3.2 Δίκτυα 4 ης γενιάς Η επίτευξη ενός 4G ολοκληρωμένου συστήματος ασυρμάτων επικοινωνιών ουσιαστικά επιτυγχάνεται με την τεχνολογική εξέλιξη με την ονομασία LTE. Σε σχέση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες GSM, GPRS, EDGE, W-CDMA και το HSPA αυξάνει την χωρητικότητας του δικτύου, του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων ενώ ταυτόχρονα μειώνει τις καθυστερήσεις. Το 3GPP συγκεκριμενοποιεί τις προδιαγραφές του LTΕ στο Release 8 και υπόσχεται ρυθμούς μετάδοσης μέχρι και 300 Mbps στην κάτω ζεύξη με χρήση κεραιών MIMO 4x4 και 75Mbps στην άνω ζεύξη με απλή κεραία για κάθε 20 MHz του ταξινομημένου κατά ζεύγος φάσματος. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές οι ελάχιστοι ρυθμοί μετάδοσης για το LTE είναι τουλάχιστον 100Mbps για την κάτω ζεύξη και 50Mbps για την άνω ζεύξη και η μέγιστη καθυστέρηση με επιστροφή υπολογίζεται στα 10 ms. Για την επίτευξη πλήρους απόδοσης των δυνατοτήτων του LTE σε δικτυακό επίπεδο είναι αναγκαία η μετατροπή των σημερινών υβριδικών δικτύων (κυκλώματος/πακέτου) σε δίκτυα πλήρως βασισμένα σε IP (Internet Protocol). Η δημιουργία ενός ετερογενούς δικτύου με διαφορετικά δίκτυα πρόσβασης και τερματικά τελικών χρηστών όπου θα δίνει την δυνατότητα χρήσης σε πρωτότυπες και επαναστατικές υπηρεσίες, θα υλοποιηθεί μέσω της τέταρτης γενιάς ασύρματων δικτύων. Στο ίδιο περιβάλλον θα είναι ενσωματωμένα δίκτυα 2ης και 3ης γενιάς όπου θα επιτρέπεται η απρόσκοπτη και συνεχής μετάβαση από το ένα σύστημα στο άλλο. Θα περιγράψουμε παρακάτω μερικά από τα χαρακτηριστικά της 4 ης τεχνολογικής γενιάς: Ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης με εύρος από 20 έως 200 Mbps. Ασύρματα LAN και ασύρματα συστήματα πρόσβασης ευρείας ζώνης λειτουργούν ήδη στη ζώνη των 5 GHz και έχουν αναπτυχθεί στην Ιαπωνία (MMAC), στην Ευρώπη (Hyperlan 2) και στην Αμερική (ΙΕΕΕ ) έχουν ταχύτητα μετάδοσης Mbps. Η 10 φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα και το μικρότερο κόστος ανά bit σε σύγκριση με την 3G τεχνολογία. Η υποστήριξη πρωτοκόλλων Internet νέας γενιάς (ΙΡv6) και πολύμετάδοσης(multicasting) είναι σημαντική ιδιαίτερα για εφαρμογές ηλεκτρονικού εμπορίου. 18

19 Η δημιουργία αλγορίθμων για εξοικονόμηση ενέργειας από την μπαταρία της συσκευής και η ύπαρξη ειδικού λογισμικού μέσα στις φορητές συσκευές με σκοπό την προσαρμογή της φυσικής και λογικής πρόσβασης(physical and MAC interface) αναλόγως του δικτύου που χρησιμοποιείται κάθε φορά Η χρήση τεχνολογίας μέσω πρωτοκόλλων IP που θα επιτρέπει την ομαλή διασύνδεση με σταθερά και ασύρματα δίκτυα, καθώς και με συστήματα 3G. Πληρέστερη κάλυψη χώρου με μεταβλητή ταχύτητα μετάδοσης. Υψηλότερες χρησιμοποιούμενες συχνότητες (μέχρι 5 GHz), με εύρος ζώνης ραδιοσυχνοτήτων (RF) ανά κανάλι, 20~100 ΜΗz. Χρησιμοποίηση πολλαπλών κεραιών, τόσο στους σταθμούς βάσης όσο και στις κινητές συσκευές, με χρήση του πρωτοκόλλου ορθογώνιας πολυπλεξίας συχνότητας, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), αλλά και άλλων μεθόδων. Εικόνα 1.4- αρχιτεκτονική δικτύου 4g 19

20 Μερικές από τις εφαρμογές και υπηρεσίες που θα προσφέρουν τα ασύρματα δίκτυα 4ης γενιάς, υπάρχουν ήδη με αποτέλεσμα να βελτιστοποιήσουν τις υπηρεσίες αυτές. Ταυτόχρονα θα δημιουργηθούν και άλλες που θα φέρουν πραγματική επανάσταση στους αντίστοιχους χώρους. Ο τομέας που προβλέπεται να επωφεληθεί από τις εξελίξεις αυτές αναμένεται να είναι το ηλεκτρονικό εμπόριο. Παραθέτουμε παρακάτω τις υπηρεσίες που θα είναι διαθέσιμες στο κοντινό μέλλον και αναμένεται να αλλάξουν την καθημερινότητα μας: Τηλεϊατρική. Με τον όρο αυτόν εννοούμε την γρήγορη μετάδοση δεδομένων για τα ιστορικά των ασθενών, με σεβασμό στα προσωπικά δεδομένα τους και με γνώμονα πάντα το συμφέρον τους, καθώς και την επαναστατική εξέταση και παρακολούθηση από απόσταση. Εκπαίδευση εξ αποστάσεως με χρήση πολυμεσικού υλικού από χρήστες εν κινήσει. Διαδραστική τηλεόραση και βίντεο σύμφωνα με τις προτιμήσεις και το προφίλ του χρήστη. Teleconference.Υπηρεσίες, δηλαδή εικονικής πραγματικότητας πραγματικού χρόνου και θα συμβάλουν στις εικονικές συνεδριάσεις. Ουσιαστικά η εξέλιξη των σημερινών τηλεδιασκέψεων. Εργασία εξ αποστάσεως και online βοήθεια στην εργασία με χρήση φορητών πολυμεσικών συσκευών. Εικονική πλοήγηση. Τοπογραφικά στοιχεία θα είναι πάντα διαθέσιμα και απολύτως ενημερωμένα όσον αφορά την κατάσταση στην οποία βρίσκεται ο χώρος, η τοποθεσία, το κτίριο και η διαδρομή που ενδιαφέρει τον χρήστη. Εφαρμογές διαχείρισης κρίσεων, όπου θα υπάρχει έγκυρη και έγκαιρη πληροφόρηση σε περιπτώσεις φυσικών και άλλων καταστροφών. Βελτίωση της ασφάλειας στην μετάδοση δεδομένων, με αποτέλεσμα την κατακόρυφη αύξηση τον τραπεζικών συναλλαγών των ηλεκτρονικών πληρωμών και γενικότερα του ηλεκτρονικού εμπορίου. 20

21 1.4 QOS στα ασύρματα κυψελωτά δίκτυα Με τον όρο Quality of Service (QOS) εννοούμε την ποιότητα των παρεχομένων υπηρεσιών. Κάθε πάροχος είναι υπεύθυνος ώστε οι συνδρομητές του να απολαμβάνουν υψηλής ποιότητας επικοινωνίες. Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα των ασύρματων κυψελωτών δικτύων είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) και η σωστή αρχιτεκτονική του δικτύου. Η θεωρία μετάδοσης πληροφοριών που αναπτύχθηκε από τον Κλοντ Σάνον (Claude Shannon) κατά την διάρκεια του δευτέρου παγκοσμίου πολέμου, ορίζει την έννοια της χωρητικότητας καναλιού και περιλαμβάνει ένα μαθηματικό μοντέλο μέσω του οποίου είναι δυνατό να μετρηθεί. Σύμφωνα με το θεώρημα του Σάνον η χωρητικότητα του καναλιού εξαρτάται από το εύρος ζώνης του καναλιού και τον λόγο σήματος προς θόρυβο. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο δίνεται από τη σχέση SNR = P Signal P Noise ή σε decibel SNRdb = 10log10( P Signal P Noise ). Σε κάθε ασύρματο κανάλι ο θόρυβος είναι ανεπιθύμητος. Οπότε βρίσκοντας τεχνικές να τον μειώσουμε, αυξάνουμε την ποιότητα του καναλιού. Η χωρητικότητα ενός καναλιού, το εύρος ζώνης καθώς και ο λόγος σήματος προς θόρυβο συνδέονται με το θεώρημα του Σάνον: C= B log2 (1+ S ) όπου C είναι η χωρητικότητα του καναλιού, Β είναι το εύρος ζώνης και N S N ο λόγος σήματος προς θόρυβο. Οπότε ο καλύτερος τρόπος να αυξήσουμε την χωρητικότητα ενός καναλιού είναι είτε να αυξήσουμε το εύρος ζώνης είτε να αυξήσουμε το λόγο σήματος προς θόρυβο. Ακόμα, η σωστή αρχιτεκτονική, τοποθέτηση κεραιών, διαχείρηση συχνοτήτων κτλ, τα οποία θα αναλυθούν εκτενώς παρακάτω, επηρεάζουν την ποιότητα των παρεχομένων υπηρεσιών. 21

22 Κεφάλαιο 2 : Αρχιτεκτονική δομή σύγχρονου ασύρματου δικτύου GSM 2.1 Εισαγωγή Το παρόν κεφάλαιο έχει ως στόχο να δώσει στον αναγνώστη τη βασική ιδέα της αρχιτεκτονικής του GSM. Αναλύονται εκτενώς τα τρία επίπεδα του δικτύου και τα μέρη από τα οποία αποτελούνται (εικόνα 2.1). Εικόνα 2.1- Τα 3 επίπεδα του GSM 22

23 Κάθε ένα από τα 3 επίπεδα αποτελείται από συγκεκριμένα μέρη και είναι υπεύθυνο για συγκεκριμένες λειτουργίες. 2.2 Επίπεδο ραδιοδικτύου Το επίπεδο ραδιοδικτύου είναι ουσιαστικά η γεωγραφική περιοχή στην οποία κινούνται οι συνδρομητές, βρίσκονται τα κεραιοσυστήματα, κτήρια, βουνά, οι γραμμές μεταφοράς, αν υπάρχουν, και λαμβάνουν χώρα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Σε αυτό το επίπεδο γίνεται επίσης η παραμετροποίση των κεραιών και η επιλογή του RF (Radio Frequency) μοντέλου κάλυψης στο οποίο θα αναφερθούμε στο επόμενο κεφάλαιο. (εικόνα 2.2- κυψελοειδής δομή) 23

24 2.2.1 Κυψελοειδής δομή Η εμβέλεια ενός δικτύου GSM σε μία γεωγραφική περιοχή για να γίνει, η περιοχή αυτή διαμελίζεται σε μικρότερες περιοχές που λέγονται κυψέλες, οι οποίες εφάπτονται μεταξύ τους με κάθε κυψέλη να έχει και ένα σταθμό βάσης(base Station), συνθέτοντας έτσι μια δομή κυψελών. Η δομή αυτή επαναλαμβάνεται όσες φορές χρειάζεται για την απαιτούμενη κάλυψη της μιας περιοχής κάνοντας επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων (εικόνα 2.2). Με την μέθοδο αυτή αυξάνεται η χωρητικότητα του δικτύου αλλά πρέπει η ισχύς κάθε κυψέλης να είναι όση χρειάζεται ώστε να μην ξεπερνάει τα όρια της και να υπερχειλίζει άλλες κυψέλες της ίδιας δομής ενώ για να μην δημιουργείται ενδοκαναλική παρεμβολή σε γειτονικές κυψέλες η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων πρέπει να σχεδιάζεται έτσι ώστε να απέχουν επαρκή απόσταση οι κυψέλες μιας δομής που έχουν την ίδια συχνότητα με τις κυψέλες μιας άλλης δομής. Η ακτίνα κάθε κυψέλης σε αραιοκατοικημένες περιοχές είναι έως και 35Km ενώ σε πυκνοκατοικημένες περιοχές δεν ξεπερνά τα 300 μέτρα. Έτσι λοιπόν διακρίνουμε τα παρακάτω είδη κυψελών ή κυττάρων: Κύτταρα μέγιστης κάλυψης (Overlay cells) Τα κύτταρα αυτά έχουν πολύ μεγάλη ακτίνα κάλυψης η οποία φτάνει αρκετές εκατοντάδες χιλιόμετρα (Km). Χρησιμοποιούνται κυρίως στις δορυφορικές κινητές επικοινωνίες για απομακρυσμένες περιοχές. Υπερκύτταρα (Hyper cells) Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης μεγαλύτερη από 20 Km και χρησιμοποιούνται κυρίως σε επαρχιακές περιοχές Μακροκύτταρα (Macro cells) Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης από 1 Km εώς 20 Km και χρησιμοποιούνται κυρίως για κινητές μονάδες σε πυκνοκατοικημένες περιοχές 24

25 Μικροκύτταρα (Micro cells) Έχουν ακτινα κάλυψης από 100 m εώς 1 Km και χρησιμοποιούνται κυρίως στα κέντρα μεγάλων πόλεων Πικοκύτταρα (Pico cells) Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης μικρότερη από 100 m και χρησιμοποιούνται για επικοινωνία μέσα σε κτήρια π.χ γραφεία, καθώς και σε μέσα μαζικής μεταφοράς π.χ λεωφορεία, πλοία κτλ Ο Σταθμός βάσης (BTS) Σταθερές κεραίες που χρησιμοποιούνται για την εξυπηρέτηση της κινητής τηλεφωνίας αναφέρονται ως σταθμοί βάσης κυψελωτών επικοινωνιών ή πύργοι μετάδοσης κινητής τηλεφωνίας. Οι σταθμοί βάσης αποτελούνται από τις κεραίες και τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Για να παρέχεται ικανοποιητική κάλυψη συγκεκριμένης περιοχής και πλήθους χρηστών, οι κεραίες πρέπει να τοποθετούνται σε μεγάλο ύψος και, επομένως, εγκαθίστανται συνήθως σε ταράτσες πολυκατοικιών ή στύλους. Το σύνηθες ύψος εγκαταστάσης σταθμών βάσης κυμαίνεται μεταξύ 15 και 60m. Τα σήματα τροφοδοτούνται προς τις κεραίες μέσω καλωδίων και, στη συνέχεια, εκπέμπονται ως ραδιοκύματα στην περιοχή που περιβάλλει το σταθμό βάσης (εικόνα 2.3). 25

26 Εικόνα 2.3- σταθμοί βάσης κινητών επικοινωνιών Μερικοί σταθμοί βάσης χρησιμοποιούν ομοιοκατευθυντικές κεραίες, οι οποίες μοιάζουν με στύλους ύψους μέτρων. Αυτού του τύπου οι κεραίες απαντώνται συνήθως σε αγροτικές περιοχές. Στους σταθμούς βάσης σε αστικό και προαστιακό περιβάλλον, οι εταιρίες κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιούν συνήθως κεραίες που "φωτίζουν" ορισμένες περιοχές του χώρου (sector antennas). Αυτές οι κεραίες αποτελούνται από ορθογώνια πλαίσια, με διαστάσεις που κυμαίνονται στο εύρος m και διατάσσονται συνήθως σε τρεις ομάδες των τριών κεραιών η καθεμία. Η μια κεραία κάθε ομάδας χρησιμοποιείται για τη μετάδοση σημάτων στα κινητά τηλέφωνα, και οι άλλες δύο κεραίες χρησιμοποιούνται για τη λήψη σημάτων από τα κινητά τηλέφωνα. Εκτός από τα ανωτέρω είδη κεραιών που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία με τα κινητά τηλέφωνα, στους σταθμούς βάσης υπάρχουν και κεραίες σε σχήμα πιάτου/τυμπάνου (dish antenna), οι οποίες αποτελούν τερματικούς κόμβους για τη μικροκυματική σύνδεση και επικοινωνία με άλλους σταθμούς βάσης, εξυπηρετούν δηλαδή τη διασύνδεση του δικτύου. Μερικές φορές, οι σταθμοί βάσης διασυνδέονται μεταξύ τους με υπόγεια καλώδια αντί με μικροκυματικές ασύρματες ζεύξεις. 26

27 Ένα BTS μπορεί να ελέγχει μια ή περισσότερες κεραίες. Η ισχύς των κεραιών σε ένα BTS μπορεί είναι 40W εώς 500W. Όταν ένας χρήστης Α θέλει να πραγματοποιήσει μια κλήση σε έναν άλλο συνδρομητή Β, ο σταθμός βάσης μεταβιβάζει το σήμα με το αίτημά του Α για αναζήτηση και εντοπισμό του άλλου συνδρομητή Β στο τηλεπικοινωνιακό κέντρο της εταιρείας του Α. Το κέντρο της εταιρείας εντοπίζει την κυψέλη στην οποία βρίσκεται ο Β και στέλνει το σήμα στον πλησιέστερο σταθμό βάσης. Από εκεί, πάλι με τη χρήση των διαθέσιμων συχνοτήτων, στέλνεται το σήμα στο κινητό του Β κι έτσι μπορεί να επικοινωνήσει μαζί του ο Α Ελεγκτήρας σταθμού βάσης (BSC) Ο ελεγκτήρας σταθμού βάσης ελέγχει τα σήματα παίρνοντας τα από ένα ή περισσότερα BTS ενώ εκχωρεί και απελευθερώνει κανάλια. Τα σήματα που λαμβάνει τα κατευθύνει στο MSC- Mobile Switching Centre και όταν χρειάζεται μετατρέπει τα 16kbps φωνής που είναι στην κινητή τηλεφωνία σε 64kbps που χρησιμοποιείται στην σταθερή τηλεφωνία. Επίσης διαχειρίζεται τους ραδιοδίαυλους για κάθε σταθμό βάσης που ελέγχει, δηλαδή αναθέτει και απελευθερώνει συχνότητες και χρονοθυρίδες για κάθε συσκευή στην περιοχή του. Ακόμα, αναλαμβάνει τη διαχείρηση συχνοτήτων για την βέλτιστη λειτουργία του συστήματος σε ώρες αιχμής. Δημιουργήθηκε κυρίως για να αποσυμφορήσει τα ψηφιακά κέντρα, στα οποία θα αναφερθούμε παρακάτω. 27

28 2.3 Επίπεδο μεταγωγής (NSS) Το επίπεδο μεταγωγής είναι υπεύθυνο για την διασύνδεση, τον έλεγχο και την δρομολόγηση εισερχόμενων/εξερχόμενων κλήσεων μεταξύ του δικτύου κινητής τηλεφωνίας και ενός άλλου δικτύου ή άλλων. Τα σημαντικότερα μέρη από τα οποία αποτελείται είναι οι βάσεις δεδομένων : HLR, VLR, EIR καθώς και τα ψηφιακά κέντρα (MSC) (εικόνα 2.4). εικόνα 2.4- NSS HLR (Home Location Register) και AuC (Authentication Center) Η βάση δεδομένων HLR είναι αναγκαία για κάθε πάροχο κινητής τηλεφωνίας για την αποθήκευση δεδομένων. Συνηθίζεται όμως να έχουν στην κατοχή τους τουλάχιστον δύο για λόγους ασφαλείας π.χ περίπτωση βλάβης. Αποθηκεύονται προσωπικές πληροφορίες για κάθε συνδρομητή καθώς και κάποια στοιχεία για την εκάστοτε θέση του. Δηλαδή κάποιες από αυτές τις πληροφορίες είναι μόνιμες και κάποιες αλλάζουν κάθε χρονική στιγμή. Λόγω τις ευαισθησίας των δεδομένων που είναι αποθηκευμένες στην HLR απαιτείται μέγιστη ασφάλεια από την πλευρά του παρόχου. Η ταχύτητα ανάγνωσης της συγκεκριμένης βάσης δεδομένων επηρεάζει άμεσα τον χρόνο αποκατάστασης των κλήσεων. 28

29 Ένα μέρος της HLR είναι και το κέντρο πιστοποίησης (AuC), το οποίο είναι υπεύθυνο για την πιστοποίηση, ασφάλεια και κρυπτογράφηση των πληροφοριών των συνδρομητών ώστε να μπορούν να σταλούν με ασφάλεια στις VLR VLR (Visitor Location Register) Αντίστοιχα με την HLR, και η VLR είναι μια βάση δεδομένων με διαφορετικές όμως λειτουργίες. Κύρια διαφορά τους είναι ότι στη VLR αποθηκεύονται μόνο δυναμικά και όχι στατικά δεδομένα. Υπάρχει μια VLR για κάθε ένα ψηφιακό κέντρο. Όταν ένας χρήστης μετακινηθεί σε μια περιοχή η οποία ελέγχεται από διαφορετικό ψηφιακό κέντρο τότε η VLR του ψηφιακού κέντρου που ήτανε στέλνει τις πληροφορίες του χρήστη στην VLR του ψηφιακού κέντρου που πρόκειται να πάει. Κάποιες φορές η VLR πρέπει να επικοινωνήσει με την HLR για επιπλέον πληροφορίες. Γίνεται αντιληπτό ότι η VLR περιορίζεται σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Αξίζει να σημειωθεί ότι ενώ τα standards του GSM επιτρέπουν τη σύνδεση μιας VLR με πολλαπλά ψηφιακά κέντρα, συνηθίζεται να συνδέουμε κάθε VLR με ένα ψηφιακό κέντρο Ψηφιακά κέντρα (MSC) Το ψηφιακό κέντρο (MSC) δέχεται τις κλήσεις και τις προωθεί στο συνδρομητή. Ακόμα είναι υπεύθυνο για τις χρεώσεις των κλήσεων καθώς και για άλλες λειτουργίες όπως η πιστοποίηση. Δηλαδή εκτελεί όλες τις διαδικασίες μεταγωγής σε μια συγκεκριμένη 29

30 γεωγραφική περιοχή. Τα standards του GSM επιτρέπουν στα ψηφιακά κέντρα, τα οποία αναφέρονται και ως κέντρα μεταγωγής, να ελέγχουν έως 124 σταθμούς βάσης. Διασυνδέονται μεταξύ τους με τοπολογία πλέγματος (εικόνα 2.5) ώστε αν δημιουργηθεί πρόβλημα σε κάποιον δίαυλο η δρομολόγηση να γίνει από κάποιο ενναλακτικό μονοπάτι. Επίσης μειώνεται ο χρόνος δρομολόγησης καθώς πάντα αναζητείται το συντομότερο μονοπάτι. Εικόνα 2.5- τοπολογία MSC Κάποια ψηφιακά κέντρα τα οποία ονομάζονται ψηφιακά κέντρα πύλη (GMSC) διαθέτουν τις κατάλληλες διεπαφές για επικοινωνία με άλλα δίκτυα. Π.χ όταν ένας συνδρομητής θέλει να επικοινωνήσει με χρήστη άλλου δικτύου (GSM, PSTN) τότε το GMSC είναι υπεύθυνο για την δρομολόγηση της κλήσης. Ουσιαστικά τα GMSC είναι ίδια από πλευράς hardware με τα MSC, με τη μόνη διαφορά ότι έχουν πιο εμπλουτισμένο software EIR (Equipment Identity Register) 30

31 H EIR είναι άλλη μια βάση δεδομένων στην οποία αποθηκεύονται όλες οι IMEI ταυτότητες των κινητών συσκευών. Είναι ανεξάρτητη των συνδρομητών και οι πληροφορίες που έχει αφορούν μόνο τις κινητές συσκευές. Ακόμα παρέχει ένα είδος ασφάλειας από την άποψη ότι αν κάποιος συνδρομητής καταγγείλει κλοπή κάποιας τηλεφωνικής συσκευής, αμέσως η συσκευή αυτή μπορεί να αχρηστευθεί. 2.4 Επίπεδο διαχείρισης(nms) Το επίπεδο διαχείρισης διαδραματίζει έναν πολύ σημαντικό ρόλο στην σωστή λειτουργία του δικτύου καθώς και στην εμπορική του επιτυχία. Ουσιαστικά είναι το επίπεδο το οποίο ελέγχει τα άλλα δύο επίπεδα χρησιμοποιώντας το κατάλληλο software. Είναι υπεύθυνο για την καταγραφή σφαλμάτων στις μονάδες των δύο προηγούμενων επιπέδων καθώς και για τις ενέργειες διόρθωσης αυτών. Επίσης διαθέτει και διαχειρίζεται τις κατάλληλες διεπαφές για την λειτουργία του δικτύου καθώς και την επικοινωνία με άλλα δίκτυα. Συνοπτικά το επίπεδο διαχείρισης είναι υπεύθυνο για: Την ασφάλεια του δικτύου Τις λειτουργίες συντήρησης Τη διαχείριση σφαλμάτων του δικτύου Την παρακολούθηση της απόδοσης του δικτύου Την καταγραφή της κίνησης του δικτύου 31

32 Κεφάλαιο 3 : Παραμετροποίηση ηλεκτρικών και ηλεκτρομαγνητικών παραμέτρων του δικτύου GSM 3.1 Εισαγωγή Εκτός από τη σωστή δομή που πρέπει να έχει ένα λειτουργικό GSM σύστημα, η οποία αναφέρθηκε εκτενώς στο προηγούμενο κεφάλαιο, υπάρχουν και κάποιοι άλλοι παράμετροι οι οποίοι θα κάνουν το σύστημα πετυχημένο. Η σωστή δομή του σταθμού βάσης (BTS), η κατάλληλη ισχύς και το κατάλληλο κέρδος είναι μερικές τέτοιοι παράμετροι. Η μελέτη αυτών των παραμέτρων είναι ένα μεγάλο κομμάτι της δουλείας ενός RF(Radio Frequency) engineer καθώς ορίζουν σε πολύ μεγάλο βαθμό την ποιότητα του δικτύου. 3.2 Δομή σταθμού βάσης (BTS) Κάθε σταθμός βάσης (εικόνα 3.1) αποτελείται από κάποια συγκεκριμένα τμήματα. Το βασικότερο είναι η κεραίες, οι οποίες είναι απαραίτητες τόσο για την εκπομπή όσο και για τη λήψη των σημάτων. Ως αποτέλεσμα, χρειάζεται σε βάθος μελέτη για την επιλογή της κατάλληλης κεραίας από πλευράς μηχανικού. Ακόμη χρειάζεται η ύπαρξη κατάλληλων ενισχυτών και φίλτρων (duplexers, combiners) καθώς τις περισσότερες φορές το σήμα στην κεραία λήψης φτάνει αποδυναμωμένο. Πρακτικά o Σταθμός Βάσης 32

33 συνδέει το Κινητό Σταθμό (Mobile Station) με το Βασικό Σταθμό Ελέγχου (Base Station Controler).. Ο τρόπος που λειτουργεί είναι με τη χρήση ενός η περισσοτέρων ζεύγη συχνοτήτων, όπου η μία συχνότητα χρησιμοποιείται για την μεταφορά δεδομένων από το χρήστη στο δίκτυο (uplink) και το άλλο για την μεταφορά από το σταθμό στο χρήστη (downlink). Εικόνα 3.1- Εσωτερική δομή BTS Ένα BTS δεν ταυτίζεται υποχρεωτικά με ένα κελί-κυψέλη αλλά μπορεί και με περισσότερα αν αντί για ομοιοκατευθυντική κεραία χρησιμοποιεί κατευθυντική. Η ισχύς των κεραιών σε ένα BTS μπορεί είναι 40W έως 500W. Το πεδίο μιας GSM κεραίας ενός 33

34 σταθμού βάσης ή κινητής μονάδας, είναι παλμικό με κανάλια διάρκειας 4,616 ή 9,232 msec το καθένα, που είναι χωρισμένα σε 8 ή 16 διαστήματα-χρονοθυρίδες, διάρκειας msec η καθεμία (8Χ0,577 ή 16Χ0,577 ). Κάθε χρήστης δεσμεύει για μια τηλεφωνική κλήση από μια χρονοθυρίδα άρα ένα κανάλι μπορεί να χρησιμοποιηθεί μέχρι και από 8 ή 16 συνδρομητές ταυτόχρονα. Οι 8 ή 16 χρονοθυρίδες που χωρίζονται σε ένα κανάλι αποκαλούνται πλαίσιο TDMA ενώ κάθε χρονοθυρίδα αντιστοιχεί σε 156 bits. Όπως βλέπουμε τα BTS χρησιμοποιούνται σχεδόν μόνο στο φυσικό στρώμα και δεν μπορούν να κάνουμε πολύπλοκες εργασίες γι'αυτό ελέγχονται από τα BSC Είδη κεραιών Από την επινόηση των ραδιοεπικοινωνιών έχει αναπτυχθεί μια ποικιλία κεραιών, ώστε να καλύπτουν τις ειδικές ανάγκες διαφόρων εφαρμογών και να διευκολύνεται η κατασκευή και ένταξή τους στο φυσικό και δομημένο περιβάλλον. Οι κεραίες εντάσσονται στις ακόλουθες κατηγορίες: Δίπολα και παραλλαγές αυτών. Πρόκειται για την μεγαλύτερη κατηγορία, ευρύτατα χρησιμοποιούμενη από 2 MHz έως 4 GHz. Κατακόρυφες κεραίες Marconi. Χρησιμοποιούνται από τις πολύ χαμηλές συχνότητες μέχρι τους 5 GHz. Δεν είναι αυτόνομες αλλά συνεργάζονται με κάποιο "έδαφος", που μπορεί να είναι το φυσικό έδαφος, μια αγώγιμη μεταλλική επιφάνεια ή μεταλλικοί αγωγοί. Κεραίες βρόχου (loop) Διάφορες απεριοδικές κεραίες, όπως ρομβικές, V, discone και ελικοειδείς. Χοανοειδείς κεραίες (horn), συνεργάζονται καλύτερα με κυματοδηγούς και χρησιμοποιούντα σε συχνότητες άνω του 1 GHz. 34

35 Μεγάλη προσοχή θέλει και η επιλογή κεραίας με το κατάλληλο διάγραμμα ακτινοβολίας. Για τα κυψελωτά δίκτυα χρησιμοποιούνται είτε κατευθυντικές είτε παντοκατευθυντική (εικόνα 3.2) Εικόνα 3.2- Στα αριστερά φαίνεται μια παντοκατευθυντική κεραία ενώ στα δεξιά μια κατευθυντική Ενώ και τα δύο είδη κεραιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τις ανάγκες του GSM, συνηθίζονται οι κατευθυντικές κεραίες. Η φιλοσοφία είναι ότι σε έναν πυλώνα τοποθετούνται τρεις κεραίες και η καθεμία από αυτές καλύπτει ηλεκτρομαγνητικά μια κυψέλη όπως στο σχήμα της εικόνας

36 Εικόνα 3.3- ηλ/μαγνητική κάλυψη κατευθυντικών κεραιών Αυτό γίνεται και για οικονομικούς λόγους καθώς η κατασκευή κάθε πυλώνα για δίκτυα κινητών επικοινωνιών κοστίζει πολύ για τους παρόχους. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι σε κάθε τέτοιο σύστημα χρησιμοποιούνται δύο κεραίες λήψης και μια κεραία εκπομπής καθώς η μικρή ισχύς των κινητών συσκευών κάνει το σήμα πιο δύσκολο να ανιχνευθεί από την κεραία Combiners Οι συνδυαστές ισχύος (combiners) είναι φίλτρα τα οποία συνδέονται με την κεραία εκπομπής και ο λόγος που υπάρχουν είναι να συνδυάσουν τα διαφορετικά σήματα, δηλαδή τις διαφορετικές συχνότητες που φεύγουν από κάθε πομπό. Π.χ αν σε μια κυψέλη αντιστοιχούν δέκα συχνότητες, δηλαδή υπάρχουν δέκα πομποί και λειτουργούν και οι δέκα ταυτόχρονα, οι combiners είναι αναγκαίοι καθώς και τα δέκα αυτά σήματα πρέπει να σταλούν από μια κεραία. Ο combiner με κατάλληλες διαδικασίες πολυπλέκει 36

37 τα σήματα αυτά σε ένα και ως αποτέλεσμα δεν χρειαζόμαστε πάνω από μια κεραία εκπομπής Duplexers Οι duplexers είναι και αυτοί φίλτρα με λίγο διαφορετική λειτουργία. Όταν το σήμα φτάσει στην κεραία λήψης, πρέπει να γίνει αποδιαμόρφωση, κάτι το οποίο κάνουν οι duplexers. Δηλαδή, στο ίδιο παράδειγμα με πριν, το ενιαίο σήμα που φτάνει στην κεραία λήψης πρέπει να διασπαστεί στις δέκα ίδιες συχνότητες και να φτάσει σε κάθε έναν από τους δέκα δέκτες. Αυτήν ακριβώς την διαδικασία κάνουν οι duplexers Comparatives Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, χρησιμοποιούνται δυο κεραίες λήψης. Όμως για οικονομικούς λόγους δεν γίνεται να έχει η κάθε κεραία από αυτές τους δικούς της δέκτες (10 για το παράδειγμα που αναφέραμε, δηλαδή 20 δέκτες σύνολο). Για το λόγο αυτόν χρησιμοποιείται άλλο ένα φίλτρο ο comparative. Ουσιαστικά πολυπλέκει τα σήματα των δύο κεραιών λήψης σε ένα και στη συνέχεια οι duplexers κάνουν την κατάλληλη διάσπαση ώστε να σήματα να φτάσουν σωστά σε κάθε δέκτη. 3.3 Ισχύς κεραιών Η ισχύς εκπομπής (Pt) των κεραιών είναι η συνολική ισχύς που εκπέμπεται από τα κεραιοσυστήματα. Όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς εκπομπής τόσο μεγαλύτερη είναι και η ακτινοβολία που προσπίπτει στις θέσεις που βρίσκονται οι άνθρωποι. Τυπικές τιμές ισχύος στους σταθμούς βάσης κινητής τηλεφωνίας είναι από 10W έως 40W στις 37

38 αραιοκατοικημένες αγροτικές περιοχές και κάτω από 10W στις πυκνοκατοικημένες αστικές περιοχές. Δηλαδή η κατάλληλη ρύθμιση της ισχύς εκπομπής ουσιαστικά προσδιορίζει το εύρος της γεωγραφικής περιοχής που καλύπτει ηλεκτρομαγνητικά η κεραία. Υπάρχει βέβαια μια διαφορά ανάμεσα στην ισχύ εκπομπής της κεραίας και στην τιμή που ρυθμίζουμε εμείς την κεραία. Αυτό συμβαίνει λόγω των ομοαξονικών καλωδίων που χρησιμοποιούνται. Συνήθως οι κεραίες βρίσκονται αρκετά πάνω από το έδαφος σε ύψος που μπορεί να φτάσει και τα μέτρα. Έτσι, συνδέονται με τις γεννήτριες με ομοαξονικά καλώδια τα οποία όμως παρουσιάζουν κάποιες απώλειες. Γνωρίζοντας τις απώλειες των ομοαξονικών καλωδίων και γνωρίζοντας την ισχύ εκπομπής της κεραίας που θέλουμε να πετύχουμε, μπορούμε να ρυθμίσουμε κατάλληλα τις γεννήτριες μας. 3.4 Κέρδος κεραιών (Gain) Κέρδος ή απολαβή κεραίας ονομάζεται ο λόγος της έντασης ακτινοβολίας της κεραίας προς την ένταση ακτινοβολίας μιας ιδανικής κεραίας (η οποία εκπέμπει ισοτροπικά χωρίς απώλειες) και τροφοδοτείται με την ίδια ισχύ. Η απολαβή της κεραίας εκφράζεται από την σχέση: Gain =4π ( Ιακτ Po ) (3.1) Όπου Ιακτ είναι η ένταση ακτινοβολίας της κεραίας και Po η ισχύς τροφοδοσίας της κεραίας. Ουσιαστικά εκφράζει τη μεταβολή στάθμης ισχύος μεταξύ της εισόδου και της εξόδου ενός κυκλώματος, ή κεραίας στην περίπτωσή μας. Συνήθως εκφράζεται λογαριθμικά σε decibel. Τυπική τιμή κέρδους στο GSM σύστημα είναι τα 8 dbi. 3.5 Σωστή παραμετροποίηση για GSM σύστημα 38

39 Η σωστή παραμετροποίηση των παραπάνω μεγεθών συμβάλει καθοριστικά στην ποιότητα (QOS) ενός GSM συστήματος. Ο τύπος που συνδέει όλα τα παραπάνω μεγέθη είναι ο τύπος του Friis : Pr=Pt + Gt + Gr + 20log10( λ 4πd ) (3.2) Όπου: Pr : Η ισχύς της κεραίας λήψης Pt : Η ισχύς της κεραίας εκπομπής Gt : Το κέρδος της κεραίας εκπομπής Gr : Το κέρδος της κεραίας λήψης λ : Το μήκος κύματος d : Η απόσταση της φορητής συσκευής από την κεραία εκπομπής Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως για το GSM σύστημα το κέρδος της κεραίας εκπομπής, δηλαδή της κεραίας του σταθμού βάσης είναι 8 dbi. Το κέρδος της κεραίας λήψης, δηλαδή της κεραίας της φορητής συσκευής, είναι περίπου 1,2 (καθαρός αριθμός) Ακόμα η ισχύς της κεραίας εκπομπής (φορητής συσκευής) είναι από -90 dbm έως -100 dbm. Γνωρίζοντας τις διαστάσεις της κυψέλης και την συχνότητα λειτουργίας, υπολογίζουμε εύκολα το μήκος κύματος καθώς και το d. Ουσιαστικά σαν d θα πάρουμε την μέγιστη απόσταση στην οποία το σήμα της κεραίας εκπομπής θα ερεθίζει το 39

40 κατώφλι ευαισθησίας του κινητού τηλεφώνου. Συνήθως, ανάλογα κιόλας με την θέση του σταθμού βάσης, παίρνουμε την διάμετρο της κυψέλης. Σύμφωνα πάντα με την τοπολογία της εικόνας 3.3. Έτσι έχουμε όλες τις παραμέτρους που χρειαζόμαστε για να υπολογίσουμε την ισχύ της κεραίας εκπομπής. Μένει βέβαια να συνυπολογίσουμε και τις απώλειες του ομοαξονικού καλωδίου ώστε να ρυθμίσουμε κατάλληλα την γεννήτριά μας. Όλα αυτά θα τα δούμε και στην πράξη στην προσομοίωση που θα κάνουμε στο κεφάλαιο 5. Ακόμα, σημαντικό ρόλο παίζει και το φαινόμενο διαλείψεων που θα χρησιμοποιήσουμε ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες της γεωγραφικής περιοχής ενδιαφέροντος. Τα μοντέλα ραδιοδιάδοσης τα οποία συμπεριλαμβάνουν τις διαλείψεις, χωρίζονται σε μικρής και μεγάλης κλίμακας. Τα διάφορα αυτά στατιστικά μοντέλα μας δίνουν την πιθανότητα το σήμα που λαμβάνει ο δέκτης να είναι το επιθυμητό. Έτσι λοιπόν, ανάλογα με την περιοχή που μελετάμε, διαλέγουμε και το κατάλληλο μοντέλο το οποίο μας μεγιστοποιεί την πιθανότητα αυτήν. Μερικά από αυτά τα μοντέλα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μοντέλο Ελευθέρου Χώρου Επίπεδης Γήινης Επιφάνειας Λογαριθμικής Απόστασης Okumura Hata Περιγραφή Το μοντέλο ελεύθερου χώρου αποτελεί τα βασικό θεωρητικό μοντέλο για τον υπολογισμό της απώλειας οδεύσεως. Θεωρούμε ιδανική περιοχή χωρίς γεωγραφικούς περιορισμούς και εμπόδια α όλα τα υπόλοιπα. Αποτελεί μοντέλο αναφοράς για όλα τα υπόλοιπα Tο μοντέλο επίπεδης γήϊνης επιφάνειας θεωρεί επίπεδη επιφάνεια εδάφους χωρίς εμπόδια και ανυψώσεις. Πρόκειται για ιδανική περίπτωση. Όπως και το μοντέλο ελευθέρου χώρου αποτελεί μοντέλο σύγκρισης για άλλα μοντελα Η απώλεια οδεύσεως υπολογίζεται αναλογικά με το λογάριθμο της απόστασης. Προκειμένου να αυξηθεί η ακρίβεια και η αξιοπιστία του μοντέλου, εισάγεται ένας παράγοντας στον τύπο του μοντελου που εκφράζει τα φαινόμενα τυχαίας σκίασης. Εμπειρικό μοντέλο που, βασιζόμενο σε μετρήσεις στο Τόκυο τη δεκαετία του '60, κατέληξε σε ενα σετ καμπυλών που δίνουν τη μέση εξασθένηση σήματος σε ημι-λεία επιφάνεια ως συνάρτηση της απόστασης και της συχνότητας. Χρησιμοποιείται σε αστικές περιοχές και σε ημιαστικές όπου λαμβάνονται υπόψη διορθωτικές παράμετροι εδάφους Εμπερικό μοντέλο που προσεγγίζει τα γραφικά 40

41 Longley - Rice Rayleigh Rice αποτελέσματα του Okumura μέσω μίας βασικής εξίσωσης για αστικό περιβάλλον, στην οποία εισέρχεται διορθωτικός παράγοντας σχετικά με το μέγεθος της υπό κάλυψη αστικής περιοχής. Με συμπληρωματικές εξισώσεις το μοντέλο μπορεί να έχει εφαρμογή σε ημιαστικές και ανοικτές, υπαίθριες περιοχές. Υπολογίζει τη μέση απώλεια οδεύσεως για ανωμαλη επιφάνεια σε σχέση με την απώλεια οδεύσεως του μοντέλου ελεύθερου χώρου Παρατηρείται σε επικοινωνιακά σενάρια όπου δεν υπάρχει η συνιστώσα οπτικής επαφής μεταξύ του κεραιοσυστήματος του σταθμού βάσης και της κεραίας της φορητής συσκευής. Επομένως, το λαμβανόμενο σήμα προέρχεται από επιβατικές ακτίνες του ηλ/κου κύματος οι οποίες υφίστανται πολυόδευση λόγω των τεχνικών αι φυσικών εμποδίων. Παρόμοιο μοντέλο με το Rayleigh μόνο που υπάρχει και η κυρίαρχη συνιστώσα οπτικής επαφής (LOS). Πίνακας 3.1 Κεφάλαιο 4 : Επισκόπηση των κύριων παρεμβολών και διαχείριση συχνοτήτων 4.1 Εισαγωγή Είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο πως η σωστή παραμετροποίηση της ισχύος παίζει σημαντικό ρόλο στην αξιοπιστία ενός GSM συστήματος. Όμως υπάρχουν και άλλοι παράμετροι που συμβάλλουν στην σωστή του λειτουργία. Ένα πρόβλημα που προκύπτει σε κάθε τέτοιο σύστημα είναι οι παρεμβολές. Οι κύριες παρεμβολές είναι η ομοκαναλική παρεμβολή, η παρεμβολή γειτονικού καναλιού και η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης. Η ελαχιστοποίηση αυτών των παρεμβολών συμβάλλει στην αύξηση του quality of service (QOS) του συστήματος. Όπως θα δούμε παρακάτω δεν μπορούμε 41

42 εύκολα να εξαλείψουμε τις παραπάνω παρεμβολές χωρίς να χάσουμε κάτι. Η δουλειά του μηχανικού είναι να βρίσκει τρόπους να ελαχιστοποιεί αυτές τις απώλειες. Πρέπει δηλαδή η διαχείριση των συχνοτήτων να γίνει με τέτοιο τρόπο ώστε να κρατήσουμε όσο το δυνατό περισσότερες συχνότητες. 4.2 Ομοκαναλική παρεμβολή Είναι ήδη γνωστό ότι οι συχνότητες που είναι διαθέσιμες σε ένα GSM σύστημα είναι περιορισμένες. Για το λόγο αυτόν τις τοποθετούμε στις κυψέλες με βάση την αρχή επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων ώστε να περιορίσουμε όσο μπορούμε την ομοκαναλική παρεμβολή. Ουσιαστικά, η ομοκαναλική παρεμβολή συμβαίνει όταν ο πομπός και ο δέκτης δυο κυψελών, οι οποίες είναι πολύ κοντά, λειτουργούν στην ίδια συχνότητα και ο ένας καλύπτει ένα μέρος ή ολόκληρο το φάσμα του άλλου. Για την αντιμετώπισή της δημιουργούμε ομάδες κυψελών, οι οποίες ονομάζονται clusters, και κάθε ομάδα από αυτές μοιράζεται τις ίδιες συχνότητες. Οι κυψέλες οι οποίες χρησιμοποιούν την ίδια συχνότητα πρέπει να απέχουν μια ελάχιστη απόσταση. Την απόσταση αυτή την υπολογίζουμε από τον τύπο: D R Όπου: > 3 N (4.1) D : Η απόσταση των κυψελών που χρησιμοποιούν ίδιες συχνότητες. Αν θεωρήσουμε ότι η κεραία βρίσκεται στο κέντρο των κυψελών και είναι παντοκατευθυντική, τότε η απόσταση αυτή είναι από το κέντρο της μιας κυψέλης εώς το κέντρο της άλλης 42

43 R : Η ακτίνα των κυψελών Ν : Ο συντελεστής επαναχρησιμοποίησης (συνήθως 12 για το GSM) Όλα αυτά γίνονται πιο κατανοητά στην εικόνα 4.1. Αν θεωρήσουμε Α1,Α2,Α3,Β1 κτλ μια ομάδα συχνοτήτων, παρατηρούμε ότι επαναλαμβάνοντας τις ίδιες συχνότητες χρησιμοποιώντας τον παραπάνω τύπο (3) μπορούμε να καλύψουμε μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή χρησιμοποιώντας αποκλειστικά τις συχνότητες που μας παρέχονται. Ακόμα διακρίνονται τα clusters, τα οποία αποτελούνται από 12 κυψέλες. Λειτουργώντας με αυτόν τον τρόπο μειώνουμε σημαντικά την ομοκαναλική παρεμβολή. Εικόνα 4.1- cluster και επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων Αξίζει να σημειωθεί πως όσο αυξάνουμε τον αριθμό των κυψελών ανά cluster τόσο μεγαλύτερη απόσταση θα έχουν οι κυψέλες με τις ίδιες συχνότητες αλλά θα μειώνονται οι παρεμβολές αφού θα αυξηθεί ο λόγος σήματος προς παρεμβολή (SIR- signal to interference ratio). 43

44 4.3 Παρεμβολή γειτονικού καναλιού Η παρεμβολή γειτονικού καναλιού συναντάται όταν στην ίδια κυψέλη έχουν ανατεθεί δύο γειτονικές συχνότητες. Αυτό συμβαίνει κυρίως λόγω αδυναμίας των φίλτρων αποκοπής συχνοτήτων να αποκόψουν συχνότητες εκτός του εύρους συχνοτήτων που τους έχουν ανατεθεί.(εικόνα 4.1) Εικόνα 4.2- φίλτρο αποκοπής Παρατηρούμε πως στην μπλε περιοχή συναντάται παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Ένας τρόπος αντιμετώπισης αυτού του προβλήματος είναι να αναθέσουμε μη γειτονικές συχνότητες σε κάθε κυψέλη. Έτσι όμως είναι πιθανόν να δημιουργήσουμε άλλες παρεμβολές. Ακόμα μπορούμε να μειώσουμε το εύρος ζώνης κάθε καναλιού, κάτι όμως 44

45 που δεν συνηθίζεται λόγω του περιορισμένου φάσματος που διαθέτουμε. Η καλύτερη λύση, η οποία είναι και η πιο ακριβή, είναι να κατασκευάσουμε ή να αγοράσουμε καλύτερα φίλτρα αποκοπής με απότομη συνάρτηση μεταφοράς ώστε να διαχωρίζουν εύκολα τις συχνότητες. 4.4 Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης ανήκει στην προβλέψιμη κατηγορία παρεμβολών και απαντάται στα κυκλώματα εξόδου των πομπών και στα κυκλώματα εξόδου των δεκτών. Οφείλεται στην μη γραμμικότητα των κυκλωμάτων. Όταν ένα σήμα περάσει μέσα από μια μη γραμμική διάταξη, πολλαπλασιάζεται με ένα πολυώνυμο με αποτέλεσμα την δημιουργία αρμονικών συχνοτήτων λόγω του πολυωνύμου. Έτσι δημιουργούνται νέες συχνότητες οι οποίες ονομάζονται προϊόντα ενδοδοαμόρφωσης. Ο γενικός τύπος των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης είναι: Fk=mFi ± nfj (4.2) Όπου Fk η συχνότητα στην έξοδο του συστήματος, Fi, Fj οι συχνότητες εισόδου. Οι αριθμοί m, n είναι ακέραιοι και καθορίζουν την τάξη των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης σύμφωνα με τον τύπο m+n. Το GSM σύστημα επηρεάζουν κυρίως οι παρεμβολές 3 ης τάξης οι οποίες δίνονται από τον τύπο Fk=2Fi ± Fj. Σε μικρότερο βαθμό επηρεάζουν και οι παρεμβολές 5 ης τάξης. Τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης μεγαλύτερης τάξης έχουν μικρότερο πλάτος οπότε δεν επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό το σύστημά μας. 45

46 Η αντιμετώπιση αυτού του τύπου παρεμβολής επιτυγχάνεται με την ανάθεση συχνοτήτων σε κάθε κυψέλη οι οποίες δεν προκαλούν παρεμβολές ενδοδιαμόρφωσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μείνουν αχρησιμοποίητες κάποιες συχνότητες. Παρ όλα αυτά, κερδίζουμε σε ποιότητα παρεχομένων υπηρεσιών. 4.5 Διαχείριση συχνοτήτων στο GSM σύστημα Από όλα τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι ο τρόπος με τον οποίο θα διαχειριστούμε και θα αναθέσουμε τις συχνότητες στις κυψέλες διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ποιότητα του συστήματος. Αν υποθέσουμε ότι με το εύρος συχνοτήτων που μας δίνεται μπορούμε να διαχωρίσουμε 100 συχνότητες με εύρος ζώνης τα 200 KHz η καθεμία και πρέπει να τις αναθέσουμε σε ένα cluster με 12 κυψέλες, τότε πρέπει να τοποθετήσουμε 10 συχνότητες σε κάθε cluster με τέτοιο τρόπο, ώστε να μειώσουμε τις παρεμβολές. Ένας τρόπος είναι η κάθετη σάρωση όπως φαίνεται στην εικόνα 4.3. Όμως φαίνεται εύκολα ότι είναι έντονη η παρεμβολή γειτονικού καναλιού αλλά και η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης αν στον τύπο Fk=2Fi ± Fj βάλουμε τις συχνότητες του πίνακα. 46

47 Εικόνα 4.3- κάθετη σάρωση συχνοτήτων Ένας άλλος καλύτερος τρόπος είναι η οριζόντια σάρωση συχνοτήτων όπως φαίνεται στην εικόνα 4.4. Με αυτή τη σάρωση εξαλείφουμε την παρεμβολή γειτονικού καναλιού, όμως ακόμα εμφανίζεται η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης στις συχνότητες με κόκκινο χρώμα. 47

48 Εικόνα 4.4- οριζόντια σάρωση συχνοτήτων Για να αντιμετωπίσουμε την παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης μπορούμε να αλλάξουμε κατροπτικά τις γραμμές με τις συχνότητες όπου συναντάται το πρόβλημα εκτός από τις 2 μεσαίες όπως φαίνεται στην εικόνα 4.5.Οι αλλαγμένες συχνότητες φαίνονται με πράσινο χρώμα ενώ οι μεσαίες, τις οποίες δεν αλλάζουμε αφού πάλι θα εμφανιστούν προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης, φαίνονται με κόκκινο. Έτσι καταφέραμε να απαλλαγούμε από προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης στις δέκα από τις δώδεκα κυψέλες. Οι κεντρικές συχνότητες που εμφανίζουν ακόμα πρόβλημα σταματάμε να τις χρησιμοποιούμε, παρ όλο που πληρώνουμε για την ενοικίασή τους. 48

49 Εικόνα 4.5- κατροπτική αλλαγή Ακόμη όμως και τώρα παρατηρούμε ότι με τις αλλαγές που κάναμε εμφανίζονται παρεμβολές και συγκεκριμένα παρεμβολές γειτονικού καναλιού. Καθώς δεν μπορούμε να μειώσουμε το εύρος ζώνης των συχνοτήτων, αναγκαζόμαστε είτε να μην χρησιμοποιήσουμε τις προβληματικές συχνότητες, μειώνοντας όμως έτσι την ποιότητα παρεχομένων υπηρεσιών, είτε να ξοδέψουμε παραπάνω χρήματα στην κατασκευή και την αγορά κατάλληλων φίλτρων με μεγάλη διακριτική ικανότητα. Σε κάθε βήμα να απαλείψουμε μια παρεμβολή πάντα δημιουργείται κάποια άλλη. Έτσι κάποιες συχνότητες αναγκαστικά θα μείνουν αχρησιμοποίητες. Η σωστή μελέτη και διαχείριση των συχνοτήτων πρέπει να έχει ως αποτέλεσμα την καλύτερη δυνατή ποιότητα για τους συνδρομητές με όσο πιο δυνατό μικρότερο αριθμό αχρησιμοποίητων συχνοτήτων. 49

50 Κεφάλαιο 5 : Προσομοίωση εφαρμογής δικτύου κινητών επικοινωνιών στην Aττική σε περιβάλλον διαλείψεων Rayleigh-Αποτελέσματα 5.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο θα χρησιμοποιήσουμε τις γνώσεις και τις τεχνικές που μάθαμε στα προηγούμενα κεφάλαια ώστε να προσομοιώσουμε ένα πλήρες και λειτουργικό ασύρματο κυψελωτό δίκτυο σε μια γεωγραφική περιοχή. Θα μελετήσουμε και θα αναλύσουμε κάθε παράμετρο ώστε το δίκτυό μας να είναι έτοιμο να λειτουργήσει σε πραγματικές συνθήκες. Ακόμα θα εισάγουμε και κάποιες νέες παραμέτρους όπως το συνδρομητικό φορτίο και το blocking probability οι οποίες θα μας βοηθήσουν στην προσομοίωσή μας. Θα εξετάσουμε τον εξοπλισμό (hardware) που χρειαζόμαστε, την ισχύ εκπομπής καθώς και τις πιθανοτικές συναρτήσεις σε μοντέλο διαλείψεων Rayleigh. Τέλος αναπτύχθηκε και ο κατάλληλος κώδικας σε matlab, ο οποίος αυτοματοποιεί όλη την παραπάνω διαδικασία. 5.2 Εύρεση της γεωγραφικής περιοχής- αριθμός κυψελών Η γεωγραφική ποικιλομορφία της Ελλάδας καθιστά δυσκολότερη την κάλυψή της με κυψελωτά δίκτυα. Κάθε γεωγραφική περιοχή με τις ιδιομορφίες που διαθέτει π.χ πεδιάδες, βουνά, κτήρια, χρειάζεται διαφορετική προσέγγιση και διαφορετικό μοντέλο διαλείψεων. Η βασική ιδέα όμως με την οποία λειτουργούμε παραμένει ίδια. Για την προσομοίωση μας επιλέχτηκε η Αττική και συγκεκριμένα το κέντρο της όπως φαίνεται στην εικόνα 5.1. Ο πολύ μεγάλος πληθυσμός καθώς και η πυκνότητα των κτηρίων τη καθιστούν μια αξιόλογη περιοχή για μελέτη. Αρχικά πρέπει να υπολογίσουμε τον ακριβή πληθυσμό καθώς και την έκταση της περιοχής ώστε να βρούμε τον αριθμό των κυψελών που θα χρειαστούμε. 50

51 Εικόνα 5.1- γεωγραφική περιοχή ενδιαφέροντος Στη συνέχεια παρατίθεται ένας πίνακας με κάθε υποπεριοχή, τον πληθυσμό της και την έκταση της: Δήμος Εμβαδό (Km 2 ) Πληθυσμός Αθηναίων 38, Περιστερίου 10, Νίκαιας - Ρέντη 11, Χαιδαρίου 22, Κορυδαλλού 4, Κερατσινίου 9, Δραπετσώνας Βύρωνα 9, Δάφνης 2, Καλλιθέας 4, Μοσχάτο Ταύρος 5, Πειραιά 10, Παλαιό Φάληρο 4, Ηλιούπολη 12, Ελληνικό - 15, Αργυρούπολη Γλυφάδα 25, Άθροισμα 171,

52 Παρατηρούμε ότι το δίκτυό μας πρέπει να εξυπηρετεί τουλάχιστον κατοίκους σε μια περιοχή με εμβαδό 171,918 Κm 2. Μετά από δοκιμές καταλήξαμε ότι η πλευρά της κάθε κυψέλης πρέπει να είναι 0,4 Κm. Οπότε από τον τύπο: 3 α 3 Εεξαγώνου= 2, με α την ακτίνα του εξαγώνου καταλήγουμε ότι το εμβαδόν κάθε κυψέλης θα είναι 0,4156 Κm 2. Μένει τώρα να υπολογίσουμε τον αριθμό των κυψελών: Αριθμός κυψελών= Συνολικό εμβαδό εμβαδό κυψέλης = 171,918 = 413,662 (5.1) 0,4156 Συνεπώς θα χρειαστούμε 414 κυψέλες για να καλύψουμε όλη την γεωγραφική περιοχή. Θα μπορούσαμε βέβαια να πάρουμε διαφορετική ακτίνα κάθε κυψέλης αλλά θα δούμε παρακάτω πως τα αποτελέσματα που θα έχουμε δεν θα είναι τα επιθυμητά. 5.3 Ραδιοδίαυλοι- Συνδρομητικό φορτίο- Blocking probability Για το GSM σύστημα στην περιοχή των 900 MHz το bandwidth που μας παρέχεται είναι 25 MHz. Πρέπει να βρούμε πόσες συχνότητες θα αναθέσουμε στην κάθε κυψέλη, κάθε μια από τις οποίες θα έχει εύρος ζώνης 200 KHz. Όπως αναφέραμε σε προηγούμενο κεφάλαιο, λόγω του μειωμένου φάσματος που διαθέτουμε, πρέπει να ορίσουμε πόσες κυψέλες θα έχει κάθε cluster στα οποία οι συχνότητες θα επαναλαμβάνονται. Συνήθως χρησιμοποιούνται 12 κυψέλες ανά cluster οπότε αυτό θα επιλέξουμε και εμείς. Για να βρούμε τους ραδιοδίαυλους (συχνότητες) ανά κυψέλη θα διαιρέσουμε το διαθέσιμο φάσμα με το εύρος ζώνης κάθε συχνότητας και με τον αριθμό των κυψελών ανά cluster. Άρα: 52

53 Ραδιοδίαυλοι Κυψέλη = 25 MHz 200 KHZ 12 = 10,41 (5.2) Οπότε σε κάθε κυψέλη θα ανατεθούν 10 συχνότητες. Χρησιμοποιώντας πολύπλεξη διαίρεσης χρόνου (time division multiplexing) έχουμε την δυνατότητα να χωρίσουμε την κάθε συχνότητα σε οχτώ χρονοθυρίδες (timeslots). Από αυτές τις οχτώ χρονοθυρίδες όμως θα κρατήσουμε 2 χρονοθυρίδες για τις ανάγκες του παρόχου. Συνεπώς αν υπολογίσουμε και τις 6 χρονοθυρίδες που μένουν κάθε κυψέλη θα έχει: Ραδιοδίαυλοι Κυψέλη (με χρονοθυρίδες) = 10*6= 60 ραδιοδίαυλοι (5.3) Στη συνέχεια θα εισάγουμε την έννοια του blocking probability η οποία είναι η πιθανότητα ολικής κατάρρευσης του συστήματος, και την έννοια του συνδρομητικού φορτίου. Σε ένα δίκτυο κινητής τηλεφωνίας είναι απαραίτητο να υπάρχει κάποιο μοντέλο τηλεφωνικής «κίνησης» με σκοπό την υψηλή ποιότητα παροχής υπηρεσιών. Το μοντέλο αυτό σχεδιάζεται βάσει κάποιων πραγματικών παρατηρήσεων με βάση την τηλεφωνική συμπεριφορά των συνδρομητών της εταιρίας. Για την κατασκευή του μοντέλου αυτού παίρνονται υπόψη διάφοροι παράγοντες, όπως ο αριθμός των συνδρομητών, το πόσο συχνά και σε ποιες περιοχές κάνουν χρήση του κινητού τους(τις ώρες αιχμής-γιορτές), τη μέση διάρκεια μιας τηλεφωνικής συνδιάλεξης κ.α. παράγοντες έτσι ώστε να εξασφαλισθεί εκ των προτέρων η ικανοποίηση των χρηστών. Για να υπολογιστεί η τηλεφωνική "κίνηση" χρησιμοποιείται μια μονάδα μέτρησης, το Erlang. Ένα Erlang δείχνει το φορτίο κίνησης που μεταφέρεται από ένα κανάλι που είναι δεσμευμένο. Όσον αφορά το blocking probability, σε ένα σύστημα το οποία παρέχει υψηλής ποιότητας επικοινωνίες, είναι ανάμεσα στο 2% με 3%. Στην προσομοίωσή μας θα χρησιμοποιήσουμε blocking probability 2%. 53

54 Καλούμαστε να υπολογίσουμε τώρα τη μέση προσφερόμενη κίνηση ανά κυψέλη. Από ειδικά σχεδιασμένους πίνακες μπορούμε εύκολα να βρούμε ότι για blocking probability 2% και 60 ραδιοδίαυλους σε κάθε κυψέλη η μέση προσφερόμενη κίνηση είναι 49,64 Εrlang. Στην εικόνα 5.2 φαίνεται η μέση προσφερόμενη κίνηση ανά κυψέλη για διάφορα blocking probability και για έναν έως 20 ραδιοδίαυλους ανά κυψέλη. Εικόνα 5.2- πίνακας Εrlang Συνεχίζοντας θα βρούμε την μέγιστη προσφερόμενη κίνηση πολλαπλασιάζοντας την μέση προσφερόμενη κίνηση ανά κυψέλη με τον αριθμό των κυψελών. Οπότε: Μέγιστη προσφερόμενη κίνηση = 49,64 Erlang*414 κυψέλες = 20550,96 Erlang (5.4) 54

55 Τέλος, για να βρούμε τους συνολικούς συνδρομητές που θα μπορεί να εξυπηρετήσει το δίκτυό μας αρκεί να διαιρέσουμε την μέγιστη προσφερόμενη κίνηση με την μέση κίνηση ανά χρήστη η οποία μετά από μετρήσεις υπολογίστηκε στο 0,01 Erlang. Άρα: Συνολικός αριθμός συνδρομητών = ,96 0,01 = συνδρομητές (5.5) Παρατηρούμε ότι οι συνδρομητές που μπορεί το δίκτυό μας να εξυπηρετήσει είναι παραπάνω από τους κατοίκους της περιοχής, πράγμα το οποίο είναι ορθό αφού σχεδιάζεται και για περιπτώσεις που θα αυξηθούν οι συνδρομητές π.χ τουρίστες, νέοι κάτοικοι κτλ. Αξίζει να υπολογιστούν ακόμα και οι χρήστες οι οποίοι μπορούν να εξυπηρετηθούν κάποια στιγμή από το δίκτυο. Αφού η κλήση ενός συνδρομητή δεσμεύει έναν ραδιοδίαυλο, πολλαπλασιάζοντας τον αριθμό των κυψελών με τους ραδιοδίαυλους ανά κυψέλη βρίσκουμε ότι το δίκτυό μας μπορεί να εξυπηρετήσει συνδρομητές κάποια δεδομένη χρονική στιγμή. 5.4 Εξοπλισμός-Hardware του δικτύου Η σωστή λειτουργία του δικτύου μας απαιτεί και τον κατάλληλο εξοπλισμό. Χρησιμοποιώντας την τοπολογία της εικόνας 1.1, δηλαδή τοποθετώντας έναν πυλώνα ανά 3 κυψέλες, ο οποίος θα έχει 3 κατευθυντικές κεραίες καθεμία από τις οποίες θα φωτίζει ηλεκτρομαγνητικά μια κυψέλη, θα χρειαστούμε 414 τέτοιες κεραίες. Όσες δηλαδή και οι κυψέλες. Έπειτα, θα χρειαστούμε και τον κατάλληλο αριθμό πομποδεκτών. Για κάθε κυψέλη χρειάζονται 10 πομποί και 10 δέκτες. Δηλαδή ένας για κάθε συχνότητα. Άρα, συνολικά θα χρειαστούμε 4140 πομπούς και 4140 δέκτες για να καλύψουμε τις ανάγκες όλων των κυψελών. 55

56 Έπειτα, πρέπει να προσδιορίσουμε τον αριθμό των φίλτρων, combiners και duplexers, που θα χρειαστούμε. Οι combiners συνδέονται με τους πομπούς ενώ οι duplexers με τους δέκτες. Όπως βλέπουμε και στην εικόνα 5.3 για δέκα πομπούς θα χρειαστούμε 9 combiners για κάθε κυψέλη. Αντίστοιχα θα χρειαστούμε και 9 duplexers. Εικόνα 5.3- συνδεσμολογία πομπών- combiners Τα φίλτρα που χρησιμοποιούμε είναι μια εισόδου και 2 εξόδων. Συνολικά θα χρειαστούμε 3726 combiners και 3726 duplexers για τις ανάγκες κάθε κυψέλης Όπως αναφέραμε σε προηγούμενο κεφάλαιο κάθε ψηφιακό κέντρο μπορεί να εξυπηρετήσει μέχρι 124 κυψέλες. Άρα διαιρώντας τον αριθμό των κυψελών με το 124 βρίσκουμε ότι θα χρειαστούμε 3.3 ψηφιακά κέντρα δηλαδή 4. Το ψηφιακό κέντρο που θα του αντιστοιχούν οι λιγότερες κυψέλες, με το κατάλληλο software, μπορεί να 56

57 χρησιμοποιηθεί σαν ψηφιακό κέντρο πύλη ( GMSC). Η συνδεσμολογία τους φαίνεται στην εικόνα 5.4. Κάθε ψηφιακό κέντρο όμως πρέπει να επικοινωνεί με τις αντίστοιχες κυψέλες. Για το λόγο αυτόν θα χρειαστούμε ακόμα μια κεραία, η οποία θα λειτουργεί στα 5GHz, ανά κυψέλη για επικοινωνία με το αντίστοιχο ψηφιακό κέντρο, το οποίο θα έχει και αυτό μια αντίστοιχη κεραία. Άρα θα χρειαστούμε 828 τέτοιες κεραίες, 828 πομπούς και 828 δέκτες ακόμα για να γίνει δυνατή αυτή η επικοινωνία. Αξίζει να σημειωθεί πως η επικοινωνία του ψηφιακού κέντρου με τις αντίστοιχες κυψέλες μπορεί να γίνει και μέσω ενσύρματων δικτύων. Αυτό απαιτεί όμως την ενοικίαση καλωδίων από τρίτο πάροχο. Έτσι, για την αυτονομία του δικτύου μας θα χρησιμοποιήσουμε τις κεραίες των 5GHz. Επίσης, θα χρειαστούμε 2 HLR, η δεύτερη θα χρησιμοποιηθεί για back up σε περίπτωση βλάβης της πρώτης. Θα χρειαστούμε 4 VLR δηλαδή όσες και τα ψηφιακά κέντρα και μια EIR. Εικόνα 5.4- συνδεσμολογία MSC 57

58 Τέλος θα χρειαστούμε επιπλέον 848 combiners και 848 duplexers για την επικοινωνία των ψηφιακών κέντρων με τις κυψέλες. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται συγκεντρωμένα όλα τα μέρη του εξοπλισμού που θα χρειαστούμε: Αριθμος κεραιων 414 Συνολικος αριθμος πομπων 4140 Συνολικος αριθμος δεκτων 4140 Ψηφιακα κεντρα 4 Συνολικος αριθμος compilers 3726 Συνολικος αριθμος duplexers 3726 HLR 2 VLR 4 EIR 1 Κεραίες 5 GHz 828 Επιπλεον πομποι(ψκ) 828 Επιπλεον δέκτες(ψκ) 828 Επιπλεον combiners(ψκ) 828 Επιπλεον duplexers(ψκ) 828 Πίνακας Cell planning Τώρα πρέπει να γίνει η σωστή καταχώρηση συχνοτήτων σε κάθε κυψέλη. Όπως έχουμε προαναφέρει, θα αρχίσουμε με οριζόντια σάρωση όπως φαίνεται στην εικόνα 4.4. Με αυτόν τον τρόπο θα εμφανιστούν προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης όπως ακριβώς φαίνεται και στην εικόνα. Θα συνεχίσουμε με την τεχνική της κατοπτρικής αλλαγής όπως μάθαμε και θα καταλήξουμε στην εικόνα 4.5. Έτσι για να αντιμετωπίσουμε την παρεμβολή γειτονικού καναλιού που δημιουργήθηκε, θα αγοράσουμε καλύτερα φίλτρα με μεγάλη διακριτική ικανότητα και απότομη συνάρτηση μεταφοράς. Τις κεντρικές συχνότητες που παρουσιάζουν πρόβλημα δεν θα τις χρησιμοποιήσουμε. Στην εικόνα 5.5 φαίνεται ποιοτικά η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων για την αποφυγή της ομοκαναλικής παρεμβολής. 58

59 Εικόνα 5.5- επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων 5.6 Ισχύς κεραίας εκπομπής Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε την ισχύ της κεραίας εκπομπής. Θέλουμε το σήμα από την κεραία εκπομπής να είναι μεγαλύτερο η ίσο από το κατώφλι ευαισθησίας των κινητών συσκευών. Θεωρούμε πως ο πυλώνας με τους σταθμούς βάσης βρίσκεται στη μέση τριών κυψελών, οπότε η μέγιστη απόσταση που πρέπει να καλύπτει ηλεκτρομαγνητικά η κεραία είναι δύο φορές η ακτίνα της κυψέλης. Αυτό φαίνεται καλύτερα στην εικόνα 5.6. Σε αυτό το σημείο θα θυμίσουμε τον τύπο του Friis: Pr=Pt + Gt + Gr + 20log10( λ 4πd ) (5.6) Όπου όλες οι παράμετροι έχουν δοθεί στο κεφάλαιο 3. 59

60 Εικόνα 5.6- μέγιστη απόσταση κεραίας και συνδρομητή Μετατρέποντας όλες τις παραμέτρους της εξίσωσης του Friis και λύνοντας ως προς την ισχύ εκπομπής έχουμε : [P t ] dbw =[P r ] dbw [G r ] dbi [G t ] dbi +20 log( 4 π 2a λ ) (5.7) Γνωρίζουμε ότι η ακτίνα της κυψέλης μας είναι 0.4 Km, το κέρδος της κεραίας εκπομπής 8 dbi και το κέρδος της κεραίας λήψης 1,2. Η ισχύς της κεραίας λήψης θεωρούμε ότι είναι -90 dbm. 60

61 Επίσης για F=900 MHz και C= 3*10 8 m s το μήκος κύματος είναι: λ=c/f => λ=0.33 m (5.8) Αντικαθιστώντας στην εξίσωση έχουμε: [Pt]dbw= log( ) => =>[Pt]dbw= dbw Και μετατρέποντας σε watt: Pt= mw Αυτή είναι η ισχύς με την οποία θα πρέπει να εκπέμπει η κεραία του σταθμού βάσης ώστε να μπορεί να ερεθίζει το κατώφλι ευαισθησίας και της πιο απομακρυσμένης κινητής συσκευής εντός της κυψέλης. Όμως, αυτή η τιμή, δεν είναι η τιμή με την οποία θα ρυθμίσουμε την γεννήτριά μας. Όπως αναφέραμε στο κεφάλαιο 3 λόγω του μεγάλου ύψους στο οποίο βρίσκονται οι κεραίες, πρέπει να συνδεθούν με τις γεννήτριες μέσω ομοαξονικών καλωδίων, τα οποία με τη σειρά τους παρουσιάζουν απώλειες. Ένα καλώδιο 17 μέτρων παρουσιάζει απώλειες 2.21 db, δηλαδή 1,59 Watt. Οπότε προσθέτοντας αυτές τις απώλειες στην ισχύ που βρήκαμε πιο πάνω καταλήγουμε ότι η ισχύς που πρέπει να ρυθμίσουμε τη γεννήτριά μας είναι: 61

62 P=0.1116mW+1.59W= W Άρα: P= W 5.7 Συναρτήσεις πιθανοτήτων σε μοντέλο διαλείψεων Rayleigh Για την προσομοίωσή μας, λόγω του έντονα αστικού περιβάλλοντος, θα χρησιμοποιήσουμε το μοντέλο διαλείψεων Rayleigh. Σε αυτό το σημείο θα εισάγουμε την έννοια της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας (PDF) και της αθροιστικής κατανομής (CDF). Το φαινόμενο των διαλείψεων των οποίων η πυκνότητα πιθανότητας του λαμβανόμενου σήματος ακολουθεί τη κατανομή Rayleigh, παρατηρείται σε επικοινωνιακά σενάρια όπου δεν υπάρχει απευθείας οπτική επαφή μεταξύ του κεραιοσυστήματος κυψέλης με την κεραία της φορητής συσκευής που κινείται στη συγκεκριμένη κυψέλη όπως στην εικόνα 5.7. Εικόνα 5.7- Rayleigh fading 62

63 Επομένως, το λαμβανόμενο σήμα προέρχεται από επιβατικές ακτίνες του ηλεκτρομαγνητικού κύματος οι οποίες υφίστανται πολυόδευση λόγω της ύπαρξης φυσικών και τεχνητών εμποδίων σε μια περιοχή όπου κινείται η φορητή συσκευή. Ο τύπος αυτός των διαλείψεων είναι πολύ συχνό φαινόμενο σε αστικές κυρίως περιοχές και θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για τις εκτιμήσεις της στάθμης του σήματος στα κυψελωτά συστήματα κινητών επικοινωνιών. Η μεταδιδόμενη πληροφορία, λόγω των χρονοκαθυστερήσεων άφιξης των επιβατικών ακτινών εξαιτίας του φαινομένου της πολυόδευσης, λαμβάνεται πολλαπλώς. Σύμφωνα με τη θεωρία των πιθανοτήτων η PDF είναι μια συνάρτηση η οποία περιγράφει τη σχετική πιθανότητα ώστε η τυχαία μεταβλητή να λάβει μία συγκεκριμένη τιμή. Πρακτικά αυτό σημαίνει, όταν σε ένα σημείο του χώρου προσδιορίσουμε την τιμή της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος, η PDF μας δηλώνει το πόσο αληθής είναι η συγκεκριμένη τιμή που προσδιορίσαμε. Η πιθανότητα η τυχαία αυτή μεταβλητή να ευρεθεί μέσα σε μια συγκεκριμένη περιοχή τιμών, δίδεται από το ολοκλήρωμα της πυκνότητας της μεταβλητής μέσα στη συγκεκριμένη περιοχή τιμών. Η Rayleigh PDF δίνεται από τον τύπο: PDF = r σ 2 exp ( r2 2σ Όπου : r = η τυχαία τιμή του λαμβανόμενου σήματος. σ = η τυπική απόκλιση. σ 2 = η διασπορά του λαμβανόμενου σήματος. 2) για r 0. (5.9) Η συνάρτηση αθροιστικής κατανομής, περιγράφει την πιθανότητα όπου μια πραγματική τιμή, της τυχαίας μεταβλητής Χ και η οποία έχει δεδομένη κατανομή πιθανότητας, θα 63

64 είναι μικρότερη ή ίση από μια δεδομένη τιμή χ. Η σημασία της συγκεκριμένης κατανομής είναι σημαντική για τις επικοινωνίες διότι μπορούμε να προκαθορίσουμε τη συγκεκριμένη τιμή χ και να τη θεωρήσουμε ότι είναι η τιμή του κατωφλίου ευαισθησίας του δέκτη. Επομένως μέσω της CDF μας δίδεται η απάντηση στο ερώτημα αν μια υπολογισθείσα τιμή της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος σε ένα σημείο του χώρου είναι κάτω ή είναι ίση με το κατώφλι ευαισθησίας του δέκτη. Συμπερασματικά μας παρέχει πληροφορία σχετικά με την κατάσταση λειτουργίας της φορητής συσκευής σε μια τοπική περιοχή. Η Rayleigh CDF δίνεται από τον τύπο : CDF = 1 e r2 2σ 2 (5.10) Στη συνέχεια με τη χρήση ενός πεδιομέτρου μετρήσαμε δέκα τυχαίες τιμές γύρω από την κεραία λήψης, δηλαδή την κινητή συσκευή οι οποίες φαίνονται παρακάτω: 1 η μέτρηση 1 pw 2 η μέτρηση 1,3 pw 3 η μέτρηση 1,8 pw 4 η μέτρηση 0,7 pw 5 η μέτρηση 1,9 pw 6 η μέτρηση 0,5 pw 7 η μέτρηση 2,2 pw 8 η μέτρηση 0,3 pw 9 η μέτρηση 0,4 pw 10 η μέτρηση 1,6 pw 64

65 Στη συνέχεια υπολογίζουμε την μέση τιμή και την τυπική απόκλιση από τούς παρακάτω τύπους: Μέση τιμή: r = P i 10 (5.11) Τυπική απόκλιση: σ = 1 10 (x 10 i=1 i P ) 2 (5.12) Οπότε η μέση τιμή των μετρήσεων μας είναι: Και η τυπική απόκλιση: r = 1,17 pw σ = 0,6512 pw Βάζοντας τις τιμές που βρήκαμε στην matlab παίρνουμε τις παρακάτω γραφικές παραστάσεις για την Rayleigh PDF και την Rayleigh CDF : 65

66 66

67 5.8 Προσομοίωση σε matlab Τέλος αναπτύχθηκε ο κατάλληλος κώδικας σε matlab ο οποίος αυτοματοποιεί όλη την παραπάνω διαδικασία και ο οποίος παρατίθεται στο παράρτημα. Τρέχοντας τον κώδικα μας δίνεται η δυνατότητα να δώσουμε τον πληθυσμό της περιοχής ενδιαφέροντος, την έκτασή του σε τετραγωνικά χιλιόμετρα, τις χρονοθυρίδες που θα κρατήσουμε για τον πάροχο και το blocking probability που θέλουμε να έχει το σύστημά μας όπως φαίνεται παρακάτω. Βάζοντας τις τιμές της προσομοίωσής μας το πρόγραμμα μας δίνει τα παρακάτω αποτελέσματα: ακτίνα κυψέλης, συνολικές κυψέλες, εμβαδό κυψέλης, αριθμό συνδρομητών κάποια χρονική στιγμή, συνολικές κεραίες, πομπούς, δέκτες, ψηφιακά κέντρα, combiners, duplexers, comparatives, HLR, VLR καθώς και την ισχύ της κεραίας εκπομπής όπως φαίνεται παρακάτω. 67

68 Ακόμα το πρόγραμμα κάνει και την κατάλληλη διαχείριση συχνοτήτων: Τοποθετώντας τις συχνότητες με τέτοιο τρόπο ώστε να έχουμε τις λιγότερες παρεμβολές. 68

69 Στη συνέχεια μας ζητάει δέκα μετρήσεις γύρω από την κεραία λήψης όπως φαίνεται παρακάτω. Τοποθετώντας τώρα τις τιμές τις οποίες μετρήσαμε με το πεδιόμετρο παίρνουμε τις παρακάτω γραφικές για την Rayleigh PDF και Rayleigh CDF. 69

70 . Οι οποίες είναι ίδιες με αυτές που υπολογίσαμε προηγουμένως. Το πρόγραμμα λειτουργεί για κάθε γεωγραφική περιοχή και πληθυσμό, παίρνει μέχρι δέκα μετρήσεις και λειτουργεί μόνο για μοντέλο διαλείψεων Rayleigh. 5.9 Αποτελέσματα Είδαμε ότι το δίκτυό μας μπορεί να εξυπηρετήσει παραπάνω πληθυσμό από τους κατοίκους της περιοχής όπως άλλωστε είναι και λογικό στον σχεδιασμό ενός τέτοιου δικτύου. Από τις γραφικές που εξάγαμε μέσω του μοντέλου διαλείψεων Rayleigh βλέπουμε πως το σύστημά μας λειτουργεί αρκετά καλά. Συγκεκριμένα, η γραφική παράσταση της 70