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: Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΑΔΟΣΗΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Γιακουμή Βασίλη Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Ανάπτυξη και υλοποίηση μεθόδων και τεχνικών βέλτιστης διαχείρισης ραδιοπόρων στα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα» Επιβλέπων Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2018

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ανάπτυξη και υλοποίηση μεθόδων και τεχνικών βέλτιστης διαχείρισης ραδιοπόρων στα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Γιακουμή Βασίλη Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Θεόδωρος Αντωνακόπουλος 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ανάπτυξη και υλοποίηση μεθόδων και τεχνικών βέλτιστης διαχείρισης ραδιοπόρων στα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα» Φοιτητής: Γιακουμής Βασίλης Επιβλέπων: Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος 3

4 Περίληψη Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός ενός κυτταρικού δικτύου ασύρματων επικοινωνιών σε μια γεωγραφική περιοχή με βάση την τεχνολογία GSM και η υλοποίηση μεθόδων για την βέλτιστη διαχείριση των ραδιοπόρων του δικτύου. Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύεται διεξοδικά η τριεπίπεδη αρχιτεκτονική του δικτύου GSM και τα συστήματα από τα οποία απαρτίζεται. Επίσης, εξετάζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά, οι προδιαγραφές και οι διάφορες λειτουργίες του. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα φαινόμενα απωλειών που λαμβάνουν χώρα κατά την ηλεκτρομαγνητική διάδοση των σημάτων στο χώρο και τα μοντέλα με τα οποία περιγράφονται. Αυτά τα φαινόμενα όπως είναι οι διαλείψεις, η πολυόδευση, η ανάκλαση και άλλα αποτελούν σημαντικό κομμάτι της μοντελοποίησης του ασύρματου καναλιού. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η παραμετροποίηση των μοντέλων ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης τα οποία χρησιμοποιούνται για την σχεδίαση του δικτύου και οι βασικές τους αρχές. Η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου από τον εκάστοτε σχεδιαστή είναι πολύ σημαντική για την ακριβή εκτίμηση των απωλειών. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύεται η διαδικασία της διαχείρισης των συχνοτήτων λειτουργίας και των παραμέτρων για το σχεδιασμό του κυτταρικού δικτύου. Για την διαχείριση των συχνοτήτων απαιτείται ο περιορισμός των παρεμβολών που προκύπτουν και η εκτίμηση της χωρητικότητας του δικτύου η οποία εξαρτάται από το συνδρομητικό φορτίο κίνησης. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η προσομοίωση του συστήματος κινητών επικοινωνιών για το νομό Θεσσαλονίκης. Ανάλογα με το γεωγραφικό ανάγλυφο και την πληθυσμιακή πυκνότητα ο νομός χωρίζεται σε αστικές, ημιαστικές και ανοιχτές περιοχές κάλυψης. Με αυτό τον τρόπο υπολογίζεται ακριβέστερα το συνδρομητικό φορτίο. Έπειτα, υπολογίζεται ο αριθμός των συχνοτήτων που απαιτείται για την κάλυψη του φορτιού αυτού. Οι συχνότητες εκχωρούνται στις κυψέλες με τέτοιο τρόπο ώστε να περιορίζονται οι παρεμβολές. Τέλος, δίνονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και η τελική σχεδίαση για όλο το νομό. Το έκτο κεφάλαιο περιέχει γενικά συμπεράσματα που προκύπτουν από τη διαδικασία προσομοίωσης του ασύρματου κυτταρικού δικτύου που υλοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας. 4

5 Abstract The purpose of this diploma thesis is to design a cellular wireless network based on the GSM technology in a specific geographic region, while implementing methods for optimal radio resource management. The first chapter analyzes in detail the three-level architecture of a GSM network and the subsystems it's comprised of. Furthermore, all technical features, specifications and different operational functions are examined. The propagation phenomena that cause signal interference and the mathematical models that describe such phenomena are presented in the second chapter. Phenomena such as fading, multipath, reflection etc. play a very important role in the modeling of the wireless channel. The third chapter describes the parameters of different propagation models which are used in the design of cellular networks along with their basic principles. The choice of an appropriate model by the designer is very important for the accurate estimation of the path loss. The fourth chapter analyzes the management of the radio resources and the parameters involved in developing a cellular network. The management of frequencies requires the minimization of any interference and the estimation of the capacity of the network, which is determined by the traffic load. The simulation of a mobile communication system in the regional unit of Thessaloniki is carried out in the fifth chapter. Taking into consideration the unit s geographical structure and its population density, the regional unit is divided into urban, suburban and open coverage areas. This way the traffic load is calculated more precisely. Furthermore, the number of frequencies required for coverage are calculated. The frequencies are allocated to the cells in a way that the interference is minimized. Finally, the simulation results and the final design of the network are given. The sixth chapter summarizes the conclusions drawn from the simulation of the cellular network implemented in the context of this diploma thesis. 5

6 Ευχαριστίες Καταρχάς θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για όλη την υποστήριξη που μου παρείχε σε όλη την διάρκεια των σπουδών μου. Χωρίς τη δύναμη και τη βοήθεια τους δεν θα τα είχα καταφέρει. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, κύριο Σταύρο Κωτσόπουλο για τις γνώσεις που μου πρόσφερε μέσα από τα μαθήματα που διδάσκει καθώς και την πολύτιμη βοήθεια κατά την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής. 6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη...4 Abstract...5 Ευχαριστίες...6 Κεφάλαιο 1: Τεχνικά Χαρακτηριστικά και Αρχιτεκτονική Ασύρματων Δικτύων 1.1. Εισαγωγή Γενικά Αρχιτεκτονική του GSM Επίπεδο Ραδιοδικτύου Υποσύστημα Σταθμού Βάσης Κινητός Σταθμός Διεθνής Ταυτότητα Κινητού Εξοπλισμού Κάρτα SIM Διεθνής Ταυτότητα Κινητού Συνδρομητή Αριθμός ISDN Κινητού Συνδρομητή Επίπεδο Δικτύου και Μεταγωγής Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής Οικεία Βάση Δεδομένων Βάση Δεδομένων Επισκεπτών Κέντρο Πιστοποίησης Βάση Δεδομένων Καταχώρησης Ταυτότητας Εξοπλισμού Ψηφιακό Κέντρο Πύλη Πύλη Υπηρεσίας Αποστολής Μικρών Μηνυμάτων Επίπεδο Λειτουργίας και Υποστήριξης Περιοχές του Δικτύου GSM Προδιαγραφές Δικτύου GSM Περιοχές Συχνοτήτων και Τεχνικά Στοιχεία στο GSM Τεχνικές Πολλαπλής Πρόσβασης TDMA και FDMA Δομή Χρονοθυρίδας Υπηρεσίες Υποστηριζόμενες από το Δίκτυο GSM

8 Διεπαφές και Πρωτόκολλα Σηματοδοσίας του GSM Διεπαφή Αέρος Um Διεπαφή Abis Διεπαφή A Um Λογικά Κανάλια Μεταπομπές Συμπεράσματα Κεφάλαιο 2: Ανάλυση Σημαντικών Φαινομένων Απωλειών Κατά την Ηλεκτρομαγνητική Διάδοση 2.1. Εισαγωγή Φαινόμενα Κατά Την Ηλεκτρομαγνητική Διάδοση Ζώνες Fresnel Σκέδαση Ανάκλαση Διάθλαση και Περίθλαση Πολυόδευση Απώλεια Οδεύσεως Διαλείψεις Διαλείψεις Μεγάλης Κλίμακας Διαλείψεις Μικρής Κλίμακας Γρήγορες και Αργές Διαλείψεις Επίπεδες και Επιλεκτικές Διαλείψεις Μοντέλα Διαλείψεων Μικρής Κλίμακας Μοντέλο Διαλείψεων Rayleigh Μοντέλο Διαλείψεων Rice Συμπεράσματα

9 Κεφάλαιο 3: Παραμετροποίηση Των Μοντέλων Ηλεκτρομαγνητικής Διάδοσης 3.1. Εισαγωγή Βασικές Αρχές Των Μοντέλων Ηλεκτρομαγνητικής Κάλυψης και Οι Κατηγορίες Τους Μοντέλο Ελεύθερου Χώρου Μοντέλο Λογαριθμικής Απόστασης Μοντέλο Okumura Μοντέλο Hata Cost 231 Εκτεταμένο Μοντέλο Hata CCIR Corrected Hata Μοντέλο Με Συντελεστή Δόμησης Β Μοντέλο Walfish - Ikegami Συμπεράσματα Κεφάλαιο 4: Ανάλυση Της Διαχείρισης Των Συχνοτήτων Λειτουργίας και Των Παραμέτρων Σχεδιασμού Του Κυτταρικού Δικτύου 4.1. Εισαγωγή Κυψέλες Σταθμοί Βάσης Των Κυψελών Σημαντικές Παράμετροι και Βήματα Κατά Τη Σχεδίαση Του Κυψελοειδούς Δικτύου Διαχείριση Των Ραδιοπόρων και Της Χωρητικότητας του Δικτύου Διαχείριση Συχνοτήτων Λειτουργίας Παρεμβολές Μέθοδοι Εκχώρηση Των Συχνοτήτων Υπολογισμός Συνδρομητικής Κίνησης Συμπεράσματα Κεφάλαιο 5: Προσομοίωση Συστήματος Κινητών Επικοινωνιών Για Την Εκτίμηση των Ηλεκτρικών Παραμέτρων Αυτού Και Αποτελέσματα 5.1. Εισαγωγή Γεωγραφικό Ανάγλυφο Νομού Θεσσαλονίκης και Περιοχές Εφαρμογής Του Δικτύου

10 5.3. Δήμος Θερμαϊκού Υπολογισμός Συνδρομητικού Φορτίου Διαστασιολόγηση Του Δικτύου Με Βάση Την Χωρητικότητα Επιλογή Μοντέλου Ηλεκτρομαγνητικής Διάδοσης και Υπολογισμός Ισχύος Διαχείριση Συχνοτήτων Αντιμετώπιση Παρεμβολών Υπολογισμός Υποσυστημάτων Της Σχεδίασης Δήμος Πυλαίας - Χορτιάτη Υπολογισμός Συνδρομητικού Φορτίου Διαστασιολόγηση Του Δικτύου Με Βάση Την Χωρητικότητα Επιλογή Μοντέλου Ηλεκτρομαγνητικής Διάδοσης και Υπολογισμός Ισχύος Διαχείριση Συχνοτήτων Αντιμετώπιση Παρεμβολών Υπολογισμός Υποσυστημάτων Της Σχεδίασης Δήμος Ωραιοκάστρου Υπολογισμός Συνδρομητικού Φορτίου Διαστασιολόγηση Του Δικτύου Με Βάση Την Χωρητικότητα Επιλογή Μοντέλου Ηλεκτρομαγνητικής Διάδοσης και Υπολογισμός Ισχύος Διαχείριση Συχνοτήτων Αντιμετώπιση Παρεμβολών Υπολογισμός Υποσυστημάτων Της Σχεδίασης Αστική Περιοχή Υπολογισμός Συνδρομητικού Φορτίου Διαστασιολόγηση Του Δικτύου Με Βάση Την Χωρητικότητα Επιλογή Μοντέλου Ηλεκτρομαγνητικής Διάδοσης και Υπολογισμός Ισχύος Διαχείριση Συχνοτήτων Αντιμετώπιση Παρεμβολών Υπολογισμός Υποσυστημάτων Της Σχεδίασης Ανοιχτή Περιοχή Υπολογισμός Συνδρομητικού Φορτίου Διαστασιολόγηση Του Δικτύου Με Βάση Την Χωρητικότητα

11 Επιλογή Μοντέλου Ηλεκτρομαγνητικής Διάδοσης και Υπολογισμός Ισχύος Διαχείριση Συχνοτήτων Αντιμετώπιση Παρεμβολών Υπολογισμός Υποσυστημάτων Της Σχεδίασης Αποτελέσματα Προσομοίωσης Δήμος Θερμαϊκού Δήμος Πυλαίας - Χορτιάτη Δήμος Ωραιοκάστρου Αστική Περιοχή Ανοιχτή Περιοχή Συνολικά Αποτελέσματα Για Τον Νομό Θεσσαλονίκης Συμπεράσματα Κεφάλαιο 6: Γενικά Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Παράρτημα

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: TEXNIKA ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ KAI ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΔIKTYΩΝ 1.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται και αναλύεται η αρχιτεκτονική του δικτύου GSM (Global System For Mobile Communications) το οποίο χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτής της εργασίας. Τα σύγχρονα δίκτυα τρίτης (3G) και τέταρτης γενιάς (4G) στηρίχτηκαν στο GSM και για αυτό το λόγο έχουν πολλά κοινά στοιχεία στην αρχιτεκτονική τους. Στις ενότητες του κεφαλαίου περιγράφονται ειδικότερα, η τριεπίπεδη δομή του GSM, οι οντότητες από τις οποίες αποτελείται και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του δικτύου ΓΕΝΙΚΑ Το GSM είναι ένα πρότυπο επικοινωνίας το οποίο υποστηρίζει αξιόπιστα ψηφιακές τηλεπικοινωνίες και εφαρμόζεται παγκοσμίως. Βασική φιλοσοφία του συστήματος είναι ο διαχωρισμός της γεωγραφικής περιοχής στην οποία παρέχονται κινητές υπηρεσίες σε κυψέλες (cells) και η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων που καταχωρούνται σε αυτές για να εξυπηρετούνται όσο το δυνατό περισσότεροι συνδρομητές. Το GSM διασφαλίζει ταυτόχρονα και την ποιότητα των υπηρεσιών (QoS Quality of Service) των συνδρομητών. Οι προδιαγραφές του GSM ορίζονται από το ινστιτούτο ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Στο πλαίσιο υλοποίησης του κατά τη περίοδο υπήρχαν ενδοιασμοί από τις επιστημονικές ομάδες του ETSI για το αν το πρότυπο θα έπρεπε να παραμείνει αναλογικό ή να υλοποιηθεί ως ένα ψηφιακό σύστημα. Μετά από μετρήσεις που έγιναν αποφασίστηκε η υλοποίηση του GSM με βάση ψηφιακή τεχνολογία. Ένας άλλος προβληματισμός αφορούσε το αν η μετάδοση του σήματος θα έπρεπε να ήταν στενοζωνική (narrowband) ή ευρυζωνική (broadband). To 1987 υιοθετήθηκε τελικά η στενοζωνική τεχνική TDMA (Timedivision multiple access) έναντι της FDMA (Frequency-division multiple access). Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα την εξοικονόμηση όσον αφορά το φάσμα συχνοτήτων χωρίς να μειώνεται η ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών. Στα επόμενα χρόνια το GSM άρχισε να υποστηρίζει και άλλες τεχνολογίες όπως μεταφορά δεδομένων αρχικά με τη χρήση μεταγωγής κυκλώματος (circuit switching) και αργότερα με πακέτα δεδομένων μέσω του GPRS (General Packet Radio Services) and EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution, or EGPRS). Εκτός από το GSM, η 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ανέπτυξε πρότυπα τρίτης γενιάς (3G) UMTS και τέταρτης γενιάς (4G) LTE Advanced τα οποία δεν υποστηρίζουν εξολοκλήρου τα πρότυπα του ETSI. Για αυτό το λόγο το GSM όπως και τα άλλα πρότυπα, περιλαμβάνει ειδικές διεπαφές μέσω των οποίων διασφαλίζεται η συμβατότητα και η διασύνδεση τους με σκοπό την επιτυχή επικοινωνία μεταξύ των συνδρομητών. Το GSM εκμεταλλευόμενο διάφορες ζώνες συχνοτήτων εφαρμόζεται σχεδόν σε όλες τις χώρες παγκοσμίως και αποτελεί μείζων πρότυπο για κινητές επικοινωνίες. 12

13 1.3. ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ GSM Η ιεραρχική δομή του GSM απαρτίζεται από τρία διακριτά επίπεδα τα οποία περιλαμβάνουν συγκεκριμένα υποσυστήματα, τα οποία διατελούν ξεχωριστές λειτουργίες και συνδέονται μεταξύ τους μέσω τυποποιημένων διεπαφών. Τα τρία αυτά επίπεδα είναι τα εξής : To επίπεδο που αφορά το Σύστημα Σταθμού Βάσης (Base Station System BSS) To επίπεδο που αφορά το Σύστημα Μεταγωγής (Switching System SS) Το επίπεδο που αφορά το Σύστημα Λειτουργίας και Υποστήριξης (Operation & Support System - OSS) Τα τρία επίπεδα διακρίνονται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 1.1.:Επίπεδα του δικτύου GSM. (Πηγή: 13

14 Εναλλακτικά, η ιεραρχική δομή του GSM απεικονίζεται παρακάτω: Σχήμα 1.2.: Ιεραρχική δομή του δικτύου GSM Σε αυτό το σχήμα απεικονίζεται μια top-down προσέγγιση της ιεραρχικής δομής του GSM όπου το Operation & Support System υποσύστημα βρίσκεται στην υψηλότερη θέση και διαθέτει κατάλληλο υλικό και λογισμικό με το οποίο υποστηρίζονται οι λειτουργικές μονάδες όλων των επιπέδων, στη μεσαία θέση το Switching System του οποίου οι μονάδες εξυπηρετούν τη μεταγωγή και τέλος το επίπεδο Ραδιοδικτύου το οποίο περιλαμβάνει όλο το ράδιο-εξοπλισμό όπως είναι και το υποσύστημα του Σταθμού Βάσης. Στα παρακάτω υποκεφάλαια αναλύονται πιο διεξοδικά τα υποσυστήματα και τα βασικά δομικά τους στοιχεία ΕΠΙΠΕΔΟ ΡΑΔΙΟΔΙΚΤΥΟΥ Το υποσύστημα ραδιοδικτύου αποτελείται από το υποσύστημα του Σταθμού Βάσης (Base Station System BSS) και το Κινητό Σταθμό (Mobile Station MS). Τα δύο αυτά συστήματα είναι απαραίτητα ώστε να επιτελείται η επικοινωνία σε φυσικό επίπεδο. Επίσης, το σύστημα αυτό αφορά τις λειτουργίες που σχετίζονται με την κωδικοποίηση-αποκωδικοποίηση της ομιλίας αλλά και την επιλογή του κατάλληλου ρυθμού μετάδοσης δεδομένων (rate adaptation) από και προς το δίκτυο. Σε αυτό το επίπεδο γίνεται η παραμετροποίηση των κεραιών, η μελέτη για την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη και η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης. 14

15 ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΣΤΑΘΜΟΥ ΒΑΣΗΣ Το υποσύστημα Σταθμού Βάσης αποτελείται από τους Ελεγκτήρες του Σταθμού Βάσης (Base Station Controllers BSCs) και τους Σταθμούς Εκπομπής & Λήψης (Base Transceiver Stations BTSs). ΕΛΕΓΚΤΗΡΑΣ ΣΤΑΘΜΟΥ ΒΑΣΗΣ Η μονάδα αυτή παρέχει όλες τις λειτουργίες με τις οποίες γίνεται ο έλεγχος των Ψηφιακών Κέντρων (MSC) και του συστήματος Εκπομπής και Λήψης καθώς και οι μεταξύ τους διασυνδέσεις. Ουσιαστικά, είναι ένα διακοπτικό στοιχείο που δρομολογεί διάφορες λειτουργικές διαδικασίες όπως είναι η μεταπομπή, ο έλεγχος στάθμης ισχύος των πομπών του BTS, ο έλεγχος των συνδρομητικών δεδομένων στις κυψέλες και η πολύπλεξη των καναλιών-συχνοτήτων στις συνδέσεις της διεπαφής Α. Εκτός από αυτά, ο BSC εκτελεί τις λειτουργίες που σχετίζονται με την διαχείριση των ραδιοπόρων στην περιοχή για την οποία είναι υπεύθυνος. Μέσω αυτού γίνεται η εκχώρηση των καναλιών στους Σταθμούς Βάσης και ρυθμίζεται το frequency hopping. Επίσης, ελέγχει την ισχύ των σημάτων που μεταδίδονται από τους BTS. Ο BSC ελέγχει ένα μεγάλο αριθμό από Σταθμούς Βάσης και ένα MSC μπορεί να ελέγχει έναν αριθμό από BSCs. ΣΤΑΘΜΟΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΛΗΨΗΣ Σχήμα 1.3.: Δομή του BTS 15

16 Η μονάδα αυτή αποτελείται από τους πομποδέκτες και εξυπηρετεί τους συνδρομητές μίας κυψέλης. Οι πομποδέκτες χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία, διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση των εκπεμπόμενων σημάτων. Επιπλέον, διαθέτει το κατάλληλο κεραιοσύστημα τα οποίο είναι αναγκαίο για την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη της περιοχής που ορίζει η εκάστοτε κυψέλη. Είναι δηλαδή η ραδιοεπαφή του συστήματος GSM με τις φορητές συσκευές των κινητών συνδρομητών. Οι πομποδέκτες συνδέονται με το κεραιοσύστημα με την χρήση combiners και diplexers φίλτρων. Οι πομποί συνδέονται με την κεραία μέσω των combiners και οι δέκτες μέσω των diplexers. Όλοι οι πομποί και όλοι οι δέκτες συνδέονται με το ίδιο κεραιοσύστημα. Ο αριθμός των πομποδεκτών εξαρτάται από τον αριθμό των συχνοτήτων που καταχωρούνται σε μια συγκεκριμένη κυψέλη. O Σταθμός Βάσης βρίσκεται συνήθως στο σημείο στο οποίο συνορεύουν τρεις γειτονικές κυψέλες. Για την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη της καθεμιάς από τις κυψέλες χρησιμοποιείται ένα κεραιοσύστημα το οποίο έχει κατευθυντικές (sector) κεραίες με εύρος λοβού 120 ο μοίρες. Με αυτό τον τρόπο αυξάνεται η χωρητικότητα της τηλεπικοινωνιακής κίνησης του Σταθμού Βάσης χωρίς να αυξάνεται σημαντικά η παρεμβολή από τις γειτονικές κυψέλες (σε οποιαδήποτε κατεύθυνση μεταδίδεται μικρός αριθμός συχνοτήτων). Μειονεκτήματα αυτού του τρόπου εγκατάστασης είναι η αύξηση του αριθμού των κεραιών ανά Σταθμό Βάσης και η αύξηση των μεταπομπών εξαιτίας της κίνησης του Κινητού Σταθμού από τον ένα τομέα στον άλλο. Μπορεί επίσης ο Σταθμός Βάσης να βρίσκεται στο κέντρο μιας κυψέλης και να έχει μια παντοκατευθυντική κεραία η οποία θα καλύπτει ηλεκτρομαγνητικά την έκταση που ορίζει η συγκεκριμένη κυψέλη. Εικόνα 1.4.: Χαρακτηριστική κεραία του BTS. (Πηγή: 16

17 ΚΙΝΗΤΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ Ο συνδρομητής χρησιμοποιεί τον Κινητό Σταθμό (Mobile Station MS) ώστε να μπορεί να επικοινωνήσει με τους υπόλοιπους συνδρομητές και να πραγματοποιήσει κλήσεις μέσω του GSM. Ο Κινητός Σταθμός διαθέτει το υλικό και το λογισμικό που είναι απαραίτητα για την επικοινωνία με το δίκτυο. Κύριες οντότητες του MS είναι ο κινητός εξοπλισμός του κάθε συνδρομητή και η κάρτα SIM (subscriber identity module) ένα chip το οποίο τοποθετείται στον κινητό εξοπλισμό. Ο κινητός εξοπλισμός αποτελείται από τρεις ξεχωριστές οντότητες: O Τερματικός Εξοπλισμός (Terminal Equipment) ο οποίος προσφέρει στον χρήστη τις διάφορες υπηρεσίες οι οποίες δεν σχετίζονται με τη λειτουργία του GSM. O Τερματισμός του Φορητού Εξοπλισμού (Mobile Termination) o οποίος εμπεριέχει τις λειτουργίες για μετάδοση του σήματος, κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση της μεταδιδόμενης πληροφορίας, έλεγχο για λάθη κατά την μετάδοση κτλ. Ο κινητός σταθμός μπορεί να ταυτοποιηθεί μέσω της ΙΜΕΙ (International Mobile Equipment Identity). Ο Τερματικός Προσαρμογέας (Terminal Adapter) με τον οποίο γίνεται η διασύνδεση μεταξύ του Terminal Equipment και του Mobile Termination ΔΙΕΘΝΗΣ ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ ΚΙΝΗΤΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ Η διεθνής ταυτότητα κινητού εξοπλισμού ΙΜΕΙ (International Mobile Equipment Identity) αποτελεί το σειριακό αριθμό με τον οποίο ταυτοποιείται παγκοσμίως ο κινητός εξοπλισμός και είναι μοναδικός για κάθε συσκευή. Ο αριθμός αυτός καταχωρείται από τον κατασκευαστή του εξοπλισμού και είναι αποθηκεύεται στο Mobile Termination. Ουσιαστικά, η ΙΜΕΙ είναι μια ιεραρχική διεύθυνση η οποία περιλαμβάνει τα εξής : Κωδικός Έγκρισης Τύπου (Type Approval Code TAC) : 6 δεκαδικά ψηφία τα οποία ανατίθενται κεντρικά. Κωδικός Εύρεσης Κατασκευής (Find Assembly Code - FAC) : 6 δεκαδικά ψηφία τα οποία ανατίθενται από τον κατασκευαστή. Σειριακός Αριθμός (Serial Number SNR) : 6 δεκαδικά ψηφία τα οποία ανατίθενται από τον κατασκευαστή. Ένα περισσεύον δεκαδικό ψηφίο (Spare SP) Άρα IMEI = TAC + FAC + SNR + SP (1.1) ΚΑΡΤΑ SIM Στην κάρτα SIM είναι αποθηκευμένη η ταυτότητα του συνδρομητή IMSI (International Mobile Subscriber Identity) η οποία είναι μοναδική καθώς περιλαμβάνει πληροφορίες όπως η χώρα προέλευσης και το δίκτυο στο οποίο είναι συνδρομητής. Για την διαδικασία ταυτοποίησης του συνδρομητή η κάρτα SIM περιλαμβάνει ένα 128-bit κλειδί (authentication key K i ) και εξειδικευμένο αλγόριθμο πιστοποίησης. Ακόμα, για αποφεύγεται η παράνομη χρήση της SIM, o συνδρομητής πρέπει να πληκτρολογήσει ένα κωδικό 4-bit τον λεγόμενο προσωπικό αριθμό ταυτοποίησης (Personal Identification Number PIN) πριν χρησιμοποιήσει την κινητή συσκευή. Αν εισαχθεί λανθασμένος κωδικός 3 φορές η κάρτα SIM κλειδώνεται και ο μόνος τρόπος με τον οποίο μπορεί να ενεργοποιηθεί ξανά, είναι με την εισαγωγή ενός κωδικό 8-bit κωδικού (PUK) ο οποίος είναι αποθηκευμένος στη SIM. 17

18 ΔΙΕΘΝΗΣ ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ ΚΙΝΗΤΟΥ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΗ Η διεθνής ταυτότητα κινητού συνδρομητή IMSI (International Mobile Subscriber Identity) όπως αναφέρθηκε είναι η μοναδική ταυτότητα του κάθε συνδρομητή, η οποία είναι αποθηκευμένη στη SIM. Αποτελείται από τα εξής τμήματα: Κωδικός Χώρας Συνδρομητή (Mobile Country Code - MCC) : 3 δεκαδικά ψηφία διεθνώς τυποποιημένα. Κωδικός Κινητού Δικτύου (Mobile Network Code - MNC) : 2 δεκαδικά ψηφία για την ταυτοποίηση του εκάστοτε κινητού δικτύου της εκάστοτε χώρας προέλευσης. Αριθμός Ταυτοποίησης Κινητού Συνδρομητή (Mobile Subscriber Identification Number - MSIN) : Το πολύ 10 δεκαδικά ψηφία, αριθμός με τον οποίο ταυτοποιείται ο χρήστης μέσα στο δίκτυο στο οποίο είναι συνδρομητής. Άρα IMSI = MCC + MNC + MSIN (1.2) ΑΡΙΘΜΟΣ ISDN ΚΙΝΗΤΟΥ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΗ Ο αριθμός ISDN κινητού συνδρομητή (Mobile Subscriber ISDN Number - MSISDN) αποτελεί τον πραγματικό τηλεφωνικό αριθμό του συνδρομητή. Επίσης, κάθε συνδρομητής μπορεί να έχει στην κατοχή του διάφορους MSISDNs με τη δυνατότητα επιλογής διαφορετικών υπηρεσιών. Κάθε MSISDN κατοχυρώνεται για μια συγκεκριμένη υπηρεσία πχ fax, φωνή, δεδομένα. Για να χρησιμοποιήσει μια από αυτές τις υπηρεσίες, απαιτείται η ενεργοποίηση συγκεκριμένων πόρων, διαδικασία η οποία γίνεται κατά την εγκατάσταση της σύνδεσης. Ο MSISDN αποτελείται από τα εξής τμήματα: Κωδικός Χώρας (Country Code CC) : Μέχρι 3 δεκαδικά ψηφία Κωδικός Προορισμού (National Destination Code NDC) : 2 έως 3 δεκαδικά ψηφία Αριθμός Συνδρομητή (Subscriber Number SN) : Το πολύ 10 δεκαδικά ψηφία Άρα MSISDN = CC + NDC + SN (1.3) ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΑΙ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ Βασικός σκοπός του υποσυστήματος δικτύου και μεταγωγής NSS είναι η δρομολόγηση και η μεταγωγή των κλήσεων καθώς και λειτουργίες διαχείρισης της κινητικότητας (mobility management) για το roaming των κινητών συσκευών. Επίσης, σημαντικός του ρόλος είναι ότι διαχειρίζεται την επικοινωνία μεταξύ συνδρομητών του GSM και συνδρομητών που χρησιμοποιούν κάποια άλλη τεχνολογία. 18

19 Σχήμα 1.5.: Απεικόνιση των επιμέρους συστημάτων του NSS και οι μεταξύ τους διεπαφές. (Πηγή: Στα παρακάτω κεφάλαια της ενότητας αυτής αναλύονται πιο διεξοδικά τα βασικά δομικά στοιχεία του υποσυστήματος που είναι τα εξής: Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής (Mobile Switching Center MSC) Οικεία Βάση Δεδομένων (Home Location Register HLR) Βάση Δεδομένων Επισκεπτών (Visitor Location Register VLR) Κέντρο Πιστοποίησης (Authentication Center AuC) Βάση Δεδομένων Καταχώρησης Ταυτότητας Εξοπλισμού (Equipment Identity Register EIR) Ψηφιακό Κέντρο Πύλη (Gateway Mobile Switching Center GMSC) Πύλη Υπηρεσίας Αποστολής Μικρών Μηνυμάτων (SMS Gateway SMS-G) ΨΗΦΙΑΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ Το Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής διασυνδέει τους Σταθμούς Βάσης με άλλα Ψηφιακά Κέντρα του ίδιου καθώς και με το Σύστημα Λειτουργίας και Υποστήριξης. Με αυτό τον τρόπο διασφαλίζονται οι λειτουργίες μεταγωγής του συστήματος, ο έλεγχος των κλήσεων που πραγματοποιούνται μεταξύ του ίδιου ή και διαφορετικών παρόχων και η επικοινωνία κινητών με συνδρομητές του Δημόσιο Τηλεφωνικό Δίκτυο Μεταγωγής (Public Switched Telephone Network 19

20 -PSTN) ή του Ψηφιακού Δικτύου Ενοποιημένων Υπηρεσιών (Integrated Services Digital Network - ISDN). Ακόμα, το Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής είναι υπεύθυνο για την σηματοδοσία και για λειτουργίες όπως είναι η εγγραφή (registration), η πιστοποίηση (authentication) και η ανανέωση της τοποθεσίας (location updating) του κινούμενου συνδρομητή ΟΙΚΕΙΑ ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Η Οικεία Βάση Δεδομένων HLR αποτελεί μια βάση δεδομένων στην οποία αποθηκεύονται τα στοιχεία των συνδρομητών με μόνιμο ή δυναμικό τρόπο. Χρησιμοποιείται για την διαχείριση των δεδομένων των συνδρομητών. Ειδικότερα, στην HLR είναι αποθηκευμένες πληροφορίες σχετικά με τις υπηρεσίες στις οποίες είναι εγγεγραμμένοι οι συνδρομητές και την πιο πρόσφατη γεωγραφική τους θέση. H HLR χαρακτηρίζεται από την χωρητικότητα της και τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια των κλήσεων των συνδρομητών. Έχοντας αποθηκευμένη την πιο πρόσφατη τοποθεσία στην Οικεία Βάση Δεδομένων το Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής μπορεί να δρομολογήσει την εκάστοτε κλήση στον πιο κοντινό Σταθμό Βάσης. To σύστημα ακόμα και όταν η κινητή συσκευή δεν είναι ενεργή ανανεώνει περιοδικά την HLR ώστε να περιέχει πάντα την πιο πρόσφατη τοποθεσία του συνδρομητή ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΕΠΙΣΚΕΠΤΩΝ Η Βάση δεδομένων Επισκεπτών VLR αποθηκεύει προσωρινά και για όσο χρονικό διάστημα απαιτεί το Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής πληροφορίες ώστε να εξυπηρετήσει του επισκέπτες συνδρομητές. Η VLR συνδέεται με το Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής και παίρνει τα στοιχεία του συνδρομητή από την Οικεία Βάση Δεδομένων HLR με βάση τις απαιτήσεις της σηματοδοσίας. Όταν ένας Κινητός Σταθμός MS περιάγεται από ένα Ψηφιακό Κέντρο σε ένα άλλο, η νέα VLR παίρνει τα δεδομένα του συνδρομητή από την προηγούμενη VLR. Με αυτό τον τρόπο, όταν ο επισκέπτης συνδρομητής επιχειρήσει να κάνει μια κλήση, οι πληροφορίες για την εγκατάσταση της (call setup) θα εμπεριέχονται ήδη στη νέα VLR χωρίς να χρειάζεται η μεταφορά τους από την ΗLR κάθε φορά ΚΕΝΤΡΟ ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ Το Κέντρο Πιστοποίησης AuC είναι ένα υπολογιστικό σύστημα το οποίο περιέχει μια προστατευμένη βάση δεδομένων η οποία χρησιμοποιείται στην διαδικασία πιστοποίησης του συνδρομητή. Συνήθως ανήκει στο ίδιο σύστημα με την Οικεία Βάση Δεδομένων HLR διότι χρειάζεται συνεχή πρόσβαση στα στοιχεία του συνδρομητή για να μπορεί να εκτελέσει την διαδικασία πιστοποίησης. Ειδικότερα, το AuC εμπεριέχει ένα αντίγραφο του μυστικού κλειδιού που είναι αποθηκευμένο στην κάρτα SIM του εκάστοτε κινητού εξοπλισμού. Επιπλέον, το Κέντρο Πιστοποίησης χρησιμοποιείται για την ασφάλεια του δικτύου. 20

21 ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΧΩΡΗΣΗΣ ΤΑΥΤΟΤΗΤΑΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ Η βάση αυτή, περιέχει πληροφορίες οι οποίες σχετίζονται με την ταυτότητα της φορητής συσκευής. Η Βάση Δεδομένων Καταχώρησης Ταυτότητας Εξοπλισμού EIR αποφασίζει εάν ο εκάστοτε Κινητός Σταθμός μπορεί να έχει πρόσβαση στο δίκτυο GSM. Αυτό γίνεται ελέγχοντας την ΙΜΕΙ (International Mobile Equipment Identity). Η ΙΜΕΙ έχει καταχωρηθεί από τον πάροχο του δικτύου στην EIR. Ανάλογα με τις πληροφορίες που εμπεριέχονται εκεί το σύστημα αποφασίζει αν θα δώσει στο συνδρομητή πλήρη (full access), μερική (barred access) ή επιβλεπόμενη πρόσβαση (monitored access) στο δίκτυο ΨΗΦΙΑΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΠΥΛΗ To Ψηφιακό Κέντρο Πύλη GMSC είναι υπεύθυνο για την διασύνδεση του δικτύου GSM με τα άλλα δίκτυα κινητής ή σταθερής τηλεφωνίας. Επίσης, το GMSC λαμβάνει την ταυτότητα περιαγωγής MSRN (Mobile Station Roaming Number) από την ΗLR βασιζόμενο στην ταυτότητα MSISDN (Mobile Station ISDN Number) του κινητού συνδρομητή και δρομολογεί την κλήση στο σωστό MSC ΠΥΛΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΗΣ ΜΙΚΡΩΝ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ H Πύλη Υπηρεσίας Αποστολής Μικρών Μηνυμάτων (SMS Gateway) αναφέρεται σε δύο πύλες της υπηρεσίας μικρών μηνυμάτων οι οποίες καθορίζονται από το πρότυπο GSM. To πρότυπο καθορίζει την ύπαρξη δυο πυλών οι οποίες διαχειρίζονται τα μηνύματα τα οποία αποστέλλονται από τους συνδρομητές προς διαφορετικές διευθύνσεις. Η πρώτη πύλη SMS-GMSC (Short Message Service Gateway Mobile Switching Centre) διαθέτει τις λειτουργιές για την αποστολή μικρών μηνυμάτων τα οποία αποστέλλονται σε έναν συνδρομητή (τα μηνύματα αυτά προέρχονται από συνδρομητές εκτός δικτύου) και η δεύτερη πύλη SMS-IWMSC (Short Message Service Inter- Working Mobile Switching Centre) διαχειρίζεται τα μηνύματα τα οποία προέρχονται από συνδρομητές εντός του δικτύου ΕΠΙΠΕΔΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ Το υποσύστημα Λειτουργίας και Υποστήριξης OSS αποτελείται από δύο κεντρικούς μηχανισμούς το Κέντρο Λειτουργίας και Συντήρησης (Operation & Maintenance Center OMC) και το Κέντρο Διαχείρισης Δικτύου (Network Management Center NMC). Οι δύο αυτοί μηχανισμοί εκτελούν τις εξής λειτουργίες : Διαχείριση Λαθών (faulty management), δηλαδή την αντιμετώπιση προβλημάτων και λαθών που μπορεί να προκύψουν κατά την διαδικασία της καθίδρυσης της σύνδεσης στο δίκτυο. Διαχείριση της Διαμόρφωσης της σύνδεσης (configuration management), δηλαδή την διευθέτηση της αρχιτεκτονικής της σύνδεσης. 21

22 Διαχείριση Απόδοσης (performance management), δηλαδή τη προσπάθεια το σύστημα να διατηρεί τις προδιαγραφές ποιότητας των κλήσεων και παράλληλα να εκτελούνται τα κατάλληλα βήματα ώστε να υπάρχει αξιοπιστία της σύνδεσης. Καταγραφή της απόδοσης και της σωστής λειτουργίας του δικτύου (inventory management). Σχήμα 1.6.: Απεικόνιση του OMC και η σύνδεση του με όλα τα επιμέρους συστήματα. (Πηγή: ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM Στο πλαίσιο της αρχιτεκτονικής του GSM διακρίνονται οι παρακάτω γενικές περιοχές του συστήματος: Περιοχή Κυψέλης (Cell Area) Περιοχή Θέσης (Location Area) Περιοχή Μεταγωγής (Switching Area) Περιοχή Εξυπηρέτησης Παρόχου (Operator s Area) Ακολουθεί αναλυτική περιγραφή των παραπάνω περιοχών. ΠΕΡΙΟΧΗ ΚΥΨΕΛΗΣ H περιοχή αυτή ταυτίζεται με την γεωγραφική περιοχή της εκάστοτε κυψέλης. Με δεδομένο ότι η κάθε γεωγραφική περιοχή χωρίζεται σε κυψέλες για την κάλυψη των τηλεπικοινωνιακών της αναγκών, προκύπτει ότι η κάθε κυψέλη θα έχει και την δική της ταυτότητα. Ειδικότερα, η ταυτότητα μια κυψέλης (Cell Global Identity CGI) ορίζεται ως εξής: CGI = LAI + CI (1.4) Όπου, LAI = η ταυτότητα της περιοχής θέσης. CI = η ταυτότητα της κυψέλης σε μια περιοχή (LA). 22

23 ΠΕΡΙΟΧΗ ΘΕΣΗΣ Κατά την επικοινωνία, η ταυτότητα LAI μεταφέρεται μέσω του Καναλιού Ελέγχου Broadcast Control Channel (BCCH). Η φορητή συσκευή αναγνωρίζει την ταυτότητα LAI και την αποθηκεύει στην κάρτα SIM. Τέλος, για οποιαδήποτε αλλαγή της γεωγραφικής περιοχής θέσης (LA) θα πρέπει να ενεργοποιείται η αίτηση (request) για ενημέρωση της νέας περιοχής θέσης στην οποίαν έχει μετακινηθεί ο κινητός συνδρομητής. Επομένως, η Περιοχή Θέσης αποτελείται από έναν αριθμό κυψελών και κάθε Περιοχή Θέσης εξυπηρετείται από έναν ή και περισσότερους Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης και ελέγχεται από ένα Ψηφιακό Κέντρο ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ H περιοχή μεταγωγής είναι η περιοχή του δικτύου η οποία ελέγχεται από ένα Ψηφιακό Κέντρο MSC. Στο σύνολο του το δίκτυο GSM αποτελείται από έναν αριθμό MSCs τα οποία συνδέονται μεταξύ τους, συνήθως σε τοπολογία πλέγματος (Mesh Topology). ΠΕΡΙΟΧΗ ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΣΗΣ ΠΑΡΟΧΟΥ Η περιοχή εξυπηρέτησης του παρόχου είναι η περιοχή στην οποία εγκαθιδρύεται και λειτουργεί το εκάστοτε δίκτυο το οποίο και εξυπηρετεί τους αντίστοιχους κινητούς συνδρομητές. Οι σχέσεις μεταξύ των περιοχών του GSM απεικονίζονται στο παρακάτω σχήμα : Σχήμα 1.7.: Σχέση μεταξύ των περιοχών στο GSM. (Πηγή: phpapp02/95/gsm-overview jpg?cb= ) 23

24 1.5. ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται οι προδιαγραφές του δικτύου GSM και οι λεπτομέρειες σχετικά με την διασύνδεση Κινητού Σταθμού και του Σταθμού Βάσης (Air Interface). Επίσης, αναλύονται οι τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης στο GSM, οι διεπαφές μεταξύ των υποσυστημάτων, τα κανάλια (channels) του συστήματος και τα είδη handover ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΤΟ GSM Το GSM σύμφωνα με τον ETSI λειτουργεί σε δύο βασικές εκδόσεις, το GSM 900 το οποίο λειτουργεί στη ζώνη των 900 MHz και το GSM 1800 το οποίο λειτουργεί στη ζώνη των 1800 MHz. Αναλυτικότερα: GSM 900: Ως κατερχόμενη ζεύξη (Down Link - DL) δηλαδή για επικοινωνία από τον Σταθμό Βάσης στο Κινητό Σταθμό χρησιμοποιείται το διάστημα συχνοτήτων MHz. Ως ανερχόμενη ζεύξη (Up Link - UL) δηλαδή για επικοινωνία από τον Κινητό Σταθμό στον Σταθμό Βάσης χρησιμοποιείται το διάστημα συχνοτήτων MHz. Η συχνοτική απόσταση των ζωνών λειτουργίας είναι 45 MHz. Το σύστημα διαθέτει 124 (+1 ελεύθερο) κανάλια (διαύλους) λειτουργίας και η συχνοτική απόσταση των καναλιών αυτών είναι 200 ΚΗz. H διαμόρφωση του σήματος είναι GMSK και ο ρυθμός μετάδοσης είναι 9.6 Kbits/s. Ως τεχνική πολλαπλής πρόσβασης χρησιμοποιείται η TDMA/FDMA με αριθμό χρονοθυρίδων 8 ανά TDMA πλαίσιο. Για την κωδικοποίηση της φωνής χρησιμοποιείται γραμμικός κωδικοποιητής (Regular Pulse Excitation Long Term Prediction RPE-LPE). GSM 1800: Ως κατερχόμενη ζεύξη (Down Link - DL) δηλαδή για επικοινωνία από τον Σταθμό Βάσης στο Κινητό Σταθμό χρησιμοποιείται το διάστημα συχνοτήτων MHz. Ως ανερχόμενη ζεύξη (Up Link - UL) δηλαδή για επικοινωνία από τον Κινητό Σταθμό στον Σταθμό Βάσης χρησιμοποιείται το διάστημα συχνοτήτων MHz. Η συχνοτική απόσταση των ζωνών λειτουργίας είναι 95 MHz. Το σύστημα διαθέτει 374 (+1 ελεύθερο) κανάλια (διαύλους) λειτουργίας και η συχνοτική απόσταση των καναλιών αυτών είναι 200 ΚΗz. H διαμόρφωση του σήματος είναι GMSK και ο ρυθμός μετάδοσης είναι 43.2 Kbits/s για το DL και 14.4 Kbits/s για το UL. Ως τεχνική πολλαπλής πρόσβασης χρησιμοποιείται η TDMA/FDMA με αριθμό χρονοθυρίδων 8 ανά TDMA πλαίσιο. Για την κωδικοποίηση της φωνής χρησιμοποιείται γραμμικός κωδικοποιητής (Regular Pulse Excitation Long Term Prediction RPE-LPE) ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ TDMA KAI FDMA Στην τεχνική Πολλαπλής Πρόσβασης Επιμερισμού Συχνότητας (Frequency Division Multiple Access FDMA) ορίζεται μια συχνότητα ανά χρήστη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των συνδρομητών σε ένα σύστημα FDMA, τόσες περισσότερες πρέπει να είναι οι διαθέσιμες συχνότητες. Έτσι τα 25 MHz στο DL και τα 25 UL στο GSM δεν θα ήταν αρκετά για την εξυπηρέτηση όλων των συνδρομητών του δικτύου. Για αυτό και δεν υιοθετήθηκε η FDMA στο GSM αλλά μια τεχνική TDMA/FDMA η οποία βασίζεται στο TDMA και αξιοποιεί ταυτόχρονα την FDMA. Γενικά, στο TDMA οι διάφοροι χρήστες μπορούν να μοιραστούν την ίδια συχνότητα σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα τα οποία ονομάζονται χρονοθυρίδες (timeslots ή bursts). 24

25 Συγκεκριμένα, στο GSM οι δύο ζώνες συχνοτήτων χωρίζονται 124 (+1 ελεύθερο) συχνότητεςφορείς (carriers) των 200 KHz σύμφωνα με την FDMA. Στην συνέχεια ο κάθε carrier διαιρείται σε 8 χρονοθυρίδες.ένα TDMA πλαίσιο αποτελείται από 8 χρονοθυρίδες. Έτσι κάθε φορέας μπορεί να εξυπηρετήσει έως και 8 συνδρομητές όσες δηλαδή είναι και οι αντίστοιχες χρονοθυρίδες. Κάθε χρήστης μπορεί να μεταδίδει καθ όλη τη διάρκεια της χρονοθυρίδας. Η εναλλαγή των χρονοθυρίδων είναι κυκλική. Για αυτό μόλις τελειώσει η διάρκεια της χρονοθυρίδας ταυτόχρονα διακόπτεται και η μετάδοση του χρήστη μέχρι να έρθει και πάλι η δική του χρονοθυρίδα (η διακοπή αυτή δεν γίνεται αντιληπτή από τον συνδρομητή διότι γίνεται εξαιρετικά γρήγορα). Η διάρκεια μιας χρονοθυρίδας είναι ms και η διάρκεια του TDMA πλαισίου ms. Κάθε χρονοθυρίδα αποτελεί και ένα φυσικό κανάλι (physical channel).o Σταθμός Βάσης εκπέμπει κανάλια κίνησης και κανάλια ελέγχου, για αυτό και υπάρχουν δύο κατηγορίες TDMA πλαισίων τα πλαίσια κίνησης (traffic frames) και τα πλαίσια ελέγχου (control frames). Τα TDMA πλαίσια οργανώνονται σε πολυπλαίσια (Multiframes) τα οποία εμπεριέχουν σήματα ελέγχου και μέσω των οποίων γίνεται ο συγχρονισμός του δικτύου. Τα πολυπλαίσια οργανώνονται αντίστοιχα σε υπερπλαίσια (Superframes). Τέλος τα υπερπλαίσια οργανώνονται σε μεγιστοπλαίσια (Hyperframes). Τα Multiframes διακρίνονται στις 2 παρακάτω κατηγορίες: Πολυπλαίσιο Κίνησης (traffic multiframe). To πολυπλαίσιο κίνησης αποτελείται από 26 χρονοθυρίδες (ριπές) εκ των οποίων οι 24 χρησιμοποιούνται για τις ανάγκες της συνδρομητικής κίνησης. Από τις άλλες δυο χρονοθυρίδες η μία χρησιμοποιείται για το SACCH και η άλλη μένει κενή. Πολυπλαίσιο Ελέγχου (control multiframe). To πολυπλαίσιο ελέγχου αποτελείται από 51 ριπές. Το πολυπλαίσιο αυτό διαιρείται σε λογικά κανάλια τα οποία εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες. Τα λογικά κανάλια και οι αντίστοιχες τους λειτουργίες είναι οι εξής: Ριπή Διόρθωσης Συχνότητας (Frequency Correction Burst) Ριπή Συγχρονισμού (Synchronization Burst) Κανάλι Εκπομπής (Broadcast Channel - BCH) Κανάλι Αναζήτησης και Πρόσβασης (Paging and Access Grand Channel PACCH) Αυτόνομο Αφιερωμένο Κανάλι Ελέγχου (Stand Alone Dedicated Control Channel SDCCH) To υπερπλαίσιο (superframe) αποτελείται από 51 πολυπλαίσια κίνησης ή 26 πολυπλαίσια ελέγχου. Τα πολυπλαίσια κίνησης έχουν μήκος 26 ριπών και τα πολυπλαίσια ελέγχου έχουν μήκος 51 ριπών. Το hyperframe αποτελείται από 51 υπερπλαίσια. Το hyperframe έχει τη μεγαλύτερη διάρκεια από όλα τα πλαίσια του GSM. Στο μεγιστοπλαίσιο υπάρχει μετρητής και η κάθε χρονοθυρίδα έχει μοναδικό σειριακό αριθμό. Με αυτό τον τρόπο διασφαλίζεται ο συγχρονισμός των εκάστοτε λειτουργιών με την οργάνωση των πλαισίων που πρόκειται να δημιουργηθούν. Τα Hyperframes υποστηρίζουν τις εξής λειτουργίες Μεταπήδηση συχνότητας (frequency hopping). To frequency hopping είναι μια διαδικασία με την οποία μειώνονται οι πιθανές παρεμβολές και ελαχιστοποιούνται προβλήματα τα οποία μπορεί να προκύψουν από τις διαλείψεις του σήματος. Στο frequency hopping πομπός και δέκτης πρέπει να παραμένουν συγχρονισμένοι ώστε να μεταπηδούν στις ίδιες συχνότητες την ίδια χρονική στιγμή. Κρυπτογράφηση (Encryption). Η διαδικασία της κρυπτογράφησης (Encryption) γίνεται με βάση τα κριτήρια του hyperframe στο οποίο υπάρχει ένας μετρητής και η διαδικασία της 25

26 κρυπτογράφησης επαναλαμβάνεται σε κάθε hyperframe. Επειδή, όμως το hyperframe επαναλαμβάνεται κάθε 3 ώρες 28 λεπτά δευτερόλεπτα και οι κλήσεις των συνδρομητών σπάνια διαρκούν τόσο πολύ η ασφάλεια του συστήματος είναι αμφίβολη ΔΟΜΗ ΧΡΟΝΟΘΥΡΙΔΑΣ Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η δομή της χρονοθυρίδας του GSM: Σχήμα 1.8.: Δομή χρονοθυρίδας GSM Σύμφωνα με την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης TDMA η δομή της χρονοθυρίδας περιλαμβάνει τα παρακάτω 5 πεδία: Πεδίο preamble για συγχρονισμό. Πεδίο επικεφαλίδας ελέγχου (control) Πεδίο δεδομένων χρήστη (user data) Πεδίο δεδομένων σηματοδοσίας (signaling data) Πεδίο ανίχνευσης σφαλμάτων (error detection) Οι χρονοθυρίδες χαρακτηρίζονται από τις περιόδους ανόδου ισχύος (power up) και καθόδου ισχύος (power down) ώστε να ελαχιστοποιούνται οι ταχείς μεταβολές της ισχύος των σημάτων. Ειδικότερα, οι χρόνοι ανόδου και καθόδου χρησιμοποιούνται για την μείωση των ανεπιθύμητων εκπομπών οι οποίες μπορεί να προκληθούν από τα ταχέως μεταβαλλόμενα σήματα. Οι χρονοθυρίδες όπως αναφέρεται παραπάνω μεταδίδονται με ριπές (bursts). Στο GSM υπάρχουν τα εξής είδη ριπών: Κανονική Ριπή (Normal Burst). Η ριπή αυτή χρησιμοποιείται για την κανονική επικοινωνία μεταξύ του Κινητού Σταθμού και του Σταθμού Βάσης. Κάθε τέτοια ριπή μπορεί να 26

27 μεταφέρει έως 114 bits χρήσιμης πληροφορίας του συνδρομητή. Με την Κανονική Ριπή μεταδίδονται δεδομένα ψηφιοποιημένης φωνής. Ριπή Τυχαίας Πρόσβασης ή Βραχεία Ριπή (Random Access Burst or Shortened Burst). H ριπή αυτή είναι 88 bits και σχετίζεται με τις αιτήσεις πρόσβασης στο GSM σύστημα. Οι φορητές συσκευές χρησιμοποιούν την ριπή τυχαίας πρόσβασης για να μεταδώσουν την αίτηση πρόσβασης στο σύστημα ώστε να μειώνεται η πιθανότητα επικάλυψης ριπών με ριπές μετάδοσης σε γειτονικές χρονοθυρίδες. Ριπή Διόρθωσης Συχνότητας (Frequency Correction Burst). H ριπή αυτή έχει μέγεθος 142 bits τα οποία έχουν τιμή 0. Η λήψη και η αποκωδικοποίηση της ριπής αυτής επιτρέπει στην φορητή συσκευή να ρυθμίζει το χρονισμό της ώστε να μπορεί να λαμβάνει και να αποδιαμορφώνει καλυτέρα τα σήματα. Ριπή Συγχρονισμού (Synchronization Burst). H ριπή αυτή εμπεριέχει μια κωδική λέξη των 78 bits με την οποία γίνεται ο προσδιορισμός της ταυτότητας του hyperframe. Αυτή η πληροφορία είναι αναγκαία για τον συγχρονισμό του συστήματος ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΖΟΜΕΝΕΣ ΑΠΟ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ GSM To GSM υποστηρίζει υπηρεσίες φωνής καθώς και υπηρεσίες δεδομένων. Ενδεικτικά, κάποιες από αυτές είναι : Dual - tone multifrequency: Αποτελεί σηματοδοσία διπλού τόνου που χρησιμοποιείται για θέματα ελέγχου μέσω του δικτύου. facsimile group III: Υπηρεσία η οποία δίνει δυνατότητα επικοινωνίας με κάθε αναλογικό fax στο δίκτυο. short message services: H υπηρεσία αυτή δίνει την δυνατότητα αποστολής από φορητή συσκευή και λήψης σε φορητή συσκευή μικρών μηνυμάτων. Στην περίπτωση που η φορητή συσκευή του χρήστη είναι απενεργοποιημένη ή βρίσκεται εκτός δικτύου, υπάρχει δυνατότητα αποθήκευσης και προώθησης του μηνύματος όταν η φορητή συσκευή του συνδρομητή αντίστοιχα ενεργοποιηθεί ή ενταχθεί εντός δικτύου. cell broadcast: H υπηρεσία αφορά την ευρυεκπομπή του μηνύματος της υπηρεσίας short message σε μια κυψέλη. Στη περίπτωση αυτή μπορεί να μεταδοθεί και να ληφθεί ένα μήνυμα μέχρι 93 χαρακτήρες προς όλους και από όλους τους συνδρομητές που βρίσκονται σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Voice mail: Υπηρεσία που δίνει την δυνατότητα αποστολής φωνητικών μηνυμάτων. Οι αντίστοιχες φωνητικές κλήσεις προωθούνται στο φωνητικό ταχυδρομείο στο οποίο ο συνδρομητής ελέγχει τα φωνητικά μηνύματα. Fax mail: H υπηρεσία αφορά την δυνατότητα του συνδρομητή να λαμβάνει fax. Τα μηνύματα αυτά αποθηκεύονται σε ένα κέντρο στο οποίο ο συνδρομητής μπορεί να τα λαμβάνει χρησιμοποιώντας ειδικό κωδικό στον αντίστοιχο αριθμό fax. Call forwarding: η υπηρεσία αυτή δίνει την δυνατότητα στον συνδρομητή να προωθεί τις εισερχόμενες κλήσεις του σε έναν άλλον συνδρομητικό αριθμό όταν η συσκευή του είναι απασχολημένη. Barring of outgoing calls: Υπηρεσία φραγής όλων των εξερχομένων κλήσεων. Barring of ingoing calls: Υπηρεσία φραγής όλων των εισερχομένων κλήσεων. Advice of charge: H υπηρεσία αυτή δίνει την δυνατότητα στον συνδρομητή να εκτιμά την χρέωση των κλήσεων που πραγματοποιεί. Με βάση αυτή την υπηρεσία ο συνδρομητής 27

28 έχει δυνατότητα άμεσης ενημέρωσης που αφορά την χρέωση συγκεκριμένων κλήσεων. Επίσης, δίνεται και η δυνατότητα καταμέτρησης των δεδομένων που έχει χρησιμοποιήσει και οι αντίστοιχες τιμές τους. Call hold: Υπηρεσία που δίνει την δυνατότητα διακοπής και επαναφοράς μίας κλήσης. Η υπηρεσία αυτή ισχύει μόνο στην περίπτωση μετάδοσης φωνής και όχι δεδομένων. Call waiting: Υπηρεσία αναμονής κλήσης. Ο συνδρομητής μπορεί να απαντήσει ή να απορρίψει μια συγκεκριμένη εισερχόμενη κλήση. multiparty service: Η υπηρεσία αυτή, δίνει την δυνατότητα πολυμερής επικοινωνίας σε έναν κινητό συνδρομητή. Η υπηρεσία αυτή ισχύει μόνο στην περίπτωση μετάδοσης φωνής και όχι δεδομένων. calling line identification presentation/restriction: Οι υπηρεσίες αυτές αναφέρονται στον ISDN αριθμό του καλούντος συνδρομητή. Η πρώτη υπηρεσία (presentation) δίνει τη δυνατότητα να εμφανίζεται ο ISDN αριθμός του καλούντος και η δεύτερη υπηρεσία δίνει την δυνατότητα της απόκρυψης του ISDN αριθμού του καλούντος. closed user groups (CUGs): Η υπηρεσία αυτή δίνει την δυνατότητα για επικοινωνία σε μια κλειστή ομάδα συνδρομητών. Ειδικότερα, η επικοινωνία λαμβάνει χώρα μεταξύ συγκεκριμένων συνδρομητών ΔΙΕΠΑΦΕΣ ΚΑΙ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟΣΙΑΣ ΤΟΥ GSM Οι διεπαφές χρησιμοποιούνται για την γεφύρωση της επικοινωνίας μεταξύ των εσωτερικών συστημάτων αλλά και των διακριτών επιπέδων του GSM. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζονται οι διεπαφές του GSM στο σύνολο τους: Σχήμα 1.9.: Διεπαφές του GSM. (Πηγή: jpg) 28

29 ΔΙΕΠΑΦΗ ΑΕΡΟΣ Um H διεπαφή Um υφίσταται μεταξύ της κινητής συσκευής και του Σταθμού Βάσης. Η διεπαφή αυτή υποστηρίζει την μετάδοση φωνής και δεδομένων κατά την επικοινωνία του Κινητού Σταθμού και του Σταθμού Βάσης. Επιπλέον, σύμφωνα με το πρωτόκολλο LAPDm εξυπηρετεί τη σηματοδοσία, τον έλεγχο των κλήσεων, τον έλεγχο της εκπομπής ισχύος καθώς και την διακρίβωση και την ασφάλεια πρόσβασης. Η διεπαφή Um, υποστηρίζει και μεταπήδηση συχνότητας (frequency hopping). Σχήμα 1.10.: Διεπαφή Um Στο σχήμα απεικονίζονται και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας μεταξύ του Κινητού Σταθμού (MS) και του Σταθμού Βάσης (BTS). Διακρίνονται τα εξής: LAPDm: Το πρωτόκολλο LAPDm είναι μια τροποποιημένη έκδοση του πρωτοκόλλου LAPD (Link Access Protocol for the ISDN D-channel) και αφορά τη διασφάλιση του ισχυρού συγχρονισμού που απαιτείται για την τεχνική TDMA και για την προστασία του μηχανισμού ελέγχου των σφαλμάτων από την διεπαφή Um. Radio Resource Management Layer (RR): To στρώμα αυτό διασφαλίζει την συνεχή και χωρίς διακοπές επικοινωνία μεταξύ του Ψηφιακού Κέντρου Μεταγωγής και της φορητής συσκευής στην οποία μεταφέρονται τα δεδομένα του συνδρομητή και η απαραίτητη σηματοδοσία. Επιπλέον, το συγκεκριμένο στρώμα διαχειρίζεται τις μεταπομπές του συστήματος. Mobility Management Layer (MM): Το στρώμα αυτό είναι υπεύθυνο για την διασφάλιση των δεδομένων θέσης και για τις διαδικασίες κρυπτογράφησης. 29

30 Communication Management Layer (CM): Το στρώμα αυτό είναι υπεύθυνο για την αποκατάσταση των κλήσεων οι οποίες ενεργοποιούνται μετά από απαίτηση των χρηστών. Οι βασικές του λειτουργίες είναι ο έλεγχος της κλήσης για τις υπηρεσίες φωνής, ο έλεγχος και η διαχείριση συμπληρωματικών υπηρεσιών και οι υπηρεσίες βραχέων μηνυμάτων. RR : Είναι το στρώμα το οποίο είναι υπεύθυνο για την λειτουργικότητα του στρώματος RR του οποίου η διαχείριση ελέγχεται από το Σταθμό Βάσης ΔΙΕΠΑΦΗ Abis H διεπαφή αυτή υφίσταται μεταξύ του Σταθμού Βάσης BTS και του Ελεγκτήρα του Σταθμού Βάσης BSC. Χρησιμοποιεί για μετάδοση της πληροφορίας τα κανάλια κίνησης (traffic channels). Επιπλέον, υποστηρίζει την επίβλεψη του Σταθμού Βάσης και τη σηματοδοσία μέσω του πρωτοκόλλου LAPD. Εκτός από αυτά, η διεπαφή είναι υπεύθυνη για το συγχρονισμό ανάμεσα στο Σταθμό Βάσης και τη φορητή συσκευή. Σχήμα 1.11.: Διεπαφή Abis Στο σχήμα απεικονίζονται και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας μεταξύ του Ελεγκτήρα του Σταθμού Βάσης (BSC) και του Σταθμού Βάσης (BTS). Διακρίνονται τα εξής: Διαχείριση Σταθμού Εκπομπής και Λήψης (Base Transceiver Station Management BTSM): To στρώμα αυτό είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά πληροφορίας που προέρχεται από το στρώμα RR και οδηγείται στον BSC. Πρωτόκολλο Ζεύξης Πρόσβασης για το ISDN D Κανάλι (Link Access Protocol for the ISDN D Channel LAPD): Είναι το ISDN πρωτόκολλο το οποίο είναι υπεύθυνο για την μετάδοση πληροφορίας χωρίς λάθη μεταξύ του Ελεγκτήρα του Σταθμού Βάσης και του Σταθμού Βάσης. 30

31 ΔΙΕΠΑΦΗ Α Η διεπαφή Α βρίσκεται ανάμεσα στον Ελεγκτήρα του Σταθμού Βάσης BSC και στο Ψηφιακό Κέντρο MSC. Χρησιμοποιείται για την μεταφορά πληροφορίας στα κανάλια κίνησης. Σχήμα 1.12.: Διεπαφή A Στο σχήμα απεικονίζονται και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας μεταξύ του Ελεγκτήρα του Σταθμού Βάσης (BSC) και του Ψηφιακού Κέντρου Μεταγωγής (MSC). Διακρίνονται τα εξής: Τμήμα Μετάδοσης Μηνύματος (Message Transport Part MTP): Χρησιμοποιείται κατά τη σηματοδοσία με το σύστημα SS7. Τμήμα Ελέγχου Σύνδεσης Σηματοδοσίας (Signaling Connection Control Part SCCP: Χρησιμοποιείται κατά τη σηματοδοσία με το σύστημα SS7. Τμήμα Διαχείρισης Εφαρμογής BSS (BSS Management Application Part BSSMAP): To πρωτόκολλο αυτό υποστηρίζει τις διαδικασίες οι οποίες λαμβάνουν χώρα μεταξύ του Ψηφιακού Κέντρου και του υποσυστήματος του Σταθμού Βάσης. Οι λειτουργίες αυτές σχετίζονται με την επεξεργασία της πληροφορίας και τη διαχείριση των πόρων του συστήματος. Ένα υποσύνολο των λειτουργιών του BSSMAP ενεργοποιούνται μέσω μηνυμάτων που προέρχονται από το στρώμα RR. Τα μηνύματα (ΜΜ και CM μηνύματα) που ανταλλάσσονται μεταξύ του Ψηφιακού Κέντρου Μεταγωγής και της φορητής συσκευής διαφαίνονται στον Ελεγκτήρα στου Σταθμού Βάσης και ελέγχονται από το Direct Transfer Application Part (DTAP). Εκτός από τις κύριες διεπαφές υπάρχουν και οι δευτερεύουσες οι οποίες είναι οι εξής : Η Διεπαφή B η οποία βρίσκεται ανάμεσα στο Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής και τη Βάση Δεδομένων Επισκεπτών VLR. 31

32 Η Διεπαφή C η οποία χρησιμοποιείται για την διασύνδεση της Οικείας Βάσης Δεδομένων HLR με το Ψηφιακό Κέντρο Πύλη (GMSC) ή με το Κέντρο Πύλη των Βραχέων Μηνυμάτων (SMS-G). Η Διεπαφή D η οποία συνδέει την Οικείας Βάσης Δεδομένων HLR με την Βάση Δεδομένων Επισκεπτών VLR. Η Διεπαφή E η οποία διασυνδέει δυο Ψηφιακά Κέντρα Μεταγωγής και μέσω αυτής ανταλλάσσονται πληροφορίες οι οποίες σχετίζονται με την μεταπομπή των συνδρομητών. Η Διεπαφή F η οποία διασυνδέει το Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής με τη βάση δεδομένων EIR. Η Διεπαφή G η οποία διασυνδέει δύο Βάσεις δεδομένων VLR οι οποίες ανήκουν σε διαφορετικά Ψηφιακά Κέντρα Μεταγωγής. Η Διεπαφή H η οποία διασυνδέει το Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής με το Κέντρο Πύλη των Βραχέων Μηνυμάτων (SMS-G). Η Διεπαφή I η οποία υφίσταται μεταξύ του Ψηφιακού Κέντρου Μεταγωγής και της φορητής συσκευής. Τα μηνύματα της συγκεκριμένης διεπαφής μεταδίδονται μέσω του Συστήματος του Σταθμού Βάσης (BSS) με διαφανή τρόπο. Συνολικά, τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας του GSM απεικονίζονται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 1.13.: Σηματοδοσία του GSM. (Πηγή: Um ΛΟΓΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ Τα κανάλια αυτά διακρίνονται σε τρεις κατηγόριες: 32

33 1) Τα Κανάλια Κίνησης (traffic channels) είναι κανάλια τα οποία χρησιμοποιούνται για επικοινωνίες σημείου - προς - σημείο (point to point) και αντιστοιχούν στα ISDN B κανάλια. Τα Κανάλια Κίνησης χρησιμοποιούν διαγώνιο διαμπλοκέα (burst diagonal interleaving) των 8 ριπών ώστε να θωρακίζονται από διαλείψεις. H κωδικοποίηση του καναλιού κίνησης εξαρτάται από τον τύπο vocoder που χρησιμοποιείται. Όλα τα κανάλια κίνησης χρησιμοποιούν TDMA με 26 πολυπλαίσια. Τα κανάλια αυτά διακρίνονται στις δυο παρακάτω κατηγορίες: Κανάλια Κίνησης Πλήρους Ρυθμού (Full-rate Traffic Channels TCH/F) τα οποία χρησιμοποιούν τα 24 από τα 26 πολυπλαίσια. Τα κανάλια αυτά συμμετέχουν στην μετάδοση των δεδομένων (fax, δεδομένα μεταγωγής) Κανάλια Κίνησης Ημίσεος Ρυθμού (Half-rate Traffic Channels TCH/H) τα οποία χρησιμοποιούν τα 12 από τα 26 πολυπλαίσια. 2) Τα Αφιερωμένα Κανάλια Ελέγχου (dedicated control channels) τα οποία χρησιμοποιούνται για επικοινωνίες σημείου - προς - σημείο (point to point) και αντιστοιχούν στα ISDN D κανάλια. Αναλυτικότερα, τα επιμέρους κανάλια αυτής της κατηγορίας είναι τα εξής: To Standalone Dedicated Control Channel - SDCCH. Το κανάλι αυτό χρησιμοποιείται για τις πλέον μικρές διενέργειες που απαιτούνται στο δίκτυο όπως είναι το αρχικό βήμα της αποκατάστασης μιας κλήσης, η εγγραφή στου συνδρομητή στο δίκτυο και η μεταφορά SMS. To Fast Associated Control Channel FACCH. Το κανάλι αυτό χρησιμοποιείται για την σηματοδοσία των κλήσεων συμπεριλαμβάνοντας την αποδέσμευση των κλήσεων (call disconnect) και υποστηρίζει τις διάφορες μεταπομπές. Το Slow Associated Control Channel SACCH. Το κανάλι αυτό χρησιμοποιείται για την μεταφορά των πληροφοριακών μηνυμάτων του συστήματος στην κάτω ζεύξη και για τη μεταφορά αναφορών με μετρήσεις από τους δέκτες στην άνω ζεύξη. Επιπλέον, το κανάλι αυτό είναι υπεύθυνο για την παράδοση των SMS κατά τη διάρκεια μιας κλήσης. 3) Τα Μη Αφιερωμένα Κανάλια Ελέγχου (non-dedicated control channels).τα κανάλια αυτά χρησιμοποιούνται για θέματα που σχετίζονται με την διαχείριση των ραδιοπόρων του συστήματος. Αναλυτικότερα, τα επιμέρους κανάλια αυτής της κατηγορίας είναι τα εξής: Το Broadcast Control Channel - BCCH. Το κανάλι αυτό μεταφέρει μηνύματα τα οποία αφορούν τα χαρακτηριστικά του Σταθμού Βάσης, διάφορες μετρήσεις, τη μεταφορά της ταυτότητας LAI και άλλα. Το Synchronization Channel SCH. Το κανάλι συγχρονισμού μεταφέρει τον κώδικα της ταυτότητας του Σταθμού Βάσης. Το Frequency Correction Channel - FCCH. Το κανάλι αυτό είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία τόνου στους ραδιοδιαύλους. To Common Control Channel - CCCH είναι ένα broadcast κανάλια της downlink ζεύξης το οποίο μεταφέρει πληροφορία για αίτησης αναζήτησης (paging) και μηνύματα σχετικά με την εκχώρηση των συχνοτήτων. Το κανάλι τυχαίας πρόσβασης Random Access Channel RACH το οποίο είναι ένα κοινής χρήσης κανάλι (shared channel) της υplink ζεύξης, όπου οι φορητές συσκευές μεταδίδουν ριπές τυχαίας πρόσβασης σε αιτήματα εκχώρησης καναλιών από το Σταθμό Βάσης. 33

34 ΜΕΤΑΠΟΜΠΕΣ Στο GSM όταν ο Κινητός Σταθμός κατά τη διάρκεια μιας κλήσης μετακινείται από μία κυψέλη σε μια άλλη, πρέπει η κλήση να ανατεθεί στο καινούργιο κανάλι. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται μεταπομπή και πρέπει να γίνεται γρήγορα χωρίς να γίνεται αντιληπτή από το συνδρομητή. Ειδικότερα, όταν ο Κινητός Σταθμός πλησιάζει τα όρια μίας κυψέλης και η ισχύς του σήματος γίνει μικρότερη από μία προκαθορισμένη τιμή, το σύστημα αναθέτει την εξυπηρέτηση του κινητού σε έναν νέο Σταθμό Βάσης. Πριν την ανάθεση της σύνδεσης στο νέο Σταθμό Βάσης πρέπει να περάσει ένα μικρό χρονικό διάστημα κατά τη διάρκεια του οποίου δεν μπορεί να μεταδοθούν δεδομένα αλλά ούτε και φωνή. Αυτός ο τύπος μεταπομπής ο οποίος είναι και ο συνηθέστερος στο GSM ονομάζεται hard handover. Εκτός από τη μεταφορά της κλήσης στο νέο Σταθμός Βάσης μεταφέρονται και τα κανάλια ελέγχου. Άλλες αιτίες μεταπομπών μπορεί να είναι οι διαλείψεις στο σήμα, ο κορεσμός της χωρητικότητας της εκάστοτε κυψέλης και οι παρεμβολές που μπορεί να υφίστανται στα κανάλια του συστήματος. Η διαχείριση των μεταπομπών γίνεται συνήθως με βάση την ισχύ του λαμβανόμενου σήματος. Έστω P min η ελάχιστη ισχύς που απαιτείται για την ορθή λήψη του σήματος και P handover η ισχύς στην οποία γίνεται η μεταπομπή. Αν η ισχύ του λαμβανόμενου σήματος πέσει κάτω από το κατώφλι (threshold) P handover της ισχύος τότε αναζητείται νέος Σταθμός Βάσης για την ανάθεση της κλήσης. Για την ορθή λειτουργία του συστήματος απαιτείται P handover > P min διαφορετικά η κλήση τερματίζεται πριν γίνει η επιτυχής μεταπομπή. Στα συστήματα στα οποία η διαφορά P handover - P min είναι μεγάλη, υπάρχουν πολλές μεταπομπές. Αντίθετα, όταν η διαφορά είναι μικρή, μπορεί να υπάρξει διακοπή της κλήσης πριν γίνει η μεταπομπή. Βασικές κατηγορίες μεταπομπών είναι οι έξης : Ενδο-κυψελωτή Μεταπομπή (intra-cell handover) στην οποία η διασύνδεση μεταφέρεται σε μία άλλη συχνότητα του ίδιου BTS. Εγκλεισμένη εσω-κεψελωτή μεταπομπή (intern inter-cell handover) στην οποία η διασύνδεση μεταφέρεται σε άλλον BTS υπό τον έλεγχο του ιδίου BSC. Εγκλεισμένη μεταπομπή σε επίπεδο MSC (MSC intern handover) στην οποία η διασύνδεση μεταφέρεται μεταξύ BTSs τα οποία ανήκουν σε δύο διαφορετικούς BSCs υπό τον έλεγχο του ιδίου MSC. Εξωτερική μεταπομπή σε επίπεδο MSC (MSC extern handover) στην οποία διασύνδεση μεταφέρεται σε ένα BTS το οποίο ευρίσκεται υπό τον έλεγχο διαφορετικού MSC ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκε και αναλύθηκε η αρχιτεκτονική και η ιεραρχική δομή του GSM. Εξετάστηκαν τα τρία επιμέρους επίπεδα καθώς και τα συστήματα και υποσυστήματα από τα οποία αποτελούνται. Ειδικότερα, αναλύθηκαν οι λειτουργίες των επιμέρους συστημάτων του κάθε επιπέδου. Δόθηκαν επιπλέον οι μεταξύ τους διασυνδέσεις, οι διεπαφές των συστημάτων καθώς και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας βάση των οποίων διασφαλίζεται η επικοινωνία. Επίσης αναλύθηκαν οι προδιαγραφές του GSM, όπως οι συχνότητες λειτουργίας και οι τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης που χρησιμοποιούνται στο σύστημα και οι μεταπομπές. Τέλος, αναλύθηκαν οι υπηρεσίες που υποστηρίζει το GSM. Έτσι σε αυτό το κεφάλαιο δόθηκε η πλήρης δομή και η αρχιτεκτονική του δικτύου GSM. 34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΗΜΑΝΤΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΔΙΑΔΟΣΗ 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται και αναλύονται οι βασικές αρχές της ασύρματης διάδοσης η οποία διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό των ασύρματων δικτύων και συστημάτων που είναι και αντικείμενο αυτής της εργασίας εξαιτίας των περιορισμών που προσάπτει σε αυτό τον τομέα. Ειδικότερα, τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στο περιβάλλον καθώς και η απόσταση που διανύει το σήμα καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την ισχύ με την οποία το σήμα φτάνει στο δέκτη. Τις περισσότερες φορές και κυρίως στις αστικές περιοχές υπάρχουν πολλά εμπόδια εξαιτίας των οποίων περιορίζεται η οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη. Στο κεφάλαιο αναλύονται οι παράμετροι που αφορούν τη διάδοση με ζεύξη οπτικής επαφής ή όχι, τις απώλειες ελεύθερου χώρου αλλά και τα φαινόμενά της σκέδασης, της ανάκλασης, των διαλείψεων και των άλλων ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά την εκπομπή ενός σήματος στο χώρο ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΔΙΑΔΟΣΗ Κατά τη μετάδοση ενός σήματος από έναν πομπό σε κάποιο δέκτη λαμβάνουν χώρα κάποια φαινόμενα τα οποία οφείλονται στο γύρω περιβάλλον. Η ασύρματη διάδοση μπορεί να επηρεάζεται από εμπόδια που υπάρχουν ανάμεσα σε πομπό και δέκτη που εμποδίζουν την οπτική τους επαφή (line of sight LOS). Ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο παίζουν τα φαινόμενα αυτά σε αστικές και ημιαστικές επαφές στις οποίες είναι εγκατεστημένα τα κινητά δίκτυα και τις περισσότερες φορές δεν υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ του κεραιοσυστήματος του Σταθμού Βάσης και της φορητής συσκευής. Στα παρακάτω επιμέρους κεφάλαια αναλύονται τα φαινόμενα αυτά ΖΩΝΕΣ FRESNEL Οι ζώνες Fresnel είναι οι ελλειψοειδής ζώνες που σχηματίζονται στο χώρο ανάμεσα στην κεραία του συστήματος του πομπού και στην κεραία του συστήματος του δέκτη. Ειδικότερα, η κάθετη τομή των ζωνών με το αντίστοιχο επίπεδο δημιουργεί ένα σύνολο ομόκεντρων κύκλων που αντιστοιχούν στις ζώνες Fresnel. H ακτίνες των ζωνών εξαρτώνται από τα διαγράμματα ακτινοβολίας των κεραιών που βρίσκονται στα συστήματα των πομποδεκτών του δικτύου. Θεωρητικά υπάρχουν άπειρες ζώνες Fresnel με τον πρώτο εσωτερικό κύκλο να αντιστοιχεί στην 1 η ζώνη Fresnel. Η παρεμβολή εμποδίων ανάμεσα στις ζώνες Fresnel προκαλεί την μείωση της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη ακόμα και όταν υπάρχει ζεύξη οπτικής επαφής ανάμεσα σε πομπό και δέκτη. Η μείωση της στάθμης του σήματος εξαρτάται από τη σύγκριση του μήκους κύματος της διαδιδόμενης ακτινοβολίας σε σχέση με τις γεωμετρικές διαστάσεις των εμποδίων. Εμπόδιο σε μεγάλες αποστάσεις μπορεί να θεωρηθεί και η ίδια η επιφάνεια της γης. Σε περιπτώσεις όπου τα ύψη των κεραιοσυστημάτων είναι πολύ μικρότερα από την απόσταση της ζεύξης τότε τα μεγάλα οχήματα αποτελούν και αυτά εμπόδια και συνεισφέρουν στις συνολικές απώλειες. Επίσης και στην περίπτωση που τα κεραιοσυστήματα τοποθετούνται σε ψηλά κτήρια 35

36 ακόμα και για μεγάλες αποστάσεις ζεύξεων, τα ενδιάμεσα κτήρια αποτελούν και αυτά εμπόδια που επηρεάζουν την ασύρματη διάδοση του σήματος. Μεγαλύτερη εξασθένιση εμφανίζεται όταν τα εμπόδια εισέρχονται στις εσωτερικές ζώνες και ιδιαίτερα στην 1 η ζώνη Fresnel. Για αυτό το λόγο κατά την σχεδίαση του ασύρματου δικτύου και ως μέρος του ισολογισμού των ισχύων της ζεύξης πρέπει να εξασφαλίζεται η καθαρότητα της 1 ης ζώνης Fresnel ώστε να διασφαλίζεται η ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών. Αποδεικνύεται ότι η ακτίνα της ν-οστής ζώνης Fresnel δίνεται από την σχέση: h n = nλd 1d 2 d 1 +d 2 (2.1) όπου, h n : H ακτίνα της ν-οστής ζώνης Fresnel σε μέτρα m. n: O αύξων αριθμός της ζώνης (από 1 έως άπειρο). λ: To μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε μέτρα m. Σχήμα 2.1.: Ζώνες Fresnel. (Πηγή: 36

37 ΣΚΕΔΑΣΗ Το φαινόμενο της σκέδασης (scattering) λαμβάνει χώρα όταν το ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει σε μια μη λεία επιφάνεια με αποτέλεσμα οι επιβατικές ακτίνες του κύματος να διασκορπίζονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Ακόμα, η σκέδαση λαμβάνει χώρα όταν το κύμα προσπίπτει σε αντικείμενο του οποίου οι φυσικές διαστάσεις είναι της ίδιας ή μικρότερης τάξης από το μήκος κύματος του. Στην μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού η σκέδαση αποτελεί σημαντικό φαινόμενο, διότι οι επιβατικές ακτίνες που οδεύουν προς το κεραιοσύστημα του κινητού εξοπλισμού θα πρέπει να ληφθούν υπόψιν στον υπολογισμό της τελικής ισχύς του λαμβανόμενου σήματος ΑΝΑΚΛΑΣΗ Το φαινόμενο της ανάκλασης (reflection) λαμβάνει χώρα όταν το ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει σε μια επιφάνεια την οποίας οι διαστάσεις είναι πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες από το μήκος κύματος αυτού. Άρα όταν ένα σήμα εκπέμπεται από το κεραιοσύστημα του BΤS στο κεραιοσύστημα της κινητής συσκευής, το κύμα μπορεί να υποστεί ανακλάσεις εξαιτίας των εμποδίων που υπάρχουν ανάμεσα στα δύο κεραιοσυστήματα. Οι ανακλώμενες επιβατικές ακτίνες συμβάλουν στο φαινόμενο των διαλείψεων εξαιτίας της καθυστέρησης της διάδοσης και των διαφορετικών φάσεων που εμφανίζουν ΔΙΑΘΛΑΣΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Η διάθλαση (refraction) λαμβάνει χώρα όταν το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διέρχεται από ένα μέσο με ένα συγκεκριμένο δείκτη διάθλασης σε ένα άλλο μέσο με διαφορετικό δείκτη διάθλασης. Η περίθλαση (diffraction) συμβαίνει όταν το κύμα διέρχεται στην περιοχή που δημιουργεί σκιά κάποιο αντικείμενο. Οι απώλειες που οφείλονται στην περίθλαση εξαρτώνται από τη συχνότητα λειτουργίας της ασύρματης ζεύξης ΠΟΛΥΟΔΕΥΣΗ H πολυόδευση (multipath) περιγράφει το σύνολο των διαφορετικών δρόμων που ακολουθούν οι επιβατικές ακτίνες ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος κατά τη διαδρομή από το κεραιοσύστημα εκπομπής στο κεραιοσύστημα λήψης. Οι διαφορετικοί αυτοί δρόμοι διάδοσης περιλαμβάνουν τα κύματα που προκύπτουν από τις ανακλάσεις, τις περιθλάσεις, τις σκεδάσεις και τις διαθλάσεις. Εξαιτίας της πολυόδευσης το συνιστάμενο κύμα μπορεί να φθάσει στο δέκτη ενισχυμένο (αν τα κύματα είναι σε φάση), εξασθενημένο (αν τα κύματα είναι εκτός φάσης), ακόμα και μηδενικό (αν το άθροισμα των φάσεων των κυμάτων είναι μηδενικό). Ο μηχανισμός της πολυόδευσης μπορεί να δημιουργήσει τα εξής προβλήματα που λαμβάνονται υπόψιν στο σχεδιασμό του δικτύου: H άφιξη στον δέκτη πολλαπλών αντιγράφων του σήματος με διαφορετικές φάσεις. Εμφάνιση επιπλέον θορύβου που δυσχεραίνει την επικοινωνία. Δημιουργία Διασυμβολικής Παρεμβολής (Inter-Symbol Interference- ISI). 37

38 Την συμβολή επίπεδων κυμάτων με διαφορετική φάση τα οποία δημιουργούν διακυμάνσεις του πλάτους του λαμβανομένου σήματος. Την μεταβαλλόμενη μετατόπιση συχνότητας λόγω κίνησης (Doppler shift) των συνιστωσών της πολυόδευσης η οποία δημιουργεί τυχαίες διακυμάνσεις της συχνότητας. Την μεταβαλλόμενη καθυστέρηση διάδοσης που προκαλεί χρονική διασπορά του σήματος (Time Dispersion) ΑΠΩΛΕΙΑ ΟΔΕΥΣΕΩΣ Απώλεια οδεύσεως (Path Loss) ονομάζεται η μέση εξασθένιση της ισχύος του σήματος που οφείλεται στην απόσταση ανάμεσα στο Σταθμό Βάσης και στον Κινητό Σταθμό για μια δεδομένη συχνότητα μετάδοσης. Επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος διάδοσης του σήματος όπως είναι το γεωγραφικό ανάγλυφο, η πυκνότητα δόμησης, τα ύψη των κεραιών μετάδοσης και λείψεις ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ Διαλείψεις ονομάζονται γενικά οι αλλαγές στο σήμα που δημιουργούν τα διαφορά φαινόμενα κατά τη μετάδοση του από τον πομπό στο δέκτη. Οι διακυμάνσεις της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος μπορεί να προέρχεται από το μηχανισμό της πολυόδευσης των επιβατικών ακτινών του ηλεκτρομαγνητικού κύματος ή από διάφορα εμπόδια μεταξύ πομπού και δέκτη. Οι διαλείψεις διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες : Διαλείψεις μικρής κλίμακας (Small-Scale) Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας (Large-Scale) Στο παρακάτω διάγραμμα απεικονίζονται τα δύο είδη διαλείψεων σε συνάρτηση με την απόσταση: Σχήμα 2.2.: Small & Large-Scale Fading (Πηγή: 38

39 Για τις διαλείψεις είναι αναγκαίος ο προσδιορισμός του διαστήματος τιμών μέσα στο οποίο βρίσκεται η στιγμιαία ισχύς. Το διάστημα αυτό μπορεί να ορισθεί μέσω της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας (Probability Density Function - PDF) που περιγράφει την κατανομή της ισχύος γύρω από μια μέση τιμή. Σύμφωνα με το Κεντρικό Οριακό Θεώρημα, το άθροισμα και επομένως η μέση τιμή της στιγμιαία ισχύς, μεγάλου αριθμού ανεξάρτητων παρατηρήσεων, ακολουθεί κατά προσέγγιση κανονική Gaussian κατανομή, ανεξαρτήτως από το ποια κατανομή ακολουθούν οι παρατηρήσεις. Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF) της κανονικής Gaussian είναι : 1 PDFGaussian(x)= e (x μ)2 2σ 2 (2.2) 2π οπού x η μεταβολή της ισχύς σε db, σ η τυπική απόκλιση και μ η μέση τιμή. Η αναπαράσταση της PDF της κατανομής Gauss δίνεται στο σχήμα: Σχήμα 2.3.: PDF κατανομής Gauss Η αθροιστική συνάρτηση κατανομής (CDF) της κανονικής Gaussian δίνεται από τη σχέση : CDFGaussian(x)= erf (x μ σ 2 ) (2.3) οπού x η μεταβολή της ισχύς σε db, σ η τυπική απόκλιση, μ η μέση τιμή και erf η συνάρτηση σφάλματος (error function). 39

40 Η αναπαράσταση της CDF της κατανομής Gauss δίνεται στο σχήμα: Σχήμα 2.4.: CDF κατανομής Gauss. (Πηγή: ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ ΜΕΓΑΛΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας ή σκίαση (Shadowing) οφείλονται στα μεγάλα εμπόδια μεταξύ πομπού και δέκτη όπως βουνά, κτήρια, δάση και στο γεωγραφικό ανάγλυφο. Οι διαλείψεις εξαρτώνται από την απόσταση πομπού και δέκτη. Η πιθανότητα μιας διάλειψης συγκεκριμένης βύθισης αυξάνεται σύμφωνα με το νόμο της απόστασης υψωμένης στο κύβο. Οι διαλείψεις αυτές δηλαδή αντιπροσωπεύουν τη μέση εξασθένιση της ισχύς του σήματος λόγω των απωλειών της διαδρομής του σήματος μεταξύ πομπού και δέκτη. Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας μοντελοποιήθηκαν με μια log-normal κατανομή. Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF) της κανονικής log-normal είναι : 1 PDFlognormal(x)= e (lnx μ)2 2σ 2 (2.4) xσ 2π οπού x η μεταβολή της ισχύς σε db, σ η τυπική απόκλιση και μ η μέση τιμή. Η αθροιστική συνάρτηση κατανομής (CDF) της log-normal δίνεται από τη σχέση : CDFlognormal(x)= erf (lnx μ σ 2 ) (2.5) οπού x η μεταβολή της ισχύς σε db, σ η τυπική απόκλιση, μ η μέση τιμή και erf η συνάρτηση σφάλματος (error function). 40

41 Η αναπαράσταση της PDF κατανομής log-normal δίνεται στο σχήμα: Σχήμα 2.5.: PDF κατανομής log-normal. (Πηγή: Η αναπαράσταση της CDF της log-normal δίνεται στο σχήμα: Σχήμα 2.6.: CDF κατανομής log-normal. (Πηγή: 41

42 ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ ΜΙΚΡΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας δημιουργούνται εξαιτίας της υπέρθεσης ή της αλληλοακύρωσης των σημάτων που οφείλονται στο φαινόμενο της πολυόδευση, τις ταχύτητες πομπού - δεκτή και από το μέγεθος του εύρους φάσματος του εκπεμπόμενου σήματος. Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας διακρίνονται σε τέσσερις κατηγορίες ως εξής: Ταχείες Διαλείψεις (Fast Fading) Αργές Διαλείψεις (Slow Fading) Επίπεδες Διαλείψεις (Flat Fading) Επιλεκτικές Διαλείψεις (Selective Fading) ΓΡΗΓΟΡΕΣ ΚΑΙ ΑΡΓΕΣ ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ Για την ανάλυση των παραπάνω κατηγοριών διαλείψεων μικρής κλίμακας απαιτείται η ανάλυση της μετατόπισης Doppler και της διασποράς καθυστέρησης (delay spread). Μετατόπιση Doppler (f d ): Η μετατόπιση Doppler είναι η συχνότητα του λαμβανόμενου σήματος που οφείλεται στην σχετική κίνηση μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Η συχνότητα αυτή αυξάνεται όταν ο Κινητός Σταθμός πλησιάζει το Σταθμό Βάσης και μειώνεται όταν ο Κινητός Σταθμός απομακρύνεται από το Σταθμό Βάσης. H f d εξαρτάται από την σχετική ταχύτητας του κινητού και της γωνίας μεταξύ της κατεύθυνσης της κίνησης και της κατεύθυνσης άφιξης των περιθλασμένων κυμάτων. H μετατόπιση Doppler έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του εύρους φάσματος του σήματος. Διασπορά Doppler (f m ): Είναι η μέγιστη τιμή της μετατόπισης Doppler. Διασπορά Καθυστέρησης σ τ (delay spread) : Είναι η rms τιμή της χρονικής καθυστέρησης των σημάτων που προέρχονται από το φαινόμενο της πολυόδευσης. Έτσι, θεωρώντας το απλό μοντέλο ενός καναλιού, όπου το σήμα x(t) μεταδίδεται την χρονική στιγμή t 1, τότε η σχέση του λαμβανόμενου σήματος είναι η εξής : y t1 (t) = x(t t 1 ) h t1 (t) (2.6) Όπου h t1 (t) η κρουστική απόκριση του καναλιού τη χρονική στιγμή t 1. Επίσης, ένα σήμα μεταδιδόμενο τη χρονική στιγμή t 2, τότε η σχέση του λαμβανόμενου σήματος είναι η εξής : y t2 (t) = x(t t 2 ) h t2 (t) (2.7) Όπου h t2 (t) η κρουστική απόκριση του καναλιού τη χρονική στιγμή t 2. Εάν η διαφορά h t1 (t) h t2 (t) είναι σχετικά πολύ μικρή, τότε μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το κανάλι υπό διερεύνηση είναι σταθερό για το χρονικό διάστημα από t 1 έως t 2. Ο σύμφωνος χρόνος του καναλιού (coherence time) δίνεται από την σχέση: Τ ΣΧ = t 2 t 1 (2.8) 42

43 Λαμβάνοντας υπόψιν τη διολίσθηση της συχνότητας Doppler o σύμφωνος χρόνος του καναλιού είναι ίσος περίπου με: Τ ΣΧ = f m (2.9) όπου f m η διασπορά Doppler. Άρα για το fast και για το slow fading ισχύει ότι: Ταχείες Διαλείψεις (fast fading): Oι διαλείψεις αυτές λαμβάνουν χώρα όταν ο σύμφωνος χρόνος του καναλιού είναι μικρός συγκρινόμενος με τη χρονική καθυστέρηση που επιβάλει το κανάλι. Επιπλέον, οι διαλείψεις αυτές προκαλούν ταχύτατες διακυμάνσεις της φάσης και του πλάτους ενός σήματος, στην περίπτωση που υπάρχει κίνηση του πομπού ή του δέκτη ή και των δύο. Στην περίπτωση αυτή οι διακυμάνσεις συμβαίνουν σε αποστάσεις λίγων μηκών κύματος. Αργές Διαλείψεις (slow fading): Oι διαλείψεις αυτές λαμβάνουν χώρα όταν σύμφωνος χρόνος του καναλιού είναι μεγαλύτερος από τη χρονική καθυστέρηση που επιβάλει το κανάλι. Το φαινόμενο των αργών διαλείψεων οφείλεται στην γεωμετρία του ραδιοδρόμου ΕΠΙΠΕΔΕΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΕΚΤΙΚΕΣ ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ Για την ανάλυση των παραπάνω κατηγοριών διαλείψεων μικρής κλίμακας απαιτείται ορισμός του σύμφωνου εύρους ζώνης. Σύμφωνο Εύρος Ζώνης B ΣΕΖ : Β ΣΕΖ = 1 Τ DS (Hz) (2.10) όπου T DS ο χρόνος διασποράς ή χρόνος πολυόδευσης (delay spread). Άρα για το flat και για το selective fading ισχύει ότι: Επίπεδες Διαλείψεις (flat fading): Oι διαλείψεις αυτές λαμβάνουν χώρα όταν το σύμφωνο εύρος ζώνης B ΣΕΖ ενός καναλιού είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης του διαδιδόμενου σήματος και η διασπορά καθυστέρησης είναι μικρότερη από τη χρονική καθυστέρηση που επιβάλει το κανάλι. Το σύμφωνο εύρος ζώνης αφορά το εύρος των συχνοτήτων που το κανάλι μπορεί να θεωρηθεί επίπεδο, δηλαδή παρουσιάζει συγκριτικές ή συσχετισμένες διαλείψεις πλάτους. Εντός του σύμφωνου εύρους ζώνης δημιουργούνται συσχετισμένες διαλείψεις. Επιλεκτικές Διαλείψεις (selective fading): Oι διαλείψεις αυτές λαμβάνουν χώρα όταν το σύμφωνο εύρος ζώνης B ΣΕΖ ενός καναλιού είναι μικρότερο από το εύρος ζώνης του διαδιδόμενου σήματος και η διασπορά καθυστέρησης είναι μεγαλύτερη από τη χρονική καθυστέρηση που επιβάλει το κανάλι. Σε αυτή την περίπτωση και όταν το κανάλι διασφαλίζει συνθήκες σταθερής απολαβής και γραμμικής απόκρισης σε ένα εύρος ζώνης το οποίο είναι μικρότερο από το εύρος ζώνης του διαδιδόμενου σήματος, το κανάλι δημιουργεί επιλεκτικές διαλείψεις στην συχνότητα. Η κρουστική απόκριση του καναλιού εμφανίζει ένα άπλωμα καθυστέρησης εξαιτίας των συνιστωσών της πολυόδευσης. Έτσι, το λαμβανόμενο σήμα αποτελείται από ένα άθροισμα αντιγράφων της κυματομορφής, τα οποία υφίστανται διάλειψη και χρονική καθυστέρηση. Οι διαλείψεις αυτές οφείλονται 43

44 κυρίως στην χρονική διασπορά των μεταδιδόμενων συμβόλων μέσα στο κανάλι. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργείται διασυμβολική παρεμβολή και να μειώνεται η ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΛΕΙΨΕΩΝ ΜΙΚΡΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ Υπάρχουν δύο κύρια μοντέλα τα οποία περιγράφουν τις διαλείψεις μικρής κλίμακας το μοντέλο Rayleigh και το μοντέλο Rice. Κριτήριο διαφοροποίησης των δύο είναι η ύπαρξη συνιστώσας οπτικής επαφής ή όχι ανάμεσα σε πομπό και δέκτη. Στο μοντέλο κατά Rayleigh δεν υπάρχει συνιστώσα οπτικής επαφής (Line Of Sight LOS) σε αντίθεση με το μοντέλο Rice στο οποίο υπάρχει οπτική επαφή ΜΟΝΤΕΛΟ ΔΙΑΛΕΙΨΕΩΝ RAYLEIGH Η κατανομή Rayleigh χρησιμοποιείται όταν στην μοντελοποίηση του καναλιού δεν υπάρχει συνιστώσα οπτικής επαφής μεταξύ του κεραιοσυστήματος του Σταθμού Βάσης και της κεραίας της φορητής συσκευής. Επομένως, το λαμβανόμενο σήμα προέρχεται από τις επιβατικές ακτίνες του ηλεκτρομαγνητικού κύματος από την πολυόδευση, εξαιτίας των εμποδίων στην περιοχή που κινείται ο Κινητός Σταθμός. Οι διαλείψεις αυτές συναντώνται σε μεγάλο βαθμό σε αστικές περιοχές στις οποίες υπάρχουν πολλά κτήρια, πολυκατοικίες και άλλα εμπόδια. Παρακάτω δίνεται η κυματομορφή της περιβάλλουσας των διαλείψεων Rayleigh (Λαμβανόμενη ισχύς σε συνάρτηση με το χρόνο): Σχήμα 2.7.: Κυματομορφή Περιβάλλουσας Διαλείψεων Rayleigh. (Πηγή: Όπως αναφέρθηκε το μοντέλο Rayleigh χρησιμοποιείται όταν υπάρχουν πολλά εμπόδια στο περιβάλλον της διάδοσης με αποτέλεσμα να προκαλούνται φαινόμενα σκέδασης τα οποία μεταβάλλουν το λαμβανόμενο σήμα. Σύμφωνα με το Θεώρημα Κεντρικού Ορίου (Central Limit Theorem), αν η σκέδαση είναι αρκετή, η κρουστική απόκριση του καναλιού μπορεί να 44

45 μοντελοποιηθεί ως μια Γκαουσιανή Διαδικασία (Gaussian Process) η οποία είναι ανεξάρτητη των επιμέρους συνιστωσών. Αν δεν υπάρχει μια κυρία συνιστώσα, τότε η γκαουσιανή διαδικασία θα έχει μηδενική μέση τιμή και φάση η οποία κατανέμεται ομοιόμορφα στο διάστημα από 0 μέχρι 2π radians.έτσι η περιβάλλουσα της απόκρισης του καναλιού θα ακολουθεί κατανομή Rayleigh. Έστω μια τυχαία μεταβλητή R της οποίας η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF) είναι : p R (r) = r σ 2 e r2 2σ 2, για r 0 (2.11) όπου r η περιβάλλουσα του πλάτους του λαμβανόμενου σήματος και το 2σ 2 η μέση ισχύς του σήματος πριν την ανίχνευση. Η μέση τιμή της κατανομής είναι : r mean = σ (2.12) Η διασπορά της κατανομής είναι :σ r 2 = σ 2 (2.13) Ο μέσος της κατανομής είναι : r median = 1.177σ (2.14) Από τα παραπάνω διαπιστώνεται ότι ο μέσος και η μέση τιμή διαφέρουν μόνο κατά 0.55 db, επομένως στην πράξη χρησιμοποιείται συνήθως ο μέσος αφού τα δεδομένα μετριούνται στο χώρο των διαλείψεων και η υπόθεση μια συγκεκριμένη κατανομής είναι αρκετά δύσκολη. Συχνά η φάση (phase) και το κέρδος (gain) της παραμόρφωσης του καναλιού αναπαρίστανται ως μιγαδικοί αριθμοί. Στην περίπτωση του μοντέλου των διαλείψεων Rayleigh το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της απόκρισης μοντελοποιούνται ως ανεξάρτητες και ταυτοσήμως κατανεμημένες Gaussian διαδικασίες με μηδενική μέση τιμή, ώστε το πλάτος της απόκρισης να είναι το άθροισμα των δύο αυτών διαδικασιών. H PDF της κατανομής Rayleigh δίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.8.: PDF Διαλείψεων Rayleigh. (Πηγή: 45

46 Η αθροιστική συνάρτηση κατανομής (CDF) της Rayleigh δίνεται από τη σχέση : CDFRayleigh(x)= 1 e r2 2σ 2 (2.15) όπου r η περιβάλλουσα του πλάτους του λαμβανόμενου σήματος και το 2σ 2 η μέση ισχύς του σήματος πριν την ανίχνευση. H CDF της κατανομής Rayleigh δίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.9.: CDF Διαλείψεων Rayleigh. (Πηγή: ΜΟΝΤΕΛΟ ΔΙΑΛΕΙΨΕΩΝ RICE Η κατανομή Rice χρησιμοποιείται όταν στην μοντελοποίηση του καναλιού υπάρχει συνιστώσα οπτικής επαφής μεταξύ του κεραιοσυστήματος του Σταθμού Βάσης και της κεραίας της φορητής συσκευής. Άρα το λαμβανόμενο σήμα στο δέκτη της φορητής συσκευής περιλαμβάνει την κυρίαρχη συνιστώσα οπτικής επαφής (LOS) καθώς και το σύνολο των συνιστωσών των επιβατικών ακτινών του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που προέρχονται από την ενεργοποίηση των μηχανισμών ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης εξαιτίας των φυσικών και τεχνικών εμποδίων στο περιβάλλον στο οποίο κινείται η φορητή συσκευή. Στο παρακάτω σχήμα δίνεται η αναπαράσταση των συνιστωσών του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που εκπέμπεται από τον Σταθμό Βάσης. Με την πράσινη γραμμή αναπαρίσταται η κυρίαρχη συνιστώσα LOS ενώ με τις υπόλοιπες αναπαρίστανται οι συνιστώσες που οφείλονται στην πολυόδευση (multipath). 46

47 Εικόνα 2.10.: Συνιστώσες Rician Fading (Πηγή: FADING.jpg) H συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF) της κατανομής Rice είναι η εξής: p R (r) = r +A 2 ) σ 2 e (r2 2σ 2 I 0 ( Ar σ2), για Α 0, r 0 (2.16) όπου Ι 0 () είναι η μηδενικής τάξης τροποποιημένη συνάρτηση Bessel πρώτου είδους και η παράμετρος Α η οποία δίνει το μέγιστο πλάτος της κυρίαρχης συνιστώσας. Η αθροιστική συνάρτηση κατανομής (CDF) της Rice δίνεται από τη σχέση : CDFRice(x)= 1 Q 1 ( v σ, x σ ) (2.17) όπου Q 1 συνάρτηση Marcum Q. Η κατανομή Rice περιγράφεται από τον συντελεστή K= A2 A2 2σ2 ή σε db K(dB)= 10log 2σ 2 ο οποίος εκφράζει το λόγο της ισχύς του σήματος της κυρίαρχης συνιστώσας και της διασποράς των συνιστωσών που οφείλονται στην πολυόδευση. Όσο, η κυρίαρχη συνιστώσα του σήματος γίνεται πιο αδύναμη το σήμα αρχίζει να μοιάζει με ένα σήμα του οποίου η περιβάλλουσα είναι Rayleigh. Δηλαδή, η κατανομή Rice μετατρέπεται σε μια κατανομή Rayleigh. Ειδικότερα, η κατανομή Rice προσεγγίζει την κατανομή Rayleigh όταν το Α τείνει στο μηδέν και ο συντελεστής Κ στο μείον άπειρο. 47

48 Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η PDF της κατανομής Rice για διάφορες τιμές του συντελεστή Κ. Σχήμα 2.11.: PDF κατανομής Rice για διαφορετικές τιμές του συντελεστή Κ. (Πηγή: Στο παρακάτω απεικονίζεται η CDF της κατανομής Rice. Σχήμα 2.12.: CDF κατανομής Rice. (Πηγή: 48

49 2.3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάστηκαν οι βασικές αρχές τις ασύρματης διάδοσης, τα φυσικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα όπως είναι οι ανακλάσεις, η διάθλαση, η πολυόδευση τα οποία προκαλούν την εξασθένηση του σήματος. Επίσης, αναλύθηκαν τα φαινόμενα των διαλείψεων, οι κατηγορίες τους και οι τρόποι με τους οποίους μπορούν να μοντελοποιηθούν. Με βάση αυτά τα μοντέλα δηλαδή τις αντίστοιχες μαθηματικές κατανομές PDF και CDF, οι μηχανικοί μπορούν να προβλέψουν τις απώλειες στο ασύρματο κανάλι με όσο το δυνατό ακριβέστερα αποτελέσματα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό, αναλύονται τα μοντέλα ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης εξωτερικών χώρων (RF models) τα οποία χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της στάθμης της λαμβανόμενης ισχύος στην κεραία του δέκτη και τα οποία είναι απαραίτητα για το σχεδιασμό του κυψελοειδούς τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της λαμβανόμενης ισχύος του (σε dbm) στο δέκτη. Στα μοντέλα αυτά λαμβάνονται υπόψιν τα εμπόδια, οι μηχανισμοί και τα φαινόμενα, τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά των περιοχών στις οποίες λαμβάνει χώρα η μετάδοση των σημάτων. Όλοι αυτοί οι παράγοντες καταγράφονται και σε συνδυασμό με τα μοντέλα κάλυψης δίνουν τη δυνατότητα στον εκάστοτε μηχανικό να γνωρίζει με έναν συγκεκριμένο βαθμό αξιοπιστίας τη στάθμη του λαμβανόμενου σήματος ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΚΑΛΥΨΗΣ ΚΑΙ ΟΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΤΟΥΣ Τα μοντέλα που υπολογίζουν την απώλεια οδεύσεως διακρίνονται στις εξής κατηγορίες : Τα Ντετερμινιστικά Μοντέλα (Deterministic Models): Είναι τα μοντέλα τα οποία προκύπτουν από θεωρητική μαθηματική επεξεργασία. Ο βαθμός αξιοπιστίας και η ορθότητα των μαθηματικών τύπων που προκύπτουν από τέτοιου είδους μοντέλα επιβεβαιώνονται με πειραματικές μετρήσεις. Τα Εμπειρικά Μοντέλα (Empirical Models): Είναι τα μοντέλα τα οποία προκύπτουν από δεδομένα τα οποία συλλέγονται με πειραματικές μετρήσεις και μέσων αυτών προκύπτει μια γραφική παράσταση, ένα σετ καμπυλών ή ένας πίνακας αριθμητικών δεδομένων. Συχνά εμφανίζουν ανορθόδοξη μαθηματική διατύπωση. Η εφαρμογή ενός μοντέλου διάδοσης εξωτερικού χώρου επικεντρώνεται στην όσο το δυνατό ακριβέστερη περιγραφή των παραγόντων που συμβάλουν στην εξασθένιση του μεταδιδόμενου σήματος. 49

50 Οι χώροι οι οποίοι αποτελούν το περιβάλλον της ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης του σήματος διακρίνονται σε 3 βασικές κατηγορίες : Αστικές Περιοχές (Urban Areas): Αναφέρεται στα μεγάλα αστικά κέντρα, στις πόλεις οι οποίες έχουν μεγάλο πληθυσμό και παρουσιάζουν μεγάλοι πυκνότητα πληθυσμού. Τα αστικά κέντρα χαρακτηρίζονται επίσης από πλήθος εμποδίων, πυκνή δόμηση, κίνηση και την ύπαρξη πολλών θορύβων και παρεμβολών. Ημιαστικές Περιοχές (Suburban Areas): Αποτελούν τις μικρότερες πόλεις, τα περίχωρα πόλεων, τις κωμοπόλεις περιοχές δηλαδή οι οποίες έχουν μικρότερη πυκνότητα πληθυσμού, πιο αραιή δόμηση και τα εμπόδια είναι λιγότερα από αυτά των αστικών περιοχών. Ανοιχτές Περιοχές (Rural Areas): Αποτελούν κυρίως αγροτικές περιοχές, περιοχές μεγάλης έκτασης οι οποίες είναι αραιοκατοικημένες και οι αποστάσεις μεταξύ των διάφορων συνδρομητών του ασύρματου δικτύου είναι μεγάλες. Επιπλέον, αυτές οι περιοχές μπορεί να έχουν ιδιαιτερότητες στο γεωγραφικό ανάγλυφο και ανωμαλίες εδάφους. Βασικές έννοιες των RF μοντέλων είναι: Μέση Απώλεια Οδεύσεως: L(db) = Pt (dbw) Pr(dBW) ή και σε (dbm), όπου Pt η ισχύς του σήματος στην είσοδο της κεραίας εκπομπής και Pr η λαμβανόμενη στην είσοδο του δέκτη. Σφάλμα (Error): Σφάλμα = Pr (προβλεπόμενη απο μοντέλο) Pr(πραγματική μέτρηση). Η Απόκλιση Σφάλματος (Error Deviation) και μέσο Σφάλμα (Mean Error %) που αποτελούν δείκτες αξιολόγησης της αξιοπιστίας του μοντέλου ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΛΕΥΘΕΡΟΥ ΧΩΡΟΥ To μοντέλο της ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης του ελεύθερου χώρου περιγράφεται από την εξίσωση του Friis. Η εξίσωση αυτή περιγράφει την ηλεκτρομαγνητική διάδοση στην οποία υπάρχει οπτική επαφή και εμπλέκει τις ηλεκτρικές και ηλεκτρομαγνητικές παραμέτρους του ασύρματου τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Το μοντέλο αυτό δεν λαμβάνει υπόψιν τα φαινόμενα που δημιουργούνται κατά την μετάδοση του σήματος όπως είναι η ανάκλαση, η σκέδαση, το multipath κτλ. Το κεραιοσύστημα εκπομπής και λήψης θεωρείται ότι είναι τοποθετημένο επί του εδάφους. Η εξίσωση του Friis προϋποθέτει ότι ισχύουν οι παρακάτω παραδοχές: Οι πηγές εκπομπής και λήψης είναι σημειακές. Η κατανομή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της κεραίας εκπομπής είναι ομοιόμορφη. Το περιβάλλον μετάδοσης δεν έχει φυσικά ή τεχνητά εμπόδια. Η εξίσωση του Friis είναι : Pr = Pt Gr Gt Όπου, λ2 (4πr) 2 (3.1) 50

51 λ :Tο μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Gr: Tο κέρδος (gain) της κεραίας λήψης. Gt: Tο κέρδος (gain) της κεραίας εκπομπής. Pt: H ισχύς του σήματος στην είσοδο της κεραίας εκπομπής. Pr: H λαμβανόμενη στην είσοδο του δέκτη. r: H απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη. Λογαριθμίζοντας τη εξίσωση και προσθέτοντας τις απώλειες από τις γραμμές μεταφοράς που συνδέουν πομπό και δέκτη με τις αντίστοιχες κεραίες τους (Lcoax) προκύπτει η παρακάτω εξίσωση : [Pr] dbw = [Pt] dbw + [Gr] dbi + [Gt] dbi [FSL] db [Lcoax] db (3.2) Όπου, [FSL] db = 20log ( 4πr λ ) οι απώλειες Ελεύθερου Χώρου (Free Space Losses - FSL). (3.3) Θεωρώντας ότι η απόσταση Σταθμού Βάσης και Κινητού Σταθμού είναι τέτοια ώστε να εμπίπτει με το μακρινό πεδίο της κεραίας, η μέση εξασθένιση του σήματος δίνεται από την σχέση: [L] db = log(d) + 20log (f) (3.3) όπου d και r η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη και f η συχνότητα του τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Για την περιοχή των 900 MHz η σχέση γίνεται: [L] db = log(d) (3.4) ΜΟΝΤΕΛΟ ΛΟΓΑΡΙΘΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ To μοντέλο λογαριθμικής απόστασης είναι ένα εμπειρικό μοντέλο ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης και χρησιμοποιείται για γεωγραφικά περιβάλλοντα στα οποία εμφανίζεται σκίαση (shadowing). Η μαθηματική έκφραση του μοντέλου είναι η εξής : [L] db = [L 0 ] db + 10γ log ( d d 0 ) + X g (3.5) Όπου, [L 0 ] db : Είναι οι απώλειες σε db σε μια απόσταση αναφοράς d 0. d 0 : H απόσταση αναφοράς. d: Η απόσταση του κεραιοσυστήματος εκπομπής από τη κεραία του δέκτη. 51

52 γ : ο εκθέτης απωλειών. Χ g : Είναι μια Gaussian τυχαία μεταβλητή με μέση τιμή ίση με 0. Η μεταβλητή αυτή εκφράζει την εξασθένηση σε db που προκαλείται από επίπεδες διαλείψεις, δηλαδή όλο το συχνοτική περιεχόμενο του σήματος θα υποστεί την ίδια εξασθένιση. Αν οι διαλείψεις οφείλονται στο φαινόμενο της σκίασης ή σε αργές διαλείψεις τότε η μεταβλητή αυτή ορίζεται ως μια Gaussian τυχαία μεταβλητή με τυπική απόκλιση σ που αντιστοιχεί σε μια τυχαία μεταβλητή της λογαριθμικής κατανομής της λαμβανόμενης ισχύος εκφρασμένης σε Watts. Αν η πολυόδευση προκαλεί ταχείες διαλείψεις, τότε το αντίστοιχο κέρδος είναι Fg = 10 Xg 10 και μπορεί να μοντελοποιηθεί ως μια τυχαία μεταβλητή της κατανομής Rayleigh για NLOS και ως μια τυχαία μεταβλητή της κατανομής Rice για LOS. Συνήθως παίρνει τιμές στο διάστημα 6 10 db. Στο παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τυπικές τιμές του εκθέτη απωλειών γ. Πίνακας 3.1.: Τυπικές τιμές εκθέτη απωλειών Περιβάλλον Ελεύθερος Χώρος Εκθέτης απωλειών γ 2 Αστική Περιοχή Σκιασμένη Αστική Περιοχή ΜΟΝΤΕΛΟ OKUMURA To μοντέλο Okumura προέκυψε από μετρήσεις οι οποίας έγιναν στην πόλη του Τόκυο στην Ιαπωνία. Το μοντέλο αυτό δίνει πιο ακριβή αποτελέσματα όταν εφαρμόζεται σε αστικές περιοχές στις οποίες δεν υπάρχουν πολλά κτήρια μεγάλου ύψους. Χρησιμοποιεί ως παραμέτρους την συχνότητα, τα ύψη των κεραιοσυστημάτων πομπού και δέκτη, τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ανάγλυφου της περιοχής η οποία εξετάζεται. Το μοντέλο είναι κατάλληλο για εφαρμογή για συχνότατες από 150 MHz έως 2 GHz, για ύψη των κεραιοσυστημάτων εκπομπής και λήψης από 30 έως 1000 μέτρα και για αποστάσεις από το κεραιοσύστημα εκπομπής από 1 km έως 100 km. Ο Okumura με βάση τα αποτελέσματα των μετρήσεων ανέπτυξε μία σειρά από καμπύλες που δείχνουν ότι η μέση εξασθένηση σήματος μεταβάλλεται ανάλογα με τον ελεύθερο χώρο ως συνάρτηση της συχνότητας και της απόστασης, σε μία ημί-λεία επιφάνεια. Οι καμπύλες προέκυψαν από μετρήσεις με χρήση κάθετων παντοκατευθυντικών κεραιών τόσο στη μετάδοση όσο και στη λήψη. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζονται αυτές οι καμπύλες: 52

53 Σχήμα 3.1.: Σετ καμπυλών Okumura Από τις μετρήσεις και τις παραπάνω καμπύλες προκύπτει η εξίσωση του μοντέλου που είναι: L (db)= LF + Amu(f,d) - G(hte) G(hre) - GAREA (3.6) Όπου, L: Μέση απώλεια οδεύσεως L F : Απώλεια οδεύσεως Ελευθέρου Χώρου G(h te ): Κέρδος κεραίας μετάδοσης G(h re ): Κέρδος κεραίας Λήψης G AREA : Κέρδος που οφείλεται στο τύπο του περιβάλλοντος Στο μοντέλο Okumura για μεγαλύτερη ακρίβεια στην προσομοίωση της διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος λαμβάνονται υπόψιν διάφορους παράγοντες. Παράγοντες Εδάφους : Quasi-smooth terrain (Ημι-λεία επιφάνεια). Ορίζεται ως μια επίπεδη επιφάνεια στην περιοχή διάδοσης του σήματος με ύψος διακύμανσης 20 μέτρα με μικρές μεταβολές. 53

54 Irregular terrain (Μη-κανονική επιφάνεια). Ορίζεται ως ο τύπος εδάφους που εμπεριέχει επιφανείς λόφων και επιφανείς βουνών, επιφάνειες δηλαδή με κάποιο ύψος. Για αυτούς τους εδαφικούς παράγοντες χρησιμοποιούνται 5 παράμετροι: Το ενεργό ύψος της κεραίας του Σταθμού Βάσης το οποίο δίνεται από την σχέση Ηte= Hts Hgo (3.7) Όπου H ts το ύψος της κεραίας του σταθμού βάσης και Ηgo το μέσο επίπεδο εδάφους σε ζώνη 3 15 km γύρω από το πομπό του Σταθμού Βάσης. Διαφορά διακύμανσης εδάφους Δh η οποία ορίζεται ως η διαφορά ανάμεσα στο 10% και στο 90% της διακύμανσης του εδάφους, σε απόσταση 10 km από το δέκτη προς την κατεύθυνση του πομπού. Παράμετρος οδεύσεως στην περίπτωση «απομονωμένου βουνού». Η παράμετρος αφορά την μοντελοποίηση των βουνών ως knife-edge. Μέση γωνία κλίσης εδάφους για κεκλιμένη επιφάνεια (Θ m ): Για κεκλιμένη επιφάνεια τουλάχιστον 5-10 χιλιομέτρων ισχύει ότι: Θm = ( h n h m ) d n και h n >h m : Θm>0, ανηφορική επιφάνεια h n <h m : Θm<0, κατηφορική επιφάνεια (3.8) Παράμετρος απόστασης για υβριδικό μοντέλο ξηράς-θάλασσας. Με βάση αυτή την παράμετρο διακρίνονται τρεις περιπτώσεις ύπαρξης λίμνης/θάλασσας στο μονοπάτι διάδοσης σήματος: νερό κοντά σε κινούμενο όχημα, νερό κοντά στο σταθμό βάσης ή νερό ανάμεσα σε κινούμενο όχημα και το σταθμό βάσης. Ο Okumura ανακάλυψε επίσης ότι το κέρδος της κεραίας εκπομπής μεταβάλλεται με ρυθμό των 20 db/δεκάδα και το κέρδος της κεραίας λήψης με ρυθμό των 10 db/δεκάδα για ύψη κεραιών κάτω των 3 μέτρων. Τέλος τα εμπόδια εδάφους χωρίζονται σε 3 κατηγορίες: Ανοιχτές περιοχές στις οποίες δεν υπάρχουν συνήθως εμπόδια ανάμεσα στον πομπό και δέκτη με αποτέλεσμα να μην λαμβάνονται υπόψιν οι παράμετροι εδάφους. Ημιαστικές περιοχές, δηλαδή χωρία και κωμοπόλεις με αραιή δόμηση. Σε αυτή τη περίπτωση οι παράμετροι εδάφους θεωρούνται περισσότερο σημαντικές. Αστικές περιοχές στις οποίες εξαιτίας της πυκνής δόμησης οι παράγοντες εδάφους είναι εξαιρετικά σημαντικές ΜΟΝΤΕΛΟ HATA Το μοντέλο Hata βασίστηκε στη εξίσωση και το σετ των καμπυλών του Okumura.Το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αστικές, ημιαστικές και ανοιχτές περιοχές. Εφαρμόζεται για 54

55 την εκτίμηση των απωλειών στο διάστημα συχνοτήτων λειτουργίας από 150 MHz 1500 MHz, με ύψος κεραίας Σταθμού Βάσης από 30 m 200 m και για αποστάσεις από 1 km 20 km. Η βασική εξίσωση για υπολογισμό των απωλειών οδεύσεως σε αστικές περιοχές είναι η παρακάτω: L urban (db) = log (fc) 13.82log(h te ) a(h re ) + ( log(h te ))logd (3.9) Όπου, f c : H συχνότητα σε MHz h te : Tο ενεργό ύψος πομπού σε μέτρα h re : Tο ενεργό ύψος κινούμενου συνδρομητή d: H απόσταση μεταξύ Σταθμού Βάσης και Κινητού Σταθμού. α: συντελεστής διόρθωσης για το ενεργό ύψος της κεραίας του Κινητού Σταθμού ως συνάρτηση του μεγέθους της εκάστοτε περιοχής κάλυψης. Για μικρή ή μεσαίου μεγέθους πόλη, ο a(h re ) δίνεται από τη σχέση: a(h re ) = (1.11fc 0.7)h re (1.56logfc 0.8) db (3.10) Για μεγάλη πόλη ισχύει ότι : a(h re ) = { 8.29(log(1.54h re)) για fc 300 MHz 3.2(log(11.75h re )) για fc 300 MHz (3.11) Για μία ημιαστική περιοχή η εξίσωση γίνεται : L(suburban)(dB) = L(urban)(dB) 2 (log fc 28 )2 5.4 (3.12) Αντίστοιχα για μία ανοιχτή περιοχή η εξίσωση γίνεται: L(open)(dB) = L(urban)(dB) 4.78 (logfc) logfc (3.13) COST 231 ΕΚΤΕΤΑΜΕΝΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΗΑΤΑ Η επιτροπή εργασίας COST-231 της Ευρωπαϊκής Συνεργασίας για επιστημονική και τεχνολογικής έρευνας (EUROCOST) δημιούργησε την συγκεκριμένη επέκταση του μοντέλου HATA με σκοπό την κάλυψη των συχνοτήτων από 1500 MHz έως 2 GHz. H εξίσωση της διάδοσης είναι η εξής: L urban (db) = log (fc) 13.82log(h te ) a(h re ) + ( log(h te ))logd + C M (3.14) 55

56 Ισχύει ότι η παράμετρος C M έχει τιμές C M = 3 db για αστικές περιοχές και C M = 0 db για ημιαστικές περιοχές. Επιπλέον, για αστικές περιοχές και συχνότητες μεγαλύτερες των 400 MHz, ο διορθωτικός συντελεστής a(h re ), προσδιορίζεται από την σχέση : a(h re ) = 3.23(log(11.75h r )) (3.15) Για ημιαστικές και ανοιχτές περιοχές ο διορθωτικός συντελεστής a(h re ), προσδιορίζεται από την σχέση : a(h re ) = (1.11logfc 0.7)h r (1.5logfc 0.8) (3.16) Και στις δύο περιπτώσεις η μεταβλητή h r είναι το πραγματικό ύψος της κεραίας της φορητής συσκευής CCIR - CORRECTED HATA ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΔΟΜΗΣΗΣ Β Αυτό το μοντέλο ακολουθεί την κλασσική εξίσωση Hata με την προσθήκη ενός συντελεστή Β. Επομένως, έχουμε την εξίσωση : L urban (db) = log (fc) 13.82log(h te ) a(h re ) ( log(h te ))logd + B (3.17) Για μικρή ως μεσαίου μεγέθους πόλη, ο συντελεστής διόρθωσης δίνεται από τη σχέση: a(h re ) = (1.1logfc 0.7)h r (1.56logfc 0.8) db (3.18) Για μεγάλη πόλη ισχύει ότι : a(h re ) = { 8.29(log(1.54h re)) db, για fc 300 MHz 3.2(log(11.75h re )) db, για fc 300 MHz (3.19) O συντελεστής δόμησης Β είναι: B = 10-25logX (3.20) Όπου, X: Το % ποσοστό της περιοχής που καλύπτεται από κτίρια. Για ποσοστό κάλυψης 15% ο συντελεστής Β μηδενίζεται επομένως η εξίσωση επανέρχεται στην κανονική εξίσωση Hata ΜΟΝΤΕΛΟ WALFISH - IKEGAMI To μοντέλο αυτό είναι ένα ημι-εμπειρικό μοντέλο και είναι κατάλληλο για επίπεδες ημιαστικές περιοχές και για αστικές περιοχές οι οποίες χαρακτηρίζονται από ομοιόμορφα από πλευράς ύψους κτίρια. Το μοντέλο Walfish - Ikegami ισχύει τόσο για τα 900 MHz όσο και στα 1800 MHz. 56

57 To μοντέλο αυτό διαφοροποιείται ανάλογα με το αν υπάρχει συνιστώσα οπτικής επαφής ανάμεσα σε πομπό και δέκτη (LOS) και στην περίπτωση που δεν υπάρχει οπτική επαφή (NLOS). Στη περίπτωση που υπάρχει συνιστώσα οπτικής επαφής ανάμεσα στο Σταθμό Βάσης και στο δέκτη (LOS) και οι κεραίες των Σταθμών Βάσης βρίσκονται κάτω από το επίπεδο των κορυφών των κτιρίων, η απώλεια οδεύσεως δίνεται από την σχέση : L b = log(d) + 20log(f) για d 0.02 km (3.21) Στη περίπτωση που δεν υπάρχει συνιστώσα οπτικής επαφής (NLOS), η απώλεια οδεύσεως δίνεται από την σχέση: L b = L o + L rts + L msd (3.22) Όπου, Lo = log(d) + 20log(f) (3.23) L rts = log(w) + 10 log(f) + 20log(H r H m ) + L ori (3.24) φ, για 0 φ < 35 με Lori = { (φ 35), για 35 φ < (φ 55), για 55 φ < 90 (3.25) Το Lrts εκφράζει τις απώλειες λόγω περίθλασης που προκαλούνται από τις οροφές των κτιρίων και οι επιβατικές ακτίνες οδηγούνται προς τις οδούς. L msd = L bsh + k a + k d log(d) + k f log(f) 9log(b) (3.26) με L bsh = { 18log (1 + H b H roof ), για H b > H roof (3.27) 0, για H b H roof 54, για H b > H roof k a = { (H b H roof ), για H b H roof d (H b H roof ) ( d 0.5 b H roof d < 0.5 (3.28) 18, για H b > H roof k d = { (H b H roof ) (3.29), για H H b H roof roof f ( 1), για μεσαίας έκτασης πόλης και προαστίων 925 k f = { ( f 1), για μητροπολιτικά κέντρα (3.30)

58 Το L msd εκφράζει τις απώλειες λόγω περίθλασης που προκαλούνται από πολλαπλές επιφάνειες. Για τις μεταβλητές των παραπάνω σχέσεων: d: Η απόσταση του κεραιοσυστήματος του Σταθμού Βάσης από την κεραία της φορητής συσκευής (m). f: H συχνότητα λειτουργίας (ΜΗz). w: Το πλάτος του δρόμου (m). φ: Η γωνία προσανατολισμού του δρόμου σε σχέση με τη απευθείας επιβατική ακτίνα (μοίρες). H roof : Το ύψος της στέγης του κτηρίου. H b : Το ύψος του κεραιοσυστήματος του Σταθμού Βάσης από τη επιφάνεια του εδάφους. H m : Το ύψος της κεραίας της φορητής συσκευής από την επιφάνεια του εδάφους. b: H απόσταση μεταξύ των κτηρίων. Αν η δομή των κτιρίων και των δρόμων δεν είναι γνωστή, συνιστώνται οι παρακάτω τιμές: b=20-50 m. w=b/2. H r = 3 (αριθμός ορόφων) + άνω οροφή (0 ή 3). φ=90 μοίρες. Οι περιορισμοί για την χρήση του μοντέλου είναι οι εξής: f = 800 MHz - 2 GHz. H b = 4-50 m. H m = 1-3 m. d = km ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε αυτό το κεφάλαιο έγινε η περιγραφή των μοντέλων ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης εξωτερικών χώρων (RF models) τα οποία χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της λαμβανόμενης ισχύος του στο δέκτη και αποτελούν σημαντικό κομμάτι της περιγραφής του ασύρματου καναλιού. Η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης είναι πολύ σημαντική για τον σχεδιασμό του ασύρματου δικτύου. Ο μηχανικός επιλέγει το μοντέλο για προσομοίωση η οποία γίνεται με σκοπό την ανάπτυξη του κυτταρικού δικτύου λαμβάνοντας υπόψιν του το ανάγλυφο της γεωγραφικής περιοχής, τις απώλειες, την συχνότητα λειτουργίας καθώς και τις άλλες παραμέτρους που επεξηγήθηκαν σε αυτό το κεφάλαιο. 58

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΤΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ 4.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτό το κεφάλαιο αναλύονται τα οι βασικές αρχές για τον υπολογισμό των παραμέτρων με τις οποία μπορεί να σχεδιαστεί ένα κυτταρικό ασύρματο δίκτυο. Επίσης, αναλύεται η διαδικασία με την οποία γίνεται η διαχείριση των συχνοτήτων λειτουργίας του συστήματος. Ακόμα, σε αυτό το κεφάλαιο αναλύονται οι παράμετροι και οι μεταβλητές οι οποίες πρέπει να ληφθούν υπόψιν από τον εκάστοτε σχεδιαστή μηχανικό, ώστε υλοποιήσει όσο το δυνατόν καλύτερα το κυψελοειδές δίκτυο ΚΥΨΕΛΕΣ Η ονομασία του κυψελοειδούς σχεδιασμού (cell planning) όπως φαίνεται προέρχεται από τη λέξη κύτταρο ή κυψέλη που είναι και το βασικό δομικό στοιχείο αυτού του σχεδιασμού. Κυψέλη (cells) στο τομέα των τηλεπικοινωνιών ορίζεται ως η γεωγραφική περιοχή την οποία φωτίζει ηλεκτρομαγνητικά ένας Σταθμός Βάσης του εκάστοτε δικτύου. Κατά το σχεδιασμό του ραδιοδικτύου, η υπό εξέταση γεωγραφική περιοχή καλύπτεται από έναν αριθμό κυψελών ώστε να γίνεται η καλύτερη διαχείριση των ραδιοπόρων με βάση τα κριτήρια της σχεδίασης. Συχνά τα κύτταρα που χρησιμοποιούνται για την κάλυψη των γεωγραφικών περιοχών έχουν σχήμα εξάγωνου. Αν και θα μπορούσαν να έχουν και διαφορετικό γεωμετρικό σχήμα πχ τριγώνου κύκλου και τετραγώνου, δεν προτιμώνται για τους εξής λόγους: Επικάλυψη (Overlapping): Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο ο Σταθμός Βάσης ενός δικτύου μπορεί να βρίσκεται στο κέντρο μια κυψέλης. Για την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη αυτής της κυψέλης χρησιμοποιείται μια παντοκατευθυντική κεραία. Η κυψέλη θα μπορούσε να οριοθετηθεί βάση της κυκλικής κάλυψης αυτής της κεραίας. Όμως σε μια τέτοια υλοποίηση υπάρχει επικάλυψη μεταξύ των γειτονικών κυκλικών κυττάρων με αποτέλεσμα να δημιουργούνται παρεμβολές στο μεταδιδόμενο σήμα. Εμβαδόν Σχήματος: Το εξάγωνο όπως το τετράγωνο και το τρίγωνο είναι σχήματα τα οποία δεν επικαλύπτονται. Όμως, το εξάγωνο υπερτερεί των άλλων δύο διότι έχει μεγαλύτερη επιφάνεια. Έτσι, με τη χρήση εξαγωνικών κυψελών ελαχιστοποιείται ο αριθμός των κυψελών που απαιτεί η κάλυψη της περιοχής. 59

60 Το παρακάτω σχήμα απεικονίζει την επικάλυψη των κυκλικών κυψελών: Σχήμα 4.1.: Επικαλυπτόμενες κυκλικές κυψέλες. (Πηγή: Στην πράξη το σχήμα των κυττάρων είναι ακανόνιστο και εξαρτάται από την τοπολογία του περιβάλλοντος και από το διάγραμμα ακτινοβολίας των κεραιοσυστημάτων των Σταθμών Βάσης. Στο κυτταρικό σχεδιασμό χρησιμοποιούνται κυψέλες διαφόρων μεγεθών. Το μέγεθος τους εξαρτάται από την έκταση της γεωγραφικής περιοχής, το πληθυσμό και από την τηλεπικοινωνιακή κίνηση η οποία δεν είναι ομοιόμορφη. Οι κυψέλες ανάλογα με το μέγεθος τους διακρίνονται σε : Κύτταρα Μέγιστης Κάλυψης (Overlay Cells): Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης η οποία φθάνει μέχρι μερικές εκατοντάδες km και χρησιμοποιούνται στις δορυφορικές τηλεπικοινωνίες προκειμένου να καλυφθούν περιοχές οι οποίες είναι απομακρυσμένες. Υπερκύτταρα (Hyper Cells): Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης μεγαλύτερη από 20 km και χρησιμοποιούνται για την κάλυψη Κινητών Σταθμών οι οποίοι βρίσκονται σε επαρχιακές περιοχές. Μακροκύτταρα (Macro Cells): Τα κύτταρα αυτά μπορεί να έχουν ακτίνα κάλυψης από 1 έως 20 km. Τα κύτταρα αυτά χρησιμοποιούνται για την τηλεπικοινωνιακή κάλυψη δρόμων εκτός των πόλεων και για πυκνοκατοικημένες περιοχές. Μικροκύτταρα (Micro Cells): Τα κύτταρα αυτά μπορεί να έχουν ακτίνα κάλυψης από 100 m έως 1 km. Τα κύτταρα αυτά χρησιμοποιούνται για την τηλεπικοινωνιακή κάλυψη κινητών μονάδων οι οποίες κινούνται στα κεντρικές περιοχές των πόλεων. Πικοκύτταρα (Pico Cells): Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης έως 100 m. Χρησιμοποιούνται για την τηλεπικοινωνιακή κάλυψη των συνδρομητών οι οποίοι βρίσκονται και κινούνται εντός κτηρίων ή βρίσκονται εντός λεωφορείων, τρένων, πλοίων, αεροπλάνων (μεταφορικά μέσα). 60

61 4.3. ΣΤΑΘΜΟΙ ΒΑΣΗΣ ΤΩΝ ΚΥΨΕΛΩΝ Η ηλεκτρομαγνητική κάλυψη των κυψελών γίνεται μέσω των κεραιοσυστημάτων των Σταθμών Βάσεων. Τα κεραιοσυστήματα αυτά όπως αναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο μπορεί να αποτελούνται από παντοκατευθυντικές κεραίες (omnidirectional antennas) ή από κατευθυντικές κεραίας (sector directional antennas) με συγκεκριμένο εύρος του λοβού ακτινοβολίας τους. Στη περίπτωση χρήσης παντοκατευθυντικής κεραίας, η τοποθέτηση του Σταθμού Βάσης γίνεται συνήθως σε σημείο κοντά στο κέντρο της κυψέλης. Έτσι, η ηλεκτρομαγνητική κάλυψη της κυψέλης είναι όσο το δυνατό γίνεται πιο ομοιόμορφη αφού το εύρος του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας εξυπηρετεί όλες τις κατευθύνσεις. Στην περίπτωση αυτή όμως μπορεί να δημιουργούνται παρεμβολές από τα συνορεύοντα κύτταρα. Στην περίπτωση χρήσης sector κεραιών η τοποθέτηση του Σταθμού Βάσης γίνεται στο σημείο επαφής μεταξύ τριών κυψελών. Συχνά χρησιμοποιείται κεραιοσύστημα τριών κατευθυντικών κεραιών με εύρος λοβού 120 ο μοίρες, η καθεμιά από τις οποίες καλύπτει ηλεκτρομαγνητικά την αντίστοιχη κυψέλη από τις 3 γειτονικές. Με αυτό τον τρόπο αυξάνεται η χωρητικότητα της τηλεπικοινωνιακής κίνησης του Σταθμού Βάσης χωρίς να αυξάνεται σημαντικά η παρεμβολή από τις γειτονικές κυψέλες ( σε οποιαδήποτε κατεύθυνση μεταδίδεται μικρός αριθμός συχνοτήτων). Επίσης, στην περίπτωση αυτή γίνεται εξοικονόμηση στον αριθμό των Σταθμών Βάσης που θα χρησιμοποιηθούν αφού για 3 κυψέλες απαιτείται μόνο ένας Σταθμός Βάσης, σε αντίθεση με την προηγούμενη περίπτωση που για κάθε κυψέλη απαιτείται ξεχωριστός Σταθμός Βάσης. Με αυτό τον τρόπο μειώνονται σε μεγάλο βαθμό τα έξοδα υλοποίησης του κυτταρικού δικτύου αφού το κόστος των Σταθμών Βάσης είναι αρκετά υψηλό ΣΗΜΑΝΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΑΙ ΒΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΤΟΥ ΚΥΨΕΛΩΕΙΔΟΥΣ ΔΙΚΤΥΟΥ Βασικές προϋποθέσεις οι οποίες πρέπει να ικανοποιούνται κατά το σχεδιασμό του κυτταρικού δικτύου είναι η ηλεκτρομαγνητική κάλυψη της περιοχής και η ικανοποιητική ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών. Αυτές οι δυο προϋποθέσεις είναι αυτές τις οποίες αντιλαμβάνονται άμεσα και οι τελικοί χρήστες όταν χρησιμοποιούν τον κινητό τους εξοπλισμό. Το κριτήριο για την επαρκή κάλυψη μιας γεωγραφικής περιοχής σχετίζεται πχ με την πιθανότητα ο χρήστης να λαμβάνει σήμα σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία ή την πιθανότητα ολικής κατάληψης (blocking probability) κλήσεων κατά την διάρκεια της περιόδου αιχμής (χρονική περίοδος με τον υψηλότερο αριθμό κλήσεων - busy hour). Επίσης, ο σχεδιασμός του δικτύου προϋποθέτει τον καθορισμό της ισχύος των εκπεμπόμενων και λαμβανόμενων σημάτων ανάλογα της μορφολογία της εκάστοτε γεωγραφικής περιοχής. Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό το σχεδιασμό του ασύρματου δικτύου. Η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων εξαρτάται από την μορφολογία της γεωγραφικής περιοχής. Για παράδειγμα, η εξασθένιση του σήματος κατά τη μετάδοση είναι διαφορετική σε αστικές, ημιαστικές ή ανοιχτές περιοχές. Επίσης, η διάδοση των σημάτων εξαρτάται από το εύρος των συχνοτήτων οι οποίες χρησιμοποιούνται από το δίκτυο. Όλοι αυτοί οι παράγοντες σε συνδυασμό με τα οικονομικά κριτήρια τα οποία πρέπει ικανοποιούνται, ορίζουν της παραμέτρους και το πλαίσιο στο οποίο γίνεται ο σχεδιασμός του κυψελωτού δικτύου. 61

62 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΡΑΔΙΟΠΟΡΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Σημαντικό βήμα του σχεδιασμού του κυψελωτού δικτύου αποτελεί η διαχείριση των ραδιοπόρων του συστήματος και ο προσδιορισμό της χωρητικότητας του. Με τον όρο χωρητικότητα (capacity) του δικτύου ορίζεται ο αριθμός των συνδρομητών που πρόκειται να χρησιμοποιήσουν τους πόρους (εξοπλισμός, υποδομές) και τις υπηρεσίες του δικτύου. Για τον υπολογισμό της χωρητικότητας του δικτύου σημαντικό ρόλο παίζει η διαχείριση των συχνοτήτων δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο οι συχνότητες λειτουργίας κατανέμονται στις εκάστοτε κυψέλες αλλά και η προστασία των καναλιών από παρεμβολές. Επίσης, παράμετρο για την εκτίμηση της χωρητικότητας του δικτύου αποτελεί ο υπολογισμός της συνδρομητικής κίνησης ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Για την λειτουργία του δικτύου είναι απαραίτητη η κατά το δυνατόν καλύτερη διαχείριση των συχνοτήτων ώστε να εξασφαλίζεται η μεγάλη χωρητικότητα και η ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών. Τα κυτταρικά δίκτυα κινητών επικοινωνιών παρέχουν στους συνδρομητές ασύρματη πρόσβαση στις υπηρεσίες τους. Για να γίνει αυτό το σύστημα αξιοποιεί ένα καθορισμένο φάσμα συχνοτήτων οι οποίοι αποτελούν τους διαθέσιμους ραδιοπόρους. Ανάλογα με το είδος της τεχνολογίας που εφαρμόζεται στο δίκτυο (GSM, UMTS) η αρμόδιά επιτροπή καταχώρησης συχνοτήτων (στην περίπτωση της Ελλάδας η Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων Ε.Ε.Τ.Τ) παραχωρεί προς πώληση συγκεκριμένο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Στην συνέχεια ο κάθε πάροχος σχεδιάζει το δίκτυο του αξιοποιώντας το τμήμα του φάσματος που του αντιστοιχεί. Με τη χρήση των εκάστοτε συχνοτήτων καθορίζεται η λειτουργία του συστήματος η οποία περιλαμβάνει τη μεταφορά του συνδρομητικού φορτίου, τον έλεγχο και την σηματοδοσία. Στην περίπτωση του GSM 900 το οποίο χρησιμοποιείται στην παρούσα διπλωματική παραχωρούνται συνολικά στους παρόχους κινητής τηλεφωνίας 124 συχνότητες, επομένως ο κάθε πάροχος χρησιμοποιεί ένα υποσύνολο αυτών. Αν γίνει η υπόθεση ότι δυο πάροχοι μοιράζονται τις 124 συχνότητες στον κάθε πάροχο αντιστοιχούν 62 συχνότητες. Με αυτές τις 62 συχνότητες γίνεται και ο σχεδιασμός του δικτύου στην παρούσα διπλωματική. Όπως γίνεται σαφές ο αριθμός των συχνοτήτων αυτών είναι αρκετά μικρός για την εξυπηρέτηση του μεγάλου αριθμού των συνδρομητών και της συνεχόμενα αυξανόμενης τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Επομένως, τα ασύρματα κυψελοειδή δίκτυα χρησιμοποιούν μια τεχνική η οποία ονομάζεται επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων. Αυτή η τεχνική επιτρέπει τη χρήση των ίδιων συχνοτήτων σε διαφορετικές κυψέλες με βάση την ικανοποίηση κάποιων κριτηρίων. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται υψηλότερη χωρητικότητα και καλύτερη φασματική απόδοση (spectral efficiency). Αναλυτικότερα για την επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων ισχύουν: To συνολικό εμβαδόν της περιοχής κάλυψης μοιράζεται σε συστάδες ή συμπλέγματα (clusters). Κάθε cluster αποτελείται από έναν αριθμό γειτονικών κυψελών. Σε κάθε γειτονική κυψέλη ανατίθεται ένα υποσύνολο - ομάδα (group) από τις συνολικές διαθέσιμες συχνότητες του συστήματος. Το σύνολο των γειτονικών κυψελών που αποτελούν ένα cluster περιλαμβάνουν όλες τις διαθέσιμες συχνότητες του δικτύου. Επομένως, σε ένα cluster χρησιμοποιούνται όλες οι ομάδες συχνοτήτων από μία φορά. Ο συνολικός αριθμός των γειτονικών κυψελών που ανήκουν σε ένα cluster συμβολίζεται με N και ονομάζεται μέγεθος της συστάδας (cluster size). Με τον όρο 62

63 ( 1 ) συμβολίζεται ο παράγοντας επαναχρησιμοποίησης. Με βάση τον παράγοντα Ν επαναχρησιμοποίησης ορίζεται το μοτίβο επαναχρησιμοποίησης (re-use pattern). Στο GSM χρησιμοποιούνται συνήθως τα ( 4 ) 12 ή το (3) 9 μοτίβα. Μοτίβο επαναχρησιμοποίησης ( 4 ) 12 σημαίνει ότι το cluster αποτελείται από 12 κυψέλες (όλες οι διαθέσιμες συχνότητες διαιρούνται σε 12 κυψέλες) και ότι σε κάθε cluster υπάρχουν 4 Σταθμοί Βάσης με τα κατάλληλα κεραιοσυστήματα o καθένας από τους οποίους τοποθετείται στο αντίστοιχο σημείο επαφής μια τριάδας κυψελών. Στο παρακάτω σχήμα δίνεται το μοτίβο επαναχρησιμοποίησης ( 4 12 ) : Σχήμα 4.2.: 4/12 frequency re-use pattern. (Πηγή: Αν B (Hz) το συνολικό εύρος ζώνης συχνοτήτων που διατίθεται για ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα και W (Hz) το εύρος ζώνης συχνοτήτων που απαιτεί το κάθε κανάλι αμφίδρομης εναλλασσόμενης επικοινωνίας (half-duplex), τότε o αριθμός S των διαθέσιμων συχνοτήτωνκαναλιών αμφίδρομης ταυτόχρονης επικοινωνίας (full-duplex) είναι: S = B 2W (4.1) Αν τα S κανάλια διαμοιραστούν σε μοναδικά και χωρίς κοινές συχνότητες groups συχνοτήτων (το καθένα από τα οποία έχουν τον ίδιο αριθμό συχνοτήτων) και καταχωρηθούν σε Ν κυψέλες τότε ισχύει : S = kn (4.2) 63

64 Όπου k: o αριθμός των καναλιών-συχνοτήτων της κάθε κυψέλης (k < S) N: το μέγεθος του cluster Τότε αν το cluster επαναληφθεί Μ φορές μέσα στο σύστημα, τότε ο συνολικός αριθμός των συχνοτήτων ή ο συνολικός αριθμός των χρηστών του συστήματος δίνεται από την σχέση: T = MS = MkN (4.3) H τιμή του Τ τις σχέσης (4.3) σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με τη χωρητικότητα (capacity) του συστήματος. Γενικά, μεγάλη τιμή του Τ σημαίνει υψηλότερη χωρητικότητα και μεγαλύτερο αριθμό κλήσεων οι οποίες λαμβάνουν χώρα την ίδια χρονική στιγμή. Αντίθετα, μικρή τιμή του Τ σημαίνει χαμηλότερη χωρητικότητα και μικρότερο αριθμό κλήσεων που μπορούν να πραγματοποιηθούν ταυτόχρονα. Εξετάζοντας την σχέση (4.3) και θεωρώντας σταθερό τόσο το εύρος ζώνης του συστήματος Β όσο και το εύρος ζώνης W του κάθε καναλιού παρατηρείται ότι: Όσο αυξάνεται το μέγεθος του cluster N, o αριθμός των καναλιών k ανά κυψέλη μειώνεται κατά τον ίδιο παράγοντα. Ταυτόχρονα, επειδή το N είναι μεγάλο χρειάζεται μικρότερος αριθμός clusters Μ για να καλυφθεί η γεωγραφική περιοχή στην οποία εφαρμόζεται το κυτταρικό δίκτυο. Οι κυψέλες στις οποίες χρησιμοποιούνται οι ίδιες συχνότητες θα απέχουν περισσότερο η μία από την άλλη. Έτσι το Τ μειώνεται δηλαδή το σύστημα θα έχει μικρότερη χωρητικότητα, αλλά η ισχύς των παρεμβολών μεταξύ των συχνοτήτων θα είναι μικρότερη. Αντίθετα όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του cluster N, (δηλαδή όσο αυξάνεται η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων ) o αριθμός των καναλιών k ανά κυψέλη αυξάνεται κατά τον ίδιο παράγοντα. Ταυτόχρονα, επειδή το N είναι μικρό χρειάζεται μεγαλύτερος αριθμός clusters Μ για να καλυφθεί η γεωγραφική περιοχή στην οποία εφαρμόζεται το κυτταρικό δίκτυο. Οι κυψέλες στις οποίες χρησιμοποιούνται οι ίδιες συχνότητες θα απέχουν λιγότερο η μία από την άλλη. Έτσι το Τ αυξάνεται δηλαδή το σύστημα θα έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα, αλλά η ισχύς των παρεμβολών μεταξύ των συχνοτήτων θα είναι μεγαλύτερη. Για προκαθορισμένο εμβαδόν περιοχής κάλυψης Αtotal και προκαθορισμένο εμβαδόν κυψέλης Αcell ισχύει ότι: T = A total A cell S N (4.4) 64

65 ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΣ Όπως φαίνεται από τα παραπάνω, σημαντικό παράγοντα της διαχείρισης των συχνοτήτων σε ένα κυψελοειδές δίκτυο κινητής τηλεφωνίας αποτελεί και ο περιορισμός των παρεμβολών. Οι παρεμβολές αποτελούν έναν από τους πιο σοβαρούς περιοριστικούς παράγοντες της απόδοσης των ασύρματων δικτύων. Οι παρεμβολές αυτές είναι υπεύθυνες για πολλές αστοχίες των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων όπως η διακοπές κατά την διάρκεια των κλίσεων ή για χαμένες κλήσεις εξαιτίας λαθών που δημιουργούνται στη ψηφιακή σηματοδοσία. Ακόμα, οι παρεμβολές προκαλούν ασυμφωνία (cross-talk) στα κανάλια φωνής του συστήματος με αποτέλεσμα ο εκάστοτε συνδρομητής να ακούει παράσιτα στην δική του σύνδεση τα οποία προέρχονται από άλλα κανάλια. Μείζον θέμα για την αύξηση της χωρητικότητας των ασύρματων δικτύων αποτελεί η εύρεση τεχνικών και αλγορίθμων για την κατάλληλη διαχείριση αυτών των παρεμβολών. Στα ασύρματα δίκτυα οι παρεμβολές μπορεί να προέρχονται: Από Κινητούς Σταθμούς που βρίσκονται στην ίδια κυψέλη. Από μία κλήση η οποία λαμβάνει χώρα σε γειτονική κυψέλη. Από Σταθμούς Βάσης η οποίοι λειτουργούν χρησιμοποιώντας ίδιες συχνότητες. Από διαφορετικού είδους ασύρματα δίκτυα από τα οποία διαφεύγει ενέργεια στο band των συχνοτήτων που χρησιμοποιείται στο κυτταρικό δίκτυο. Κύριες παρεμβολές στα ασύρματα συστήματα αποτελούν: Ομοκαναλική Παρεμβολή (Co-channel Interference) Παρεμβολή Γειτονικού Καναλιού (Adjacent channel Interference) Παρεμβολής Ενδοδιαμόρφωσης (Intermodulation Interference) ΟΜΟΚΑΝΑΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ H Ομοκαναλική Παρεμβολή οφείλεται στην επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων αφού υπάρχουν κυψέλες στις οποίες χρησιμοποιούνται οι ίδιες ομάδες συχνοτήτων. Ειδικότερα, η ομοκαναλική παρεμβολή δημιουργείται όταν ο πομποδέκτης ενός Σταθμού Βάσης εκπέμπει σήμα στη ίδια συχνότητα φέροντος με το πομποδέκτη που βρίσκεται σε άλλο Σταθμό Βάσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το εύρος ζώνης του ενός σήματος να καλύπτει το εύρος ζώνης του άλλου. Οι κυψέλες στις οποίες υπάρχει ομοκαναλική παρεμβολή ονομάζονται ομοκαναλικές κυψέλες (cochannel cells). Η διαδικασία εύρεσης των ομοκαναλικών κυττάρων ενός καναλιού είναι η εξής: 1) Επιλογή κυψέλης για την οποία ζητείται η εύρεση των ομοκαναλικών κυττάρων. 2) Μετακίνηση i κυψέλες κατά μήκος οποιασδήποτε αλυσίδας κυψελών. 3) Στο i-οστό κύτταρο γίνεται στροφή 60 ο αριστερόστροφα. 4) Μετακίνηση j κυψέλες κατά μήκος της νέας αλυσίδας κυψελών. 5) Βρέθηκε το j-οστό κύτταρο το οποίο είναι και το ζητούμενο ομοκαναλικό κύτταρο του κύτταρου που επιλέχθηκε στο πρώτο βήμα. Για τις παραμέτρους i και j που χρησιμοποιούνται για την εύρεση των ομοκαναλικών κυψελών αποδεικνύεται ότι: 65

66 Ν = i 2 + ij + j 2 (4.5) Όπου, N: Το μέγεθος του cluster. i, j: Θετικοί ακέραιοι αριθμοί. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζονται τα βήματα εύρεσης των ομοκαναλικών κυττάρων: Σχήμα 4.3.: Απεικόνιση αλγορίθμου εύρεσης ομοκαναλικών κυττάρων. (Πηγή: Ακόμα, ορίζεται ως τάξη (tier) το σύνολο των ομοκαναλικών κυψελών οι οποίες απέχουν σχεδόν την ίδια απόσταση από την κυψέλη στην οποία εξυπηρετείται η εκάστοτε κλήση. Εάν, θεωρηθεί ότι οι κυψέλες έχουν σχήμα εξάγωνου, τότε ο αριθμός των ομοκαναλικών κυψελών στην t-οστή τάξη ισούνται με 6 φορές το t ανεξάρτητα με το μέγεθος του cluster. 66

67 Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζονται ομοκαναλικές κυψέλες 1 ης και 2 ης τάξης: Σχήμα 4.4.: Απεικόνιση ομοκαναλικών κυττάρων 1 ης και 2 ης τάξης. (Πηγή: Η ομοκαναλική παρεμβολή δεν μπορεί να περιοριστεί με την αύξηση της ισχύος του πομπού. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι με την αύξηση της ισχύος του φέροντος σήματος αυξάνονται και οι παρεμβολές στα γειτονικές κυψέλες που χρησιμοποιούν την ίδια ομάδα συχνοτήτων. Για να μειωθεί η ομοκαναλική παρεμβολή πρέπει οι ομοκαναλικές κυψέλες να απέχουν μεταξύ τους κατά μία ελάχιστη απόσταση. Αν το μέγεθος κάθε κυψέλης είναι περίπου το ίδιο και η ομοκαναλική παρεμβολή είναι ανεξάρτητη από την ισχύ του εκπεμπόμενου σήματος τότε ο λόγος της παρεμβολής γίνεται συνάρτηση της ακτίνας της κυψέλης R και της ελάχιστης απόστασης των κέντρων των ομοκαναλικών κυψελών D. Έτσι, ορίζεται ως λόγος της ομοκαναλικής επαναχρησιμοποίησης Q ως εξής: Q = D R = 3N ή D = R 3N (4.6) (4.7) (Κριτήριο ελάχιστης απόστασης επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων) Από την σχέση (4.6) παρατηρείται ότι όσο αυξάνεται το Q, αυξάνεται και η χωρική απόσταση μεταξύ των ομοκαναλικών κυψελών σε σχέση με την απόσταση κάλυψης της κάθε κυψέλης. Αυτό 67

68 σημαίνει ότι με μια μεγάλη τιμή του Q αυξάνεται και η ποιότητα μετάδοσης τους σήματος αφού περιορίζεται η ομοκαναλική παρεμβολή. Για μικρότερη τιμή του Q αυξάνεται η χωρητικότητα του συστήματος. Επομένως, ένας τρόπος περιορισμού της ομοκαναλικής παρεμβολής είναι η αύξηση της απόστασης D των ομοκαναλικών κυψελών. Με την αύξηση αυτής της απόστασης η ισχύς των σημάτων τα οποία προκαλούν την ομοκαναλική παρεμβολή μειώνεται σημαντικά. Η αύξηση όμως αυτή πρέπει να γίνεται με σύνεση, διότι όσο αυξάνεται το D μειώνονται τα διαθέσιμα κανάλιασυχνότητες που είναι καταχωρημένες σε κάθε κυψέλη δηλαδή τα κανάλια τα οποία είναι διαθέσιμα ανά κλήση. Εκτός από αυτή την τεχνική περιορισμού της ομοκαναλικής παρεμβολής υπάρχουν και άλλες τεχνικές οι οποίες περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω: Μείωση του ύψους της κεραίας: Αυτή η τεχνική είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε γεωγραφικές περιοχές πχ με ψηλούς λόφους. Στο σχεδιασμό των κυτταρικών δικτύων λαμβάνεται υπόψιν το ενεργό ύψος της κεραίας έναντι του γεωμετρικού της ύψους. Το ενεργό ύψος της κεραίας αλλάζει ανάλογα με τη θέση του Κινητού Σταθμού σε τέτοιου είδους γεωγραφικό ανάγλυφο. Το ενεργό της ύψος γίνεται μεγαλύτερο από το γεωμετρικό της ύψος όταν τοποθετείται στην κορυφή λόφων. Οπότε, για την ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής μπορεί να χρησιμοποιηθούν κεραίες μικρότερου πραγματικού ύψους χωρίς να επηρεάζεται η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος στην κινητή συσκευή. Σε περιοχές όμως στις οποίες υπάρχουν δέντρα πχ δάση αυτή η τεχνική δεν συνίσταται. Σε αυτή την περίπτωση οι κεραίες πρέπει να έχουν μεγαλύτερο ύψος από τα δέντρα διαφορετικά το σήμα εξασθενεί σε μεγάλο βαθμό τόσο στην περιοχή κοντά στην κεραία όσο και κοντά στα όρια της κυψέλης. Χρήση κατευθυντικών κεραιών: Με την έξυπνη τοποθέτηση κατευθυντικών κεραιών με μικρό εύρος λοβού περιορίζεται η ομοκαναλική παρεμβολή και παράλληλα μπορεί να βελτιωθεί και η χωρητικότητα του συστήματος ακόμα στην περίπτωση αύξησης της συνδρομητικής κίνησης. Χρήση τεχνικών ποικιλομορφίας (diversity schemes) στο δέκτη: Η χρήση ενός diversity scheme στη κεραία του δέκτη είναι επαρκής για το περιορισμό της ομοκαναλικής παρεμβολής αφού κάθε αθέμητη ενέργεια που προκαλεί παρεμβολές στο σήμα που λαμβάνεται στο δέκτη δεν μπορεί να προκαλέσει περαιτέρω παρεμβολή. Για παράδειγμα μπορεί να αξιοποιηθούν diversity schemes στις κεραίες λήψης όπως αυτό του επιλεκτικού συνδυασμού (selection combining). Ο περιορισμός της ομοκαναλικής παρεμβολής έχει ως στόχο και την αύξηση του λόγου φέροντος σήματος προς την παρεμβολή (carrier-to-interference ratio or CIR). O λόγος δίνεται από την εξής σχέση: CIR = C I = Όπου, P β 0d 0 K β k=1 P k d k (4.8) β: Path loss exponent που παίρνει τιμές από 2 έως 4. P 0 : Ισχύς εκπομπής Σταθμού Βάσης. d 0 : Απόσταση Κινητού Σταθμού από Σταθμό Βάσης. P k : Ισχύς εκπομπής Σταθμών Βάσης ομοκαναλικών κυψελών. d k : Απόσταση Σταθμού Βάσης ομοκαναλικής κυψέλης από το Σταθμό Βάσης της κυψέλης η οποία εξετάζεται. 68

69 Στο GSM συνήθως ισχύει CIR 9 db. Επίσης, μελετάται ο λόγος σήματος προς το θόρυβο και παρεμβολή (signal-to-interferenceplus-noise ratio or SINR) που δίνεται από την σχέση: SINR = Όπου, S I+N = S I i=1 I i +N (4.9) S: Η ισχύς του σήματος-φορέα. Ι: Η ισχύς των σημάτων που προκαλούν ομοκαναλική παρεμβολή. Ν: H ισχύς του θορύβου που προστίθεται στο σύστημα. ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Η παρεμβολή γειτονικού καναλιού προκαλείται σε γειτονικές κυψέλες στις οποίες εκχωρούνται συχνότητες λειτουργίας που βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους. Ειδικότερα, γίνεται επικάλυψη του φάσματος της μίας συχνότητας από την άλλη με αποτέλεσμα να δημιουργούνται παρεμβολές στα αντίστοιχα κανάλια του συστήματος. Αυτό οφείλεται κυρίως στην αδυναμία των φίλτρων των πομποδεκτών να ανακόψουν όλες τις συχνότητες οι οποίες διαφεύγουν στα γειτονικά κανάλια. Για την αντιμετώπιση της παρεμβολής γειτονικού καναλιού χρησιμοποιούνται φίλτρα με υψηλή διακριτική ικανότητα τα οποία όμως κοστίζουν ακριβά και η υλοποίηση της συνάρτησης μεταφοράς τους είναι εξαιρετικά δύσκολη. Για αυτούς τους λόγους, η αντιμετώπιση τέτοιου είδους παρεμβολών γίνεται με τη προσεχτική ανάθεση καναλιών στις κυψέλες ώστε να αποφεύγεται η χρήση γειτονικών συχνοτήτων σε γειτονικές κυψέλες. Επίσης, διατηρείται μια ελάχιστη φασματική απόσταση μεταξύ των καναλιών. Σχήμα 4.5.: Παρεμβολή γειτονικού καναλιού. (Πηγή: 69

70 ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ H παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης ανήκει στις παρεμβολές οι οποίες είναι προβλέψιμες και εμφανίζεται στα κυκλώματα εισόδου των δεκτών ή στα κυκλώματα εξόδου των πομπών όταν δύο ή περισσότερα σήματα διέρχονται από ένα μη γραμμικό κύκλωμα. Για παράδειγμα παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης εμφανίζεται στους combiners οι οποίοι συνδέονται ανάμεσα σε πομπό και κεραία στους Σταθμούς Βάσης και στους diplexers οι οποίοι συνδέουν το δέκτη με την κεραία. Συνεπώς, η μη γραμμικότητα ενός κυκλώματος αυξάνει τις συνιστώσες, του συστήματος εξόδου, οι οποίες σχετίζονται μη γραμμικά με τα σήματα εισόδου. Στην περίπτωση που το σήμα αποτελείται από ημιτονοειδής συνιστώσες, οι ανεπιθύμητες συνιστώσες που προκύπτουν στην έξοδο ονομάζονται προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης. Το πλάτος των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης εξαρτάται από τη μη γραμμικότητα του κυκλώματος και από τα πλάτη των σημάτων εξόδου. Όταν στην είσοδο του συστήματος εισέρχονται δύο μόνο σήματα τότε σχηματίζονται προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης στις εξής συχνότητες σύμφωνα με τον τύπο: f k = nf i ± mf j (4.10) όπου n, m: Θετικοί ακέραιοι αριθμοί. f i, f j : Οι συχνότητες των σημάτων εισόδου στο μη γραμμικό κύκλωμα. f k : Συχνότητα στην οποία σχηματίζεται το προϊόν ενδοδιαμόρφωσης στην έξοδο του μη γραμμικού κυκλώματος. Όπως φαίνεται και από την σχέση (4.10) η διέλευση δύο σημάτων από ένα μη γραμμικό σύστημα δημιουργεί νέα σήματα σε συχνότητες οι οποίες είναι το άθροισμα και η διαφορά των σημάτων ή αρμονικών τους. Η τάξη του προϊόντος ενδοδιαμόρφωσης ορίζεται ως: τάξη Π.Ε = n + m (4.11) Από πειραματικές μετρήσεις που έχουν γίνει αποδεικνύεται ότι τα πλάτη των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης μειώνονται καθώς αυξάνεται η τάξη τους. Επιπλέον, μεγαλύτερα προβλήματα στα κυτταρικά δίκτυα δημιουργούν τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης περιττής τάξης τα οποία βρίσκονται συχνά δίπλα ή εντός της περιοχής λειτουργίας. Έτσι κύριος στόχος στο σχεδιασμό του συστήματος κινητών επικοινωνιών είναι η απαλλαγή από προϊόντα 3 ης και 5 ης τάξης. Αν οι φέρουσες συχνότητες των καναλιών είναι κατανεμημένες ομοιόμορφα, δηλαδή είναι διαδοχικές και ισαπέχουν μεταξύ τους, ένα μέρος των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης που δημιουργούνται θα έχουν την ίδια συχνότητα με την συχνότητα των καναλιών και τα υπόλοιπα θα βρίσκονται σε συχνότητες εκτός του φάσματος λειτουργίας. Ο συνολικός αριθμός των προϊόντων που βρίσκονται εκτός ή εντός της ζώνης των φερουσών συχνοτήτων, εξαρτάται από τη μη γραμμικότητα του συστήματος, από το τύπο του προϊόντος και από τον αριθμό των καναλιών που λειτουργούν ταυτόχρονα. 70

71 Στην διπλωματική αυτή θεωρώντας το σύστημα GSM 900 (τις 62 συχνότητες τόσο για το downlink όσο και για το uplink) απεικονίζεται μέσω του προγράμματος MATLAB η κατανομή (τον αριθμό) των προϊόντων της μορφής f k = 2f i f j τόσο για τις συχνότητες του uplink όσο και για τις συχνότητες του downlink. Θεωρείται ότι όλα τα διαθέσιμα κανάλια λειτουργούν ταυτόχρονα και άρα δημιουργείται ο μέγιστος αριθμός προϊόντων. Ο σχεδιαστής του συστήματος είναι σημαντικό να γνωρίζει τον αριθμό των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης που εμφανίζεται σε κάθε κανάλι από την ταυτόχρονη λειτουργία όλων των διαθέσιμων καναλιών. Όσα περισσότερα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης εμφανίζονται σε μια συχνότητα, τόσο αυξάνει ο θόρυβος στην είσοδο του δέκτη η οποία είναι συντονισμένη στη συχνότητα αυτή. Στο παρακάτω σχήμα δίνεται ο αριθμός των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης ανά συχνότητα του downlink band: Σχήμα 4.6.: Αριθμός προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης ανά συχνότητα του downlink band 71

72 Αντίστοιχα δίνεται η γραφική παράσταση του αριθμού των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης ανά συχνότητα του uplink band: Σχήμα 4.7.: Αριθμός προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης ανά συχνότητα του uplink band Για να μειωθούν τα πλάτη το προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης, πρέπει να αυξηθεί η γραμμικότητα. Η γραμμικότητα των combiners και των diplexers εξαρτάται τόσο από την τεχνολογία όσο και από τον αριθμό των σημάτων εισόδου. Αυξανόμενου του αριθμού των εισόδων μειώνεται η γραμμικότητα. Έτσι προτιμώνται κυκλώματα με λιγότερες εισόδους. Η μη γραμμικότητα των συστημάτων αντιμετωπίζεται όμως μέχρι ένα συγκεκριμένο όριο. Επίσης, αρκετές φορές η μέθοδος αυτή δεν είναι αρκετή για την εξάλειψη προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιείται η τεχνική δημιουργίας καταλόγων των οποίων οι συχνότητες είναι απαλλαγμένες από προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης. Αδύναμο σημείο της δημιουργίας τέτοιων λιστών είναι ότι χάνεται ένας μέρος του διαθέσιμου εύρους συχνοτήτων. Ένας αλγόριθμος με τον οποίο επιτυγχάνεται η δημιουργία τέτοιων λιστών είναι αυτός του Charles Mifsud. O αλγόριθμος του Mifsud αποτελεί μια επαναληπτική διαδικασία για την οποία ισχύει: 72

73 f y+w = 2f y + ε w 1 f 1 (4.12) ε w 1 f 1 = f w f 1 (4.13) f w, f 1 : Οι συχνότητες των καναλιών. w, y: Ακέραιοι αριθμοί με 1 w y ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΧΩΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Σημαντικό σημείο της καταχώρησης των συχνοτήτων είναι η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου για την εκχώρηση των συχνοτήτων (Channel Allocation Scheme). H επιλογή της εκάστοτε μεθόδου γίνεται με στόχο την αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος και την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών. Οι μέθοδοι αυτοί διακρίνονται σε 3 κατηγορίες: Σταθερή Εκχώρηση Καναλιού (Fixed Channel Allocation - FCA). Δυναμική Εκχώρηση Καναλιού (Dynamic Channel Allocation - DCA). Υβριδική Εκχώρηση Καναλιού (Hybrid Channel Allocation) η οποία αποτελεί συνδυασμό των δύο παραπάνω μεθόδων. ΣΤΑΘΕΡΗ ΕΚΧΩΡΗΣΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Με αυτή τη μέθοδο κάθε Σταθμός Βάσης της εκάστοτε κυψέλης λαμβάνει ένα υποσύνολο των διαθέσιμων καναλιών. Η καταχώρηση αυτή των συχνοτήτων είναι στατική (δεν μπορεί να αλλάξει) και είναι ανεξάρτητη του αριθμού των συνδρομητών που βρίσκονται σε μια κυψέλη. Για αυτό το λόγο όταν όλα τα διαθέσιμα κανάλια ενός Σταθμού Βάσης χρησιμοποιούνται, οι επιπλέον χρήστες που βρίσκονται στην περιοχή κάλυψης του δεν θα μπορούν να πραγματοποιήσουν κλήσεις, ανεξάρτητα με τον αν υπάρχουν διαθέσιμες συχνότητες στις γειτονικές κυψέλες. Αυτό αποτελεί και το πρόβλημα της Σταθερής Εκχώρησης Καναλιού ιδιαίτερα όταν το συνδρομητικό φορτίο που εξυπηρετείται στους Σταθμούς Βάσης δεν είναι ομοιόμορφο. Έτσι δημιουργούνται φαινόμενα συμφόρησης της κίνησης (traffic congestion) σε ορισμένες κυψέλες ενώ σε άλλες οι ραδιοπόροι του συστήματος μένουν αδρανείς. Για την αποδοτική λειτουργία των FCA συστημάτων τα κανάλια καταχωρούνται με τέτοιο τρόπο ώστε μεγιστοποιείται η επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων. ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΚΧΩΡΗΣΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Η μέθοδος αυτή είναι πιο ευέλικτη από την FCA αλλά δυσκολότερη ως προς την υλοποίηση της. Με βάση τη δυναμική εκχώρηση καναλιού τα διαθέσιμα κανάλια δεν καταχωρούνται στατικά στο Σταθμός Βάσης της κάθε κυψέλης. Με αυτή τη μέθοδο επομένως μειώνεται η πιθανότητα απόρριψης των κλήσεων (blocking probability) και παράλληλα βελτιώνεται η χωρητικότητα του συστήματος αφού όλες οι κυψέλες έχουν πρόσβαση σε όλα τα διαθέσιμα κανάλια. Κάθε φορά που ένας συνδρομητής πραγματοποιεί μια κλήση ο Σταθμός Βάσης που τον εξυπηρετεί κάνει αίτημα στο αντίστοιχο Ψηφιακό Κέντρο Μεταγωγής (MSC) για την εκχώρηση ενός καναλιού. To MSC περιέχει τη λίστα με τα διαθέσιμα κανάλια και εκχωρεί το κανάλι ακολουθώντας έναν αλγόριθμο ο οποίος πρέπει να ικανοποιεί τα εξής κριτήρια: 73

74 Εξετάζεται εάν το κανάλι χρησιμοποιείται ήδη στη συγκεκριμένη κυψέλη ή σε οποιαδήποτε κυψέλη η οποία βρίσκεται σε απόσταση μικρότερη από αυτήν που ορίζει το κριτήριο της ελάχιστης απόστασης επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων. Ακόμα, υπολογίζεται η πιθανότητα απόρριψης της κλήσης (blocking probability) στις γειτονικές κυψέλες. Υπολογίζεται η μέση πιθανότητα απόρριψης κλήσης για όλο το σύστημα. Υπολογίζεται η κατανομή στιγμιαίας κατάληψης του καναλιού (Instantaneous channel occupation distribution) Για να πραγματοποιηθούν αυτές οι εργασίες απαιτείται από το MSC η συλλογή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο που σχετίζονται με την κατανομή της κίνησης και με το Δείκτη Ισχύος Λαμβανόμενου Σήματος (Received Signal Strength Indicator RSSI) για όλα τα κανάλια. Για αυτό το λόγο ένα από τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου, είναι ότι απαιτείται μεγάλη υπολογιστική ισχύς για την πραγματοποίηση αυτών των λειτουργιών. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ο βαθμός τυχαιότητας που υπάρχει στα DCA συστήματα με αποτέλεσμα η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων να μην είναι πάντα η μέγιστη δυνατή. ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΕΚΧΩΡΗΣΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Η υβριδική εκχώρηση καναλιού αποτελεί συνδυασμό των FCA και DCA καναλιών. Αυτό γίνεται κυρίως μέσω της τεχνικής Δανεισμού Καναλιών (Channel Borrowing). Σύμφωνα με την τεχνική αυτή τα κανάλια καταχωρούνται στις κυψέλες όπως και με τη μέθοδο Στατικής Εκχώρησης Καναλιού. Όταν όλα τα διαθέσιμα κανάλια ενός Σταθμού Βάσης χρησιμοποιούνται, ο Σταθμός Βάσης μπορεί να δανειστεί κάποιο κανάλι από τις γειτονικές κυψέλες εφόσον το συγκεκριμένο κανάλι είναι διαθέσιμο (δεν χρησιμοποιείται τη παρούσα χρονική στιγμή) και δεν παραβιάζεται το κριτήριο ελάχιστης απόστασης επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. Σημαντικό πρόβλημα της μεθόδου δανεισμού είναι ότι όταν μια κυψέλη δανείζεται κάποιο κανάλι από την γειτονική κυψέλη, οι υπόλοιπες γειτονικές κυψέλες δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν το ίδιο κανάλι διότι θα αυξάνεται η ομοκαναλική παρεμβολή. Κάποιοι από τους αλγορίθμους Δανεισμού Καναλιών είναι οι εξής: Απλός Δανεισμός (Simple Barrowing): Όταν όλα τα διαθέσιμα κανάλια της κυψέλης χρησιμοποιούνται, γίνεται ο δανεισμός κάποιου καναλιού από γειτονική κυψέλη. Δανεισμός του Πρώτου Διαθέσιμου Καναλιού (Borrow First Available): Χρησιμοποιείται το πρώτο υποψήφιο διαθέσιμο κανάλι που βρίσκεται. Δανεισμός από τον Πλουσιότερο (Borrowing from the Richest): Ο Σταθμός Βάσης δανείζεται κάποιο κανάλι από την κυψέλη με τα περισσότερα διαθέσιμα κανάλια. Βασικός Αλγόριθμος (Basic Algorithm): Με αυτή τη τεχνική λαμβάνονται υπόψιν για δανεισμό κανάλια γειτονικών κυψελών οι οποίες δεν μπορούσαν να δανείσουν προηγουμένως κανάλια. Βασικός Αλγόριθμος με Δυνατότητα Ανακατανομής (Basic Algorithm with Reassignment): Το αίτημα δανεισμού μπορεί να μεταφερθεί από γειτονικό Σταθμό Βάσης στο Σταθμό Βάσης της κυψέλης από την οποία προέρχεται το αίτημα όταν κάποιο από τα κανάλια του απελευθερωθεί. 74

75 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ Η χρήση ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος γίνεται μέσω κλήσεων οι οποίες πραγματοποιούνται από τους συνδρομητές. Η κλήση ορίζεται ως η απαίτηση για σύνδεση στο τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Κατά το σχεδιασμό του κυψελωτού δικτύου απαιτείται ο καθορισμός του κατάλληλου εξοπλισμού ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των συνδρομητών ως προς την εξυπηρέτηση των κλήσεων τους, οι οποίες πρέπει να γίνονται με τον ελάχιστο αριθμό αστοχιών και τη μέγιστη δυνατή ποιότητα υπηρεσίας (QoS Quality of Service). Παράλληλα, το κόστος αγοράς του εξοπλισμού θα πρέπει να βρίσκεται σε ικανοποιητικά πλαίσια και να χρησιμοποιείται με το καλύτερο δυνατό τρόπο. Βάση των παραπάνω το κυτταρικό δίκτυο πρέπει να μπορεί να είναι σε θέση να εξυπηρετήσει την τηλεπικοινωνιακή κίνηση ή το φορτίο κίνησης (traffic load). Ως φορτίο κίνησης α (traffic load) ορίζεται η συνολική διάρκεια όλων των κλήσεων εντός ενός χρονικού διαστήματος που λαμβάνεται ως μονάδα. Οπότε στη διάρκεια της μίας ώρας το φορτίο κίνησης α δίνεται από την σχέση: α (erl) = συνολική διάρκεια κλήσης h (seconds) 3600 (seconds) (4.14) Όπου, h: Η διάρκεια της κλήσης (holding time) η οποία ορίζεται ως το χρονικό διάστημα που διαρκεί μια κλήση. Το φορτίο κίνησης είναι ένα αδιάστατο μέγεθος αλλά προς τιμή του Δανού Μαθηματικού Α.Κ.Erlang μετριέται σε erlang (erl). To φορτίο κίνησης αναφέρεται και ως ένταση της κίνησης (traffic intensity). Αποδεικνύεται ότι αν c o αριθμός των κλήσεων που φθάνουν σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα και h είναι η μέση διάρκεια τους, τότε το φορτίο κίνησης δίνεται από τη σχέση: α = ch (erl) (4.15) Το φορτίο κίνησης που εξυπηρετείται από ένα κανάλι ισούται με την πιθανότητα αυτό το κανάλι να είναι κατειλημμένο και άρα ένα κανάλι μπορεί να μεταφέρει το πολύ 1 erlang. Επίσης, το φορτίο κίνησης που διεκπεραιώνεται από μια ομάδα καναλιών είναι ισοδύναμο με το μέσο αριθμό των κατειλημμένων καναλιών αυτής της ομάδας. Για Ν συνδρομητές το φορτίο κίνησης θα δίνεται από τη σχέση: α = Nch (erl) (4.16) Για την εξυπηρέτηση των συνδρομητών σε ένα τηλεπικοινωνιακό δίκτυο χρησιμοποιείται η διαδικασία της συγκέντρωσης (trunking). Η διαδικασία αυτή επιτρέπει την εξυπηρέτηση μεγάλου αριθμού συνδρομητών με τη χρήση των διαθέσιμων καναλιών τα οποία είναι συγκεκριμένα σε αριθμό εκμεταλλευόμενη της στατιστικής φύσης των κλήσεων. Η τηλεπικοινωνιακή κίνηση αλλάζει ανάλογα την ημέρα, την ώρα της ημέρας, την εποχή, τη περιοχή εφαρμογής του δικτύου και άλλα. Ο υπολογισμός του αριθμού των καναλιών γίνεται συνήθως κατά τη διάρκεια της ώρας αιχμής 75

76 (busy hour), δηλαδή κατά το χρονικό διάστημα της ημέρας στο οποίο ο αριθμός των κλήσεων που δέχεται το σύστημα είναι μέγιστος. Για να επιτευχθεί αυτό ο εκάστοτε τηλεπικοινωνιακός οργανισμός καταγράφει το φορτίο κίνησης σε καθημερινή βάση. Όταν όλα τα κανάλια του τηλεπικοινωνιακού δικτύου είναι κατειλημμένα το σύστημα δεν μπορεί να δεχτεί άλλες κλήσεις, δηλαδή υπάρχει συμφόρηση (congestion). Σε αυτή την περίπτωση κάποιο ποσοστό της προσφερόμενης κίνησης (offered traffic) στο δίκτυο χάνεται (lost traffic). Έτσι για την διεκπεραιωμένη κίνηση (carried traffic) ισχύει ότι: Διεκπεραιωμένη κίνηση = Προσφερόμενη κίνηση κίνηση που χάνεται (4.17) Το ποσοστό των κλήσεων που χάνονται λόγω της συμφόρησης αποτελεί έναν από τους δείκτες ποιότητας της υπηρεσίας (QoS) και ονομάζεται βαθμός εξυπηρέτησης (Grade of Service GoS). Ορίζεται ως εξής (συνήθως σε ποσοστό επί τοις %): GoS = Συνολικός αριθμός χαμένων κλήσεων Συνολικός αριθμός κλήσεων = lost traffic offered traffic (4.18) Ο συγκεκριμένος δείκτης συνδέεται άμεσα με τον αριθμό των καναλιών που διαθέτει η κάθε κυψέλη. Όταν τα διαθέσιμα κανάλια δεν είναι αρκετά για την εξυπηρέτηση της απαιτούμενης συνδρομητικής κίνησης δημιουργείται συμφόρηση. Ο βαθμός εξυπηρέτησης συνδέεται και με έναν άλλο δείκτη του QoS, την πιθανότητα ολικής κάλυψης (Blocking Probability). H πιθανότητα ολικής κατάληψης εκφράζει το ποσοστό των κλήσεως επί τοις % οι οποίες απορρίπτονται από το σύστημα. Συνήθεις τιμές του blocking probability στο GSM είναι 2% ή 3%. Οι δυο αυτοί δείκτες είναι πανομοιότυποι. Όσο πιο μικρό είναι το blocking probability τόσο περισσότεροι πόροι του συστήματος παραμένουν αδρανείς σε περιόδους στις οποίες το φορτίο κίνησης είναι μικρό, δηλαδή γίνεται σπατάλη του επιπλέον εξοπλισμού. Αντίθετα, όσο πιο μεγάλο είναι το blocking probability απορρίπτονται περισσότερες κλήσεις και μειώνεται η ποιότητα της υπηρεσίας. Αν για ένα σύστημα ισχύουν τα παρακάτω: Δεν έχει ουρά αναμονής για την εξυπηρέτηση των απορριφθέντων κλήσεων Η διαδικασία άφιξης των κλήσεων είναι Poisson Η διάρκεια της κλήσης (κατά την οποία το κανάλι είναι κατειλημμένο) αυξάνεται εκθετικά Τότε η πιθανότητα ολικής κατάληψης δίνεται από τη σχέση Erlang B η οποία είναι: P b = όπου, A m m! m Ai i=0 i! (4.19) m: Ο αριθμός των καναλιών της κάθε κυψέλης. Α: Η συνολική προσφερόμενη κίνηση. 76

77 Με βάση την συνολική προσφερόμενη κίνηση και την επιθυμητή πιθανότητα ολικής κάλυψης ο μηχανικός σχεδιασμού του κυτταρικού δικτύου μπορεί να υπολογίσει τον αριθμό τον απαιτούμενων καναλιών. Αυτό μπορεί να γίνει με τη χρήση ειδικών πινάκων που προκύπτουν από την σχέση Erlang B. Ένας τέτοιος πίνακας δίνεται παρακάτω. Κατακόρυφα δίνεται ο αριθμός των καναλιών Ν και οριζόντια η τιμή του blocking probability. Στο εσωτερικό του πίνακα φαίνονται οι τιμές του φορτίου κίνησης. Εικόνα 4.8.: Πίνακας αντιστοίχισης συνδρομητικού φορτίου με αριθμό καναλιών για διάφορες τιμές του blocking probability Erlang B 77

78 4.5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκαν οι βασικές έννοιες για το σχεδιασμό του κυψελοειδούς δικτύου όπως είναι η δομή των κυψελών και το πως είναι διατεταγμένα τα κεραιοσυστήματα των Σταθμών Βάσης στις κυψέλες. Επίσης, αναλύθηκαν τα βήματα για την διαχείριση των ραδιοπόρων και των συχνοτήτων. Η διαχείριση των συχνοτήτων συμπεριλαμβάνει τον περιορισμό των διάφορων κατηγοριών των παρεμβολών που αναλύθηκαν στο κεφάλαιο και την επιλογή του κατάλληλου αλγορίθμου για την εκχώρηση των καναλιών στις κυψέλες. Με αυτό το τρόπο αυξάνεται και η χωρητικότητα του συστήματος. Ένας από τους στόχους για το σχεδιασμό του δικτύου αποτελεί η εξυπηρέτηση του φορτίου κίνησης ώστε να παρέχονται στους συνδρομητές ποιοτικές υπηρεσίες. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΑΥΤΟΥ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 5.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται μια προσομοίωση ενός κυτταρικού δικτύου κινητών επικοινωνιών η οποία βασίζεται στο πρότυπο GSM 900 για το νομό Θεσσαλονίκης. Η προσομοίωση του συστήματος επικεντρώνεται στην κατερχόμενη ζεύξη (downlink). Για το σχεδιασμό του συστήματος γίνεται η διαίρεση του νομού Θεσσαλονίκης σε αστικές (urban), ημιαστικές (suburban) και ανοιχτές (open - semirural) περιοχές ανάλογα με τον πληθυσμό (συνδρομητές) και την πυκνότητα πληθυσμού. Για κάθε περιοχή γίνεται η βέλτιστη διαχείριση ραδιοπόρων με βάση το συνδρομητικό φορτίο κίνηση και υπολογίζονται οι ηλεκτρικοί παράμετροι του συστήματος. Επίσης, με την επιλογή κάθε φορά του κατάλληλου μοντέλου ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης όπως αυτά παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 3, υπολογίζεται η ισχύς εκπομπής του Σταθμού Βάσης της εκάστοτε περιοχής. Με βάση τα παραπάνω πραγματοποιείται και η διαστασιολόγηση του δικτύου δηλαδή υπολογίζεται ο αριθμός των επιμέρους συστημάτων όπως είναι οι Σταθμοί Βάσης, οι πομποδέκτες, οι Ελεγκτές των Σταθμών βάσης και άλλα. Τέλος, παρουσιάζονται και αναλύονται τα συνολικά αποτελέσματα της προσομοίωσης ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΟ ΑΝΑΓΛΥΦΟ ΝΟΜΟΥ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΟΥ Σε αυτή την διπλωματική επιλέχθηκε ως περιοχή κάλυψης για την εφαρμογή του κυψελοειδούς κινητών επικοινωνιών ο νομός Θεσσαλονίκης. Με σκοπό την ακριβέστερη προσομοίωση και για την εξαγωγή αποτελεσμάτων τα οποία θα ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα έγινε η διαίρεση του νομού σε αστικές, ημιαστικές και ανοιχτές περιοχές. Η διαχωρισμός αυτός έγινε με βάση τον πληθυσμό, την έκταση, το γεωγραφικό ανάγλυφο και την πληθυσμιακή πυκνότητα της κάθε 78

79 περιοχής ώστε ο υπολογισμός του συνδρομητικού φορτίου και η κάλυψη της περιοχής με κυψέλες να είναι πιο ακριβής. Σύμφωνα με την Εθνική Στατιστική Υπηρεσία ο νομός Θεσσαλονίκης βάση της απογραφής του 2011 έχει πληθυσμό κατοίκους και έκταση km 2. Στις παρακάτω εικόνες παρουσιάζεται ο νομός Θεσσαλονίκης (κόκκινο περίγραμμα) σε μορφή χάρτη και ανάγλυφου. Εικόνα 5.1.: Χάρτης του Νομού Θεσσαλονίκης Εικόνα 5.2.: Γεωγραφικό ανάγλυφο νομού Θεσσαλονίκης 79

80 Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα ονόματα, ο πληθυσμός και η έκταση των περιοχών (σύμφωνα με την απογραφή του 2011 της Εθνικής Στατιστικής Υπηρεσίας) στις οποίες χωρίστηκε ο νομός για την μοντελοποίηση του συστήματος. Αυτές διακρίνονται σε 1 αστική (urban), 3 ημιαστικές (suburban) και 1 ανοιχτή (open semirural) περιοχή. Πίνακας 5.1.: Περιοχές Σχεδίασης ΤΥΠΟΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΠΛΗΘΥΣΜΟΣ ΕΚΤΑΣΗ (km 2 ) Δήμο Θεσσαλονίκης Urban Δήμο Καλαμαριάς Δήμο Αμπελοκήπων - Μενεμένης Δήμο Νεάπολης - Συκεών Δήμο Κορδελιού - Ευόσμου Δήμο Παύλου Μελά Suburban Δήμο Θερμαϊκού Suburban Δήμο Πυλαίας - Χορτιάτη Suburban Δήμο Ωραιοκάστρου Open-Semirural Δήμο Δέλτα Δήμο Θέρμης Δήμο Βόλβης Δήμο Λαγκαδά Δήμο Χαλκηδόνας Στη συνέχεια για την προσομοίωση του συστήματος γίνεται η εφαρμογή του δικτύου και ο υπολογισμός των παραμέτρων ξεχωριστά για κάθε περιοχή. To συνδρομητικό φορτίο της κάθε περιοχής θεωρείται ομοιόμορφο. Στις παρακάτω ενότητες γίνεται ο σχεδιασμός και η προσομοίωση του δικτύου για την downlink ζεύξη του συστήματος ΔΗΜΟΣ ΘΕΡΜΑΪΚΟΥ Ο δήμος Θερμαϊκού όπως αναφέρθηκε έχει πληθυσμό κατοίκων σύμφωνα με την απογραφή του 2011 της Εθνικής Στατιστικής Υπηρεσίας. Επίσης, ο δήμος καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται η περιοχή κάλυψης για το δήμο Θερμαϊκού. 80

81 Εικόνα 5.3.: Χάρτης του δήμου Θερμαϊκού ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Θεωρώντας ότι όλοι οι κάτοικοι του δήμου Θερμαϊκού είναι συνδρομητές ή θα γίνουν συνδρομητές στο άμεσο μέλλον του υπό σχεδιασμό δικτύου τότε το συνολικό φορτίο κίνησης θα δίνεται από την σχέση (4.16) του κεφαλαίου 4. Οπότε ισχύει: a = Nch 3600 όπου, Ν: Ο συνολικός αριθμός των συνδρομητών. c: O αριθμός κλήσεων του κάθε συνδρομητή στη διάρκεια μίας ώρας. h: Η μέση διάρκεια της κλήσης του κάθε συνδρομητή. Για N=50264 και θεωρώντας c=1 και h=108 δευτερόλεπτα (τιμές που ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα) τότε το συνδρομητικό φορτίο είναι: a = = erl 81

82 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Βήμα της διαστασιολόγησης του δικτύου με βάση την χωρητικότητα αποτελεί ο υπολογισμός των επιμέρους φυσικών καναλιών τα οποία θα καλύπτουν τις ανάγκες τον συνδρομητών. Με τη χρήση του κώδικα MATLAB που έχει υλοποιηθεί σύμφωνα με τη σχέση Erlang-B υπολογίζεται ο αριθμός των καναλιών αυτών. Για την εκτέλεση του κώδικα επιλέγεται ένα Blocking Probability το οποίο είναι ίσο με 3%. Οπότε για φορτίο κίνησης erl απαιτούνται 1487 κανάλια. Επόμενο βήμα για την διαστασιολόγηση του επιμέρους δικτύου είναι ο υπολογισμός των κυψελών οι οποίες θα καλύπτουν ηλεκτρομαγνητικά την περιοχή και το αντίστοιχο εμβαδό τους. Σύμφωνα με τα πρότυπα του GSM 900 η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης η οποία χρησιμοποιείται είναι η TDMA/FDMA. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική η κάθε συχνότητα αντιστοιχεί σε 8 κανάλια και επομένως για την κάλυψη των συνδρομητικών αναγκών για την περιοχή του δήμου Θερμαϊκού απαιτούνται 1487 = δηλαδή 186 συχνότητες. 8 Αυτές οι συχνότητες αντιστοιχίζονται στις κυψέλες κάλυψης της γεωγραφικής περιοχής. Στην Ελλάδα το φάσμα των συχνοτήτων για το GSM 900 μοιράζεται σε 2 παρόχους, οπότε σε κάθε πάροχο αντιστοιχούν οι 62 από τις 124 συχνότητες του φάσματος. Για την συγκεκριμένη προσομοίωση χρησιμοποιείται μοτίβο επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων ( 4 ). Αυτό σημαίνει 12 ότι το κάθε cluster αποτελείται από 12 κυψέλες (όλες οι διαθέσιμες συχνότητες διαιρούνται σε 12 κυψέλες) και ότι σε κάθε cluster υπάρχουν 4 Σταθμοί Βάσης με τα κατάλληλα κεραιοσυστήματα o καθένας από τους οποίους τοποθετείται στο αντίστοιχο σημείο επαφής μια τριάδας κυψελών. Οπότε σε κάθε cluster αντιστοιχούν 62 συχνότητες, δηλαδή οι 62 συχνότητες μοιράζονται στις 12 κυψέλες. Αντίστοιχα, αφού για την κάλυψη του δήμου Θερμαϊκού απαιτούνται 186 συχνότητες, τότε ο αριθμός των κυψελών που προκύπτει θα είναι περιοχής είναι km 2 οπότε κάθε κυψέλη θα έχει εμβαδόν E = m 2. = 36 κυψέλες. Η έκταση της Εμβαδον περιοχής = = Αριθμός κυψελων 36 Θεωρώντας ότι η κυψέλη έχει σχήμα εξάγωνου τότε το εμβαδόν της E θα δίνεται από την σχέση: Ε=1.5 3R 2 (5.1) όπου R η ακτίνα της κυψέλης η οποία αντιστοιχεί στη μεγίστη απόσταση η οποία καλύπτεται ηλεκτρομαγνητικά από το κεραιοσύστημα του εκάστοτε Σταθμού Βάσης. Οπότε λύνοντας τη σχέση ως προς R υπολογίζεται ότι η ακτίνα της κάθε κυψέλης θα είναι R = m. 82

83 ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ Ο δήμος Θερμαϊκού όπως αναφέρθηκε έχει πληθυσμό κατοίκων και καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Επομένως βάση της πυκνότητας πληθυσμού η οποία είναι κάτοικοι/ km 2 η περιοχή χαρακτηρίζεται ως ημιαστική. Για αυτό το λόγο και εξετάζοντας το γεωγραφικό ανάγλυφο της περιοχής επιλέγεται ως μοντέλο για την ηλεκτρομαγνητικής της κάλυψη, το μοντέλο Hata Suburban. To μοντέλο αυτό εφαρμόζεται για την εκτίμηση των απωλειών στο διάστημα συχνοτήτων λειτουργίας από 150 MHz 1500 MHz, με ύψος κεραίας Σταθμού Βάσης από 30 m 200 m και για αποστάσεις από 1 km 20 km. Στη περίπτωση του δήμου Θερμαϊκού πληρούνται και οι τρεις αυτές προϋποθέσεις. Επόμενο βήμα του σχεδιασμού είναι ο υπολογισμός της απαιτούμενης ισχύος (link budget) P t της κεραίας εκπομπής. Από τον ισολογισμό της ισχύος προκύπτει ότι το P t δίνεται από την εξής σχέση: P t = L model + L coaxial + P r G t G r (5.2) όπου, L model : Οι απώλειες στο χώρο (Path Loss) που υπολογίζονται μέσω του κατάλληλου μοντέλου που εφαρμόζεται σε κάθε περιοχή. L coaxial : Οι απώλειες των ομοαξονικών καλωδίων που συνδέουν τις κεραίες των Σταθμών Βάσης με τους αντίστοιχους πομποδέκτες. G t : To κέρδος της κεραίας του πομπού. G r : Το κέρδος της κεραίας του δέκτη. P r : H ισχύς λήψης στο δέκτη. Η P r δεν εξαρτάται μόνο από την στάθμη ευαισθησίας του δέκτη (Mobile Sensitivity MS) αλλά και από άλλες παραμέτρους όπως είναι το περιθώριο διαλείψεων Rayleigh RF margin, το περιθώριο παρεμβολών IF margin και το περιθώριο που αντισταθμίζει τις απώλειες που οφείλονται στην μερική απορρόφηση ενέργειας από το ανθρώπινο σώμα BL (Body Loss). Επομένως σύμφωνα με τις προδιαγραφές του GSM 900 το P r υπολογίζεται ως εξής: P r = MS + RF margin + IF margin + BL = = -91 dbm (5.3) Για την εφαρμογή του μοντέλου Hata Suburban μετά από έρευνα επιλέχθηκαν οι εξής τιμές των παραμέτρων του μοντέλου οι οποίες χρησιμοποιούνται και στα μοντέλα κάλυψης των επόμενων περιοχών της προσομοίωσης του δικτύου: Το κέρδος των κεραιών του πομπού στους Σταθμούς Βάσης που χρησιμοποιούνται είναι ίσα με G t = 8 db. Το κέρδος των κεραιών των φορητών συσκευών είναι G r = 10log(1.2). To ύψος της κεραίας της φορητής συσκευής θεωρείται ίσο με 1.6 m και το ύψος των κεραιών στους Σταθμούς Βάσης ισούται με 30 m. 83

84 Οι απώλειες του ομοαξονικού καλωδίου είναι ίσες με 0.1 db ανά 100 m. Αρά οι απώλειες του ομοαξονικού καλωδίου στις κεραίες των Σταθμών Βάσης που έχουν ύψος 30 m θα είναι 0.03 db. Συχνότητα λειτουργίας του GSM 900 είναι τα 900 MHz. Απόσταση κάλυψης του Σταθμού Βάσης θεωρείται η ακτίνα της εκάστοτε κυψέλης. Με την εφαρμογή κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο παράρτημα υπολογίζεται η ισχύς εκπομπής P t των Σταθμών Βάσης για κάθε γεωγραφική περιοχή. Για την περιοχή του δήμου Θερμαϊκού προκύπτει ότι η ισχύς εκπομπής ισούται με P t = dbm = W ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Όπως αναφέρθηκε παραπάνω στην συγκεκριμένη προσομοίωση χρησιμοποιείται η τεχνολογία GSM 900 με μοτίβο επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων ( 4 ). Κάθε cluster 12 αποτελείται από 12 κυψέλες. Σε κάθε cluster αντιστοιχούν 62 συχνότητες, δηλαδή οι 62 συχνότητες μοιράζονται στις 12 κυψέλες. Στο GSM 900 η κατερχόμενη και η ανερχόμενη ζεύξη έχουν εύρος 25 MHz η κάθε μία και αποτελούνται από 124 κανάλια συχνοτήτων εύρους 200 ΚHz το καθένα. Η κατερχόμενη ζεύξη η οποία σχεδιάζεται θα έχει 62 συχνότητες οι οποίες καλύπτουν το εύρος από MHz έως MHz. Oι συχνότητες αυτές υπολογίζονται σύμφωνα με τον Absolute Radio Frequency Channel Number (ARFCN). Σύμφωνα με τον ARFCN οι συχνότητες της κατερχόμενης ζεύξης θα δίνονται από τον τύπο: Συχνότητες downlink = ARFCN όπου ARFCN=1,2,3,,62 (5.4) Επομένως F1=935.2, F2=935.4,, F62=947.4 ΜΗz Για την εκχώρηση των συχνοτήτων στις κυψέλες εφαρμόζεται η τεχνική Σταθερής Εκχώρησης Καναλιού (Fixed Channel Allocation - FCA) και οριζόντια σάρωση. Οι 12 κυψέλες του cluster ονομάζονται ως Α1,Β1,C1,D1,Α2,Β2,C2,D2,Α3,Β3,C3,D3. Συνοψίζοντας, οι 12 κυψέλες του cluster με τις 62 συχνότητες δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.2.: Συχνότητες των κυψελών σχεδιασμού A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F61 F62 84

85 Και σύμφωνα με τον Absolute Radio Frequency Channel Number προκύπτει ο πίνακας: Πίνακας 5.3.: Συχνότητες των κυψελών σχεδιασμού σύμφωνα με ARFCN A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D Για την κάλυψη του δήμου Θερμαϊκού απαιτούνται 36 κυψέλες και συνολικά 186 συχνότητες. Επομένως, αφού το cluster αποτελείται από 12 κυψέλες στις οποίες εκχωρούνται 62 συχνότητες για την πλήρη κάλυψη της περιοχής θα χρησιμοποιηθεί το cluster 3 φορές. Αναλυτικότερα, ο συνολικός αριθμός συχνοτήτων και αντίστοιχα ο συνολικός αριθμός των κυψελών είναι: 3 62 = 186 συχνότητες 3 12 = 36 κυψέλες Για να είναι όμως ορθή η καταχώρηση των συχνοτήτων πρέπει να αντιμετωπίζονται και οι παρεμβολές οι οποίες υπάρχουν στο κυτταρικό δίκτυο ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ Η ορθή διαχείριση των συχνοτήτων απαιτεί και την αντιμετώπιση των παρεμβολών. Σημαντικές παρεμβολές όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο είναι η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης, η παρεμβολή γειτονικού καναλιού και η ομοκαναλική παρεμβολή. ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Τα πλάτη των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης μειώνεται καθώς αυξάνεται η τάξη τους. Επιπλέον, μεγαλύτερα προβλήματα στα κυτταρικά δίκτυα δημιουργούν τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης περιττής τάξης τα οποία βρίσκονται συχνά δίπλα ή εντός της περιοχής λειτουργίας. Έτσι κύριος στόχος στο σχεδιασμό των συχνοτήτων του κυτταρικού δικτύου είναι η απαλλαγή από προϊόντα 3 ης. Σύμφωνα με τον τύπο του Mifsud τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται στις εξής συχνότητες: Πίνακας 5.4.: Συχνότητες εμφάνισης προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης Συχνότητα Εμφάνισης Αριθμός Κυψέλης Προϊόντων Ενδοδιαμόρφωσης 3 ης Τάξης Κυψέλη = 25 85

86 Κυψέλη = 26 Κυψέλη = 27 Κυψέλη = 28 Κυψέλη = 29 Κυψέλη = 30 Κυψέλη = 31 Κυψέλη = 32 Κυψέλη = 33 Κυψέλη = 34 Κυψέλη = 35 Κυψέλη = 36 Όπως φαίνεται στον παραπάνω πίνακα τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται στις συχνότητες της 3 ης γραμμής του πίνακα συχνοτήτων δηλαδή στις συχνότητες F25,F26,F27,F28,F29,F30,F31,F32,F33,F34,F35,F36. Επίσης, προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται και στις συχνότητες F61 και F62. Η απαλλαγή από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης γίνεται αντιμεταθέτοντας κατοπτρικά αυτές τις συχνότητες οπότε προκύπτουν οι εξής πίνακες: Πίνακας 5.5.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F61 F62 Πίνακας 5.6.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών σύμφωνα με ARFCN A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D

87 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΟΜΟΚΑΝΑΛΙΚΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ Για τον περιορισμό της ομοκαναλικής παρεμβολής πρέπει να τηρείται το κριτήριο της ελάχιστης απόστασης επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4. Οπότε, η ελάχιστη απόστασης μεταξύ των κέντρων των ομοκαναλικών κυψελών D δίνεται από τη σχέση: D = R 3N (5.5) όπου R η ακτίνα της κυψέλης της περιοχής και N=12 για το μοτίβο επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων ( 4 ). Άρα για την περιοχή του δήμου Θερμαϊκού το D= m. Επίσης για το 12 GSM 900 ο λόγος φέροντος σήματος προς την παρεμβολή (carrier-to-interference ratio or CIR) πρέπει να είναι CIR 9 db ώστε η ποιότητα της επικοινωνίας να είναι ικανοποιητική. ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Για τον περιορισμό των παρεμβολών γειτονικού καναλιού γίνεται με την προσεκτική καταχώρηση των καναλιών στις κυψέλες ώστε να μην εκχωρούνται σε γειτονικές κυψέλες συχνότητες λειτουργίας που βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους. Στην περίπτωση αυτής της προσομοίωσης οι συχνότητες εκχωρήθηκαν στις κυψέλες με οριζόντια σάρωση, δηλαδή τα κελιά του πίνακα συμπληρώθηκαν με τη σειρά ξεκινώντας από το πρώτο κελί και συνεχίζοντας οριζόντια στο δίπλα κτλ. Όπως φαίνεται από τον πίνακα 5.5 η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων γειτονικών κυψελών είναι τα 200 KHz. Επίσης η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων της ίδιας κυψέλης είναι τα 1.2 ΜΗz. Για καλύτερη αντιμετώπιση των παρεμβολών γειτονικού καναλιού μπορεί να χρησιμοποιηθούν ειδικά φίλτρα τα οποία όμως κοστίζουν αρκετά και επιβαρύνουν το προϋπολογισμό της σχεδίασης ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ Σε αυτό το κεφάλαιο υπολογίζεται ο αριθμός του εξοπλισμού του δικτύου και ειδικά των υποσυστημάτων τα οποία απαρτίζουν το επίπεδο του Ραδιοδικτύου για την περιοχή του δήμου Θερμαϊκού. Αναλυτικότερα, υπολογίζονται ο αριθμός των Σταθμών Βάσης BTS, o αριθμός των Ελεγκτήρων των Σταθμών Βάσης BSCs, ο αριθμός των κεραιών, ο αριθμός των πομποδεκτών καθώς και ο αριθμός των combiners και των diplexers. Όπως αναφέρεται παραπάνω κάθε Σταθμός Βάσης τοποθετείται στο σημείο επαφής τριών κυψελών, οπότε ανά 3 κυψέλες υπάρχει ένας Σταθμός Βάσης. Κάθε Σταθμός Βάσης διαθέτει 3 κατευθυντικές sector κεραίες οι οποίες καλύπτουν ηλεκτρομαγνητικά καθεμία από τις 3 αυτές κυψέλες. Επομένως ο αριθμός των κεραιών είναι ίσος με τον αριθμό των κυψελών κάλυψης της περιοχής. Ο αριθμός των πομποδεκτών θα είναι ίσος με τον συνολικό αριθμό συχνοτήτων που καταχωρούνται στις κυψέλες. Ο αριθμός των combiners και των diplexers εξαρτάται από τον αριθμό των εισόδων και τον αριθμό των εξόδων τους αντίστοιχα. Τέλος, γίνεται η θεώρηση ότι κάθε ελεγκτήρας Σταθμού Βάσης ελέγχει 2 Σταθμούς Βάσης. Σύμφωνα με τον κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο Παράρτημα, υπολογίζεται ο αριθμός των παραπάνω υποσυστημάτων για το δήμο Θερμαϊκού. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. 87

88 Πίνακας 5.7.: Αριθμοί υποσυστημάτων για το δήμο Θερμαϊκού. Σταθμοί Βάσης 12 BTS Κεραίες 36 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης 6 BSC Πομποί 186 Δέκτες 186 Combiners 150 Diplexers ΔΗΜΟΣ ΠΥΛΑΙΑΣ - ΧΟΡΤΙΑΤΗ Ο δήμος Πυλαίας-Χορτιάτη όπως αναφέρθηκε έχει πληθυσμό κατοίκων σύμφωνα με την απογραφή του 2011 της Εθνικής Στατιστικής Υπηρεσίας. Επίσης, ο δήμος καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται η περιοχή κάλυψης για το δήμο Πυλαίας-Χορτιάτη τόσο σε μορφή χάρτη όσο και σε μορφή γεωγραφικού ανάγλυφου. Εικόνα 5.4.: Χάρτης του δήμου Πυλαίας-Χορτιάτη 88

89 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Θεωρώντας ότι όλοι οι κάτοικοι του δήμου Πυλαίας-Χορτιάτη είναι συνδρομητές ή θα γίνουν συνδρομητές στο άμεσο μέλλον του υπό σχεδιασμό δικτύου τότε το συνολικό φορτίο κίνησης θα δίνεται από την σχέση (4.16) του κεφαλαίου 4. Για N=70110 (πληθυσμός δήμου Πυλαίας- Χορτιάτη) και θεωρώντας c=1 και h=108 δευτερόλεπτα (τιμές που ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα) τότε το συνδρομητικό φορτίο για το δήμο είναι: a = = erl ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Με τη χρήση του κώδικα MATLAB που έχει υλοποιηθεί σύμφωνα με τη σχέση Erlang-B υπολογίζεται ο αριθμός των απαιτούμενων καναλιών για τη σχεδίαση. Για την εκτέλεση του κώδικα επιλέγεται ένα Blocking Probability το οποίο είναι ίσο με 3%. Οπότε για φορτίο κίνησης erl απαιτούνται 2066 κανάλια. Σύμφωνα με τα πρότυπα του GSM 900 η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης η οποία χρησιμοποιείται είναι η TDMA/FDMA. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική η κάθε συχνότητα αντιστοιχεί σε 8 κανάλια και επομένως για την κάλυψη των συνδρομητικών αναγκών για την περιοχή του 2066 δήμου Πυλαίας-Χορτιάτη απαιτούνται = δηλαδή 259 συχνότητες. Για την 8 συγκεκριμένη προσομοίωση χρησιμοποιείται μοτίβο επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων ( 4 12 ). Επομένως, αφού για την κάλυψη του δήμου Πυλαίας-Χορτιάτη απαιτούνται 259 συχνότητες, τότε ο αριθμός των κυψελών που προκύπτει θα είναι = 51 κυψέλες. 62 Η έκταση της περιοχής είναι km 2 οπότε κάθε κυψέλη θα έχει εμβαδόν: E = Εμβαδον περιοχής = = m 2. Αριθμός κυψελων 51 Οπότε λύνοντας τη σχέση (5.1) ως προς R υπολογίζεται ότι η ακτίνα της κάθε κυψέλης θα είναι R = m. 89

90 ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ Ο δήμος Πυλαίας-Χορτιάτη όπως αναφέρθηκε έχει πληθυσμό κατοίκων και καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Επομένως βάση της πυκνότητας πληθυσμού η οποία είναι κάτοικοι/km 2 η περιοχή χαρακτηρίζεται ως ημιαστική. Για αυτό το λόγο και εξετάζοντας το γεωγραφικό ανάγλυφο της περιοχής επιλέγεται ως μοντέλο για την ηλεκτρομαγνητικής της κάλυψη, το μοντέλο Hata Suburban. Επόμενο βήμα του σχεδιασμού είναι ο υπολογισμός της απαιτούμενης ισχύος (link budget) P t της κεραίας εκπομπής. Για την εφαρμογή του μοντέλου Hata Suburban επιλέχθηκαν οι τιμές των παραμέτρων του μοντέλου οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν και στην προηγούμενη περιοχή. Με την εφαρμογή κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο παράρτημα υπολογίζεται η ισχύς εκπομπής P t των Σταθμών Βάσης για κάθε γεωγραφική περιοχή. Για την περιοχή του δήμου Πυλαίας-Χορτιάτη προκύπτει ότι η ισχύς εκπομπής ισούται με P t = dbm = W ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Για την καταχώρηση των συχνοτήτων για το δήμο Πυλαίας-Χορτιάτη ακολουθείται η ίδια διαδικασία με αυτή που εφαρμόστηκε στην προηγούμενη περιοχή. Για την κάλυψη του δήμου Πυλαίας-Χορτιάτη απαιτούνται 51 κυψέλες και συνολικά 259 συχνότητες. Για την κάλυψη της περιοχής θα χρησιμοποιηθεί ένα cluster στο οποίο καταχωρούνται οι 61 από τις 62 συχνότητες (εξοικονόμηση της συχνότητας F62 η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε άλλη περιοχή) 4 φορές και άλλες 3 κυψέλες καθεμιά από τις οποίες διαθέτουν 5 συχνότητες. Επομένως, αφού το cluster αποτελείται από 12 κυψέλες στις οποίες εκχωρούνται 61 συχνότητες και προστίθενται άλλες 3 κυψέλες των 5 συχνοτήτων η κάθε μια, τότε ο συνολικός αριθμός συχνοτήτων και αντίστοιχα ο συνολικός αριθμός των κυψελών είναι: = 259 συχνότητες = 51 κυψέλες Συνοψίζοντας, οι 12 κυψέλες του cluster με τις 61 συχνότητες δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.8.: Συχνότητες των κυψελών σχεδιασμού A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F61 90

91 Οι 3 κυψέλες που προστίθενται, επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην χρησιμοποιούνται σε γειτονικές περιοχές για να περιορίζεται τόσο η ομοκαναλική παρεμβολή όσο και η παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Η επιλογή των κυψελών αυτών και ο τελικός σχεδιασμός των συχνοτήτων με βάση την αντιμετώπιση των παρεμβολών παρουσιάζεται στην ακόλουθη ενότητα ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ Η ορθή διαχείριση των συχνοτήτων απαιτεί και την αντιμετώπιση των παρεμβολών. Σημαντικές παρεμβολές όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο είναι η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης, η παρεμβολή γειτονικού καναλιού και η ομοκαναλική παρεμβολή. ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Σύμφωνα με τον τύπο του Mifsud τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται στις συχνότητες της 3 ης γραμμής του πίνακα 5.7 των συχνοτήτων. Επίσης, προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται και στην συχνότητα F61. Η απαλλαγή από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης γίνεται αντιμεταθέτοντας κατοπτρικά αυτές τις συχνότητες οπότε προκύπτουν οι εξής πίνακες: Πίνακας 5.9.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F61 Το cluster με τις συχνότητες του πίνακα χρησιμοποιείται 4 φορές και επιλέγονται και οι κυψέλες Α1,Β2,C3 για την πλήρη κάλυψη της περιοχής. Πίνακας 5.10.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών σύμφωνα με ARFCN A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D

92 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΟΜΟΚΑΝΑΛΙΚΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ Για τον περιορισμό της ομοκαναλικής παρεμβολής πρέπει να τηρείται το κριτήριο της ελάχιστης απόστασης επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4. Οπότε, η ελάχιστη απόστασης μεταξύ των κέντρων των ομοκαναλικών κυψελών D για το δήμο Πυλαίας- Χορτιάτη είναι: D = R 3N = m. Επίσης για το GSM 900 ο λόγος φέροντος σήματος προς την παρεμβολή (carrier-to-interference ratio or CIR) πρέπει να είναι CIR 9 db ώστε η ποιότητα της επικοινωνίας να είναι ικανοποιητική. ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Όπως φαίνεται από τον πίνακα 5.9 η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων γειτονικών κυψελών είναι τα 200 KHz. Επίσης η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων της ίδιας κυψέλης είναι τα 1.2 ΜΗz. Για καλύτερη αντιμετώπιση των παρεμβολών γειτονικού καναλιού μπορεί να χρησιμοποιηθούν ειδικά φίλτρα τα οποία όμως κοστίζουν αρκετά και επιβαρύνουν το προϋπολογισμό της σχεδίασης ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ Σύμφωνα με τον κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο Παράρτημα, υπολογίζεται ο αριθμός των παραπάνω υποσυστημάτων για το δήμο Πυλαίας-Χορτιάτη. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.11.: Αριθμοί υποσυστημάτων για το δήμο Πυλαίας-Χορτιάτη. Σταθμοί Βάσης 17 BTS Κεραίες 51 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης 9 BSC Πομποί 259 Δέκτες 259 Combiners 208 Diplexers

93 5.5. ΔΗΜΟΣ ΩΡΑΙΟΚΑΣΤΡΟΥ Ο δήμος Ωραιοκάστρου όπως αναφέρθηκε έχει πληθυσμό κατοίκων σύμφωνα με την απογραφή του 2011 της Εθνικής Στατιστικής Υπηρεσίας. Επίσης, ο δήμος καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται η περιοχή κάλυψης για το δήμο Ωραιοκάστρου. Εικόνα 5.5.: Χάρτης του δήμου Ωραιοκάστρου ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Θεωρώντας ότι όλοι οι κάτοικοι του δήμου Ωραιοκάστρου είναι συνδρομητές ή θα γίνουν συνδρομητές στο άμεσο μέλλον του υπό σχεδιασμό δικτύου τότε το συνολικό φορτίο κίνησης θα δίνεται από την σχέση (4.16) του κεφαλαίου 4. Για N=38317 (πληθυσμός δήμου Ωραιοκάστρου) και θεωρώντας c=1 και h=108 δευτερόλεπτα (τιμές που ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα) τότε το συνδρομητικό φορτίο για το δήμο είναι: a = = erl 93

94 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Με τη χρήση του κώδικα MATLAB που έχει υλοποιηθεί σύμφωνα με τη σχέση Erlang-B υπολογίζεται ο αριθμός των απαιτούμενων καναλιών για τη σχεδίαση. Για την εκτέλεση του κώδικα επιλέγεται ένα Blocking Probability το οποίο είναι ίσο με 3%. Οπότε για φορτίο κίνησης erl απαιτούνται 1138 κανάλια. Σύμφωνα με τα πρότυπα του GSM 900 η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης η οποία χρησιμοποιείται είναι η TDMA/FDMA. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική η κάθε συχνότητα αντιστοιχεί σε 8 κανάλια και επομένως για την κάλυψη των συνδρομητικών αναγκών για την περιοχή του δήμου Ωραιοκάστρου απαιτούνται 1138 = δηλαδή 143 συχνότητες. Για την συγκεκριμένη 8 προσομοίωση χρησιμοποιείται μοτίβο επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων ( 4 ). Επομένως, 12 αφού για την κάλυψη του δήμου Ωραιοκάστρου απαιτούνται 143 συχνότητες, τότε ο αριθμός των κυψελών που προκύπτει θα είναι = 28 κυψέλες. Η έκταση της περιοχής είναι km 2 οπότε κάθε κυψέλη θα έχει εμβαδόν: E = Εμβαδον περιοχής = Αριθμός κυψελων 28 = m 2. Οπότε λύνοντας τη σχέση (5.1) ως προς R υπολογίζεται ότι η ακτίνα της κάθε κυψέλης θα είναι R = m ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ Ο δήμος Ωραιοκάστρου όπως αναφέρθηκε έχει πληθυσμό κατοίκων και καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Επομένως βάση της πυκνότητας πληθυσμού η οποία είναι κάτοικοι/km 2 η περιοχή χαρακτηρίζεται ως ημιαστική. Για αυτό το λόγο και εξετάζοντας το γεωγραφικό ανάγλυφο της περιοχής επιλέγεται ως μοντέλο για την ηλεκτρομαγνητικής της κάλυψη, το μοντέλο Hata Suburban. Επόμενο βήμα του σχεδιασμού είναι ο υπολογισμός της απαιτούμενης ισχύος (link budget) P t της κεραίας εκπομπής. Για την εφαρμογή του μοντέλου Hata Suburban επιλέχθηκαν οι τιμές των παραμέτρων του μοντέλου οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν και στην προηγούμενη περιοχή. Με την εφαρμογή κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο παράρτημα υπολογίζεται η ισχύς εκπομπής P t των Σταθμών Βάσης για κάθε γεωγραφική περιοχή. Για την περιοχή του δήμου Ωραιοκάστρου προκύπτει ότι η ισχύς εκπομπής ισούται με P t = dbm = W. 94

95 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Για την καταχώρηση των συχνοτήτων για το δήμο Ωραιοκάστρου ακολουθείται η ίδια διαδικασία με αυτή που εφαρμόστηκε στην προηγούμενη περιοχή. Για την κάλυψη του δήμου Ωραιοκάστρου απαιτούνται 28 κυψέλες και συνολικά 143 συχνότητες. Για την κάλυψη της περιοχής θα χρησιμοποιηθεί ένα cluster στο οποίο καταχωρούνται οι 61 από τις 62 συχνότητες (εξοικονόμηση της συχνότητας F61 η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε άλλη περιοχή) 2 φορές και άλλες 4 κυψέλες οι οποίες διαθέτουν 6,5,5,5 συχνότητες αντίστοιχα. Επομένως, αφού το cluster αποτελείται από 12 κυψέλες στις οποίες εκχωρούνται 61 συχνότητες και προστίθενται άλλες 4 κυψέλες των 6,5,5,5 συχνοτήτων αντίστοιχα, τότε ο συνολικός αριθμός συχνοτήτων και αντίστοιχα ο συνολικός αριθμός των κυψελών είναι: = 143 συχνότητες = 28 κυψέλες Συνοψίζοντας, οι 12 κυψέλες του cluster με τις 61 συχνότητες δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.12.: Συχνότητες των κυψελών σχεδιασμού A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F62 Οι 4 κυψέλες που προστίθενται, επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην χρησιμοποιούνται σε γειτονικές περιοχές για να περιορίζεται τόσο η ομοκαναλική παρεμβολή όσο και η παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Η επιλογή των κυψελών αυτών και ο τελικός σχεδιασμός των συχνοτήτων με βάση την αντιμετώπιση των παρεμβολών παρουσιάζεται στην ακόλουθη ενότητα ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ Η ορθή διαχείριση των συχνοτήτων απαιτεί και την αντιμετώπιση των παρεμβολών. Σημαντικές παρεμβολές όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο είναι η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης, η παρεμβολή γειτονικού καναλιού και η ομοκαναλική παρεμβολή. 95

96 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Σύμφωνα με τον τύπο του Mifsud τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται στις συχνότητες της 3 ης γραμμής του πίνακα 5.11 των συχνοτήτων. Επίσης, προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται και στην συχνότητα F62. Η απαλλαγή από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης γίνεται αντιμεταθέτοντας κατοπτρικά αυτές τις συχνότητες οπότε προκύπτουν οι εξής πίνακες: Πίνακας 5.13.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F62 Το cluster με τις συχνότητες του πίνακα χρησιμοποιείται 2 φορές και επιλέγονται και οι κυψέλες Α3,Β1,C2,D1 (που έχουν 6,5,5,5 συχνότητες αντίστοιχα) για την πλήρη κάλυψη της περιοχής. Πίνακας 5.14.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών σύμφωνα με ARFCN A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΟΜΟΚΑΝΑΛΙΚΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ Για τον περιορισμό της ομοκαναλικής παρεμβολής πρέπει να τηρείται το κριτήριο της ελάχιστης απόστασης επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4. Οπότε, η ελάχιστη απόστασης μεταξύ των κέντρων των ομοκαναλικών κυψελών D για το δήμο Ωραιοκάστρου είναι: D = R 3N = m. Επίσης για το GSM 900 ο λόγος φέροντος σήματος προς την παρεμβολή (carrier-to-interference ratio or CIR) πρέπει να είναι CIR 9 db ώστε η ποιότητα της επικοινωνίας να είναι ικανοποιητική. 96

97 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Όπως φαίνεται από τον πίνακα 5.13 η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων γειτονικών κυψελών είναι τα 200 KHz. Επίσης η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων της ίδιας κυψέλης είναι τα 1.2 ΜΗz. Για καλύτερη αντιμετώπιση των παρεμβολών γειτονικού καναλιού μπορεί να χρησιμοποιηθούν ειδικά φίλτρα τα οποία όμως κοστίζουν αρκετά και επιβαρύνουν το προϋπολογισμό της σχεδίασης ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ Σύμφωνα με τον κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο Παράρτημα, υπολογίζεται ο αριθμός των παραπάνω υποσυστημάτων για το δήμο Ωραιοκάστρου. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.15.: Αριθμοί υποσυστημάτων για το δήμο Ωραιοκάστρου. Σταθμοί Βάσης 10 BTS Κεραίες 28 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης 5 BSC Πομποί 143 Δέκτες 143 Combiners 115 Diplexers ΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Η αστική περιοχή όπως αναφέρθηκε αποτελείται από το δήμο Θεσσαλονίκης, το δήμο Καλαμαριάς, το δήμο Αμπελοκήπων-Μενεμένης, το δήμο Νεάπολης-Συκεών, το δήμο Κορδελιού- Ευόσμου και το δήμο Παύλου Μελά. Η αστική περιοχή έχει πληθυσμό κατοίκων σύμφωνα με την απογραφή του 2011 της Εθνικής Στατιστικής Υπηρεσίας και καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται η περιοχή κάλυψης (κόκκινο περίγραμμα). 97

98 Εικόνα 5.6.: Χάρτης της αστικής περιοχής ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Θεωρώντας ότι όλοι οι κάτοικοι της αστικής περιοχής είναι συνδρομητές ή θα γίνουν συνδρομητές στο άμεσο μέλλον του υπό σχεδιασμό δικτύου τότε το συνολικό φορτίο κίνησης θα δίνεται από την σχέση (4.16) του κεφαλαίου 4. Για N= (πληθυσμός αστικής περιοχής) και θεωρώντας c=1 και h=108 δευτερόλεπτα (τιμές που ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα) τότε το συνδρομητικό φορτίο για την περιοχή είναι: a = = erl 98

99 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Με τη χρήση του κώδικα MATLAB που έχει υλοποιηθεί σύμφωνα με τη σχέση Erlang-B υπολογίζεται ο αριθμός των απαιτούμενων καναλιών για τη σχεδίαση. Για την εκτέλεση του κώδικα επιλέγεται ένα Blocking Probability το οποίο είναι ίσο με 3%. Οπότε για φορτίο κίνησης erl απαιτούνται κανάλια. Σύμφωνα με τα πρότυπα του GSM 900 η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης η οποία χρησιμοποιείται είναι η TDMA/FDMA. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική η κάθε συχνότητα αντιστοιχεί σε 8 κανάλια και επομένως για την κάλυψη των συνδρομητικών αναγκών της αστικής περιοχής απαιτούνται = δηλαδή 2749 συχνότητες. Για την συγκεκριμένη προσομοίωση 8 χρησιμοποιείται μοτίβο επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων ( 4 ). Επομένως, αφού για την 12 κάλυψη της αστικής περιοχής απαιτούνται 2749 συχνότητες, τότε ο αριθμός των κυψελών που προκύπτει θα είναι = 533 κυψέλες. 62 Η έκταση της περιοχής είναι km 2 οπότε κάθε κυψέλη θα έχει εμβαδόν: E = Εμβαδον περιοχής = Αριθμός κυψελων 533 = m 2. Οπότε λύνοντας τη σχέση (5.1) ως προς R υπολογίζεται ότι η ακτίνα της κάθε κυψέλης θα είναι R = m ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ Ο αστική περιοχή όπως αναφέρθηκε έχει πληθυσμό κατοίκων και καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Επομένως η πυκνότητας πληθυσμού της περιοχής είναι κάτοικοι/ km 2. Η περιοχή είναι αρκετά πυκνοκατοικημένη και η ακτίνα των κυψελών κάλυψης είναι m. Για αυτό το λόγο και εξετάζοντας το γεωγραφικό ανάγλυφο της περιοχής επιλέγεται ως μοντέλο για την ηλεκτρομαγνητικής της κάλυψη, το μοντέλο Walfish - Ikegami. Όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο 3 το μοντέλο αυτό είναι κατάλληλο για επίπεδες ημιαστικές περιοχές και για αστικές περιοχές οι οποίες χαρακτηρίζονται από ομοιόμορφα από πλευράς ύψους κτίρια και μπορεί να εφαρμοστεί και για ακτίνα κυψέλης μικρότερη του ενός χιλιομέτρου. Επίσης, το μοντέλο αυτό διαφοροποιείται ανάλογα με το αν υπάρχει συνιστώσα οπτικής επαφής ανάμεσα σε πομπό και δέκτη (LOS) και στην περίπτωση που δεν υπάρχει οπτική επαφή (NLOS). Περιλαμβάνει ακόμη παραμέτρους που σχετίζονται με τη δόμηση των κτηρίων και των δρόμων της περιοχής. 99

100 Επόμενο βήμα του σχεδιασμού είναι ο υπολογισμός της απαιτούμενης ισχύος (link budget) P t της κεραίας εκπομπής. Για την εφαρμογή του μοντέλου Walfish - Ikegami επιλέγονται οι τιμές των παραμέτρων που δίνονται στον κώδικα MATLAB του Παραρτήματος. Με την εφαρμογή κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο παράρτημα υπολογίζεται η ισχύς εκπομπής P t των Σταθμών Βάσης για κάθε γεωγραφική περιοχή. Για την αστική προκύπτει ότι η ισχύς εκπομπής ισούται με P t = dbm = W ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Για την καταχώρηση των συχνοτήτων της αστικής περιοχή ακολουθείται η ίδια διαδικασία με αυτή που εφαρμόστηκε στην προηγούμενη περιοχή. Για την κάλυψη της περιοχής απαιτούνται 533 κυψέλες και συνολικά 2749 συχνότητες. Για την κάλυψη της περιοχής θα χρησιμοποιηθεί ένα cluster των 62 συχνοτήτων 44 φορές και άλλες 5 κυψέλες οι οποίες διαθέτουν 5,4,4,4,4 συχνότητες αντίστοιχα. Επομένως, αφού το cluster αποτελείται από 12 κυψέλες στις οποίες εκχωρούνται 62 συχνότητες και προστίθενται άλλες 5 κυψέλες των 5,4,4,4,4 συχνοτήτων αντίστοιχα, τότε ο συνολικός αριθμός συχνοτήτων και αντίστοιχα ο συνολικός αριθμός των κυψελών είναι: = 2749 συχνότητες = 533 κυψέλες Συνοψίζοντας, οι 12 κυψέλες του cluster με τις 62 συχνότητες δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.16.: Συχνότητες των κυψελών σχεδιασμού A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F61 F62 Οι 5 κυψέλες που προστίθενται, επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην χρησιμοποιούνται σε γειτονικές περιοχές για να περιορίζεται τόσο η ομοκαναλική παρεμβολή όσο και η παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Η επιλογή των κυψελών αυτών και ο τελικός σχεδιασμός των συχνοτήτων με βάση την αντιμετώπιση των παρεμβολών παρουσιάζεται στην ακόλουθη ενότητα. 100

101 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ Η ορθή διαχείριση των συχνοτήτων απαιτεί και την αντιμετώπιση των παρεμβολών. Σημαντικές παρεμβολές όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο είναι η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης, η παρεμβολή γειτονικού καναλιού και η ομοκαναλική παρεμβολή. ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Σύμφωνα με τον τύπο του Mifsud τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται στις συχνότητες της 3 ης γραμμής του πίνακα 5.15 των συχνοτήτων. Επίσης, προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται και στις συχνότητες F61 και F62. Η απαλλαγή από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης γίνεται αντιμεταθέτοντας κατοπτρικά αυτές τις συχνότητες οπότε προκύπτουν οι εξής πίνακες: Πίνακας 5.17.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F61 F62 Το cluster με τις συχνότητες του πίνακα χρησιμοποιείται 44 φορές και προστίθενται και οι κυψέλες C1,Α2,D2,D3,B3 (στις οποίες θα καταχωρούνται 5,4,4,4,4 συχνότητες αντίστοιχα) για την πλήρη κάλυψη της περιοχής. Πίνακας 5.18.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών σύμφωνα με ARFCN A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D

102 ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΟΜΟΚΑΝΑΛΙΚΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ Για τον περιορισμό της ομοκαναλικής παρεμβολής πρέπει να τηρείται το κριτήριο της ελάχιστης απόστασης επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4. Οπότε, η ελάχιστη απόστασης μεταξύ των κέντρων των ομοκαναλικών κυψελών D για την αστική περιοχή είναι: D = R 3N = 1491 m. Επίσης για το GSM 900 ο λόγος φέροντος σήματος προς την παρεμβολή (carrier-to-interference ratio or CIR) πρέπει να είναι CIR 9 db ώστε η ποιότητα της επικοινωνίας να είναι ικανοποιητική. ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Όπως φαίνεται από τον πίνακα 5.17 η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων γειτονικών κυψελών είναι τα 200 KHz. Επίσης η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων της ίδιας κυψέλης είναι τα 1.2 ΜΗz. Για καλύτερη αντιμετώπιση των παρεμβολών γειτονικού καναλιού μπορεί να χρησιμοποιηθούν ειδικά φίλτρα τα οποία όμως κοστίζουν αρκετά και επιβαρύνουν το προϋπολογισμό της σχεδίασης ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ Σύμφωνα με τον κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο Παράρτημα, υπολογίζεται ο αριθμός των παραπάνω υποσυστημάτων για την αστική περιοχή. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.19.: Αριθμοί υποσυστημάτων για την αστική περιοχή. Σταθμοί Βάσης 178 BTS Κεραίες 533 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης 89 BSC Πομποί 2749 Δέκτες 2749 Combiners 2216 Diplexers

103 5.7. ΑΝΟΙΧΤΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Η ανοιχτή (open semirural) περιοχή όπως αναφέρθηκε αποτελείται από το δήμο Δέλτα, το δήμο Θέρμης, το δήμο Βόλβης, το δήμο Λαγκαδά και το δήμο Χαλκηδόνας. Η ανοιχτή περιοχή έχει πληθυσμό κατοίκων σύμφωνα με την απογραφή του 2011 της Εθνικής Στατιστικής Υπηρεσίας και καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται η περιοχή. (Περιλαμβάνει τις περιοχές με τον κόκκινο περίγραμμα και το περίγραμμα με τους κύκλους) Εικόνα 5.7.: Χάρτης της ανοιχτής περιοχής ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΔΡΟΜΗΤΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Θεωρώντας ότι όλοι οι κάτοικοι της ανοιχτής περιοχής είναι συνδρομητές ή θα γίνουν συνδρομητές στο άμεσο μέλλον του υπό σχεδιασμό δικτύου τότε το συνολικό φορτίο κίνησης θα δίνεται από την σχέση (4.16) του κεφαλαίου 4. Για N= (πληθυσμός αστικής περιοχής) και θεωρώντας c=1 και h=108 δευτερόλεπτα (τιμές που ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα) τότε το συνδρομητικό φορτίο για την περιοχή είναι: a = = erl 103

104 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Με τη χρήση του κώδικα MATLAB που έχει υλοποιηθεί σύμφωνα με τη σχέση Erlang-B υπολογίζεται ο αριθμός των απαιτούμενων καναλιών για τη σχεδίαση. Για την εκτέλεση του κώδικα επιλέγεται ένα Blocking Probability το οποίο είναι ίσο με 3%. Οπότε για φορτίο κίνησης erl απαιτούνται 5770 κανάλια. Σύμφωνα με τα πρότυπα του GSM 900 η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης η οποία χρησιμοποιείται είναι η TDMA/FDMA. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική η κάθε συχνότητα αντιστοιχεί σε 8 κανάλια και επομένως για την κάλυψη των συνδρομητικών αναγκών της ανοιχτής περιοχής 5770 απαιτούνται = δηλαδή 722 συχνότητες. Για την συγκεκριμένη προσομοίωση 8 χρησιμοποιείται μοτίβο επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων ( 4 ). Επομένως, αφού για την 12 κάλυψη της αστικής περιοχής απαιτούνται 722 συχνότητες, τότε ο αριθμός των κυψελών που προκύπτει θα είναι = 140 κυψέλες. 62 Η έκταση της περιοχής είναι km 2 οπότε κάθε κυψέλη θα έχει εμβαδόν: E = Εμβαδον περιοχής = Αριθμός κυψελων 140 = m 2. Οπότε λύνοντας τη σχέση (5.1) ως προς R υπολογίζεται ότι η ακτίνα της κάθε κυψέλης θα είναι R = m ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ Ο ανοιχτή περιοχή όπως αναφέρθηκε έχει πληθυσμό κατοίκων και καταλαμβάνει μια έκταση km 2. Επομένως η πυκνότητας πληθυσμού της περιοχής είναι κάτοικοι/ km 2. Η περιοχή είναι αρκετά αραιοκατοικημένη. Για αυτό το λόγο και εξετάζοντας το γεωγραφικό ανάγλυφο της περιοχής επιλέγεται ως μοντέλο για την ηλεκτρομαγνητικής της κάλυψη, το μοντέλο λογαριθμικής απόστασης Log-Distance. Όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο 3 το μοντέλο αυτό είναι κατάλληλο για περιβάλλοντα στα οποία εμφανίζεται σκίαση (shadowing). Επόμενο βήμα του σχεδιασμού είναι ο υπολογισμός της απαιτούμενης ισχύος (link budget) P t της κεραίας εκπομπής. Για την εφαρμογή του μοντέλου Log-Distance επιλέγονται οι τιμές των παραμέτρων που δίνονται στον κώδικα MATLAB του Παραρτήματος. Με την εφαρμογή κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο παράρτημα υπολογίζεται η ισχύς εκπομπής P t των Σταθμών Βάσης για κάθε γεωγραφική περιοχή. 104

105 Για την ανοιχτή προκύπτει ότι η ισχύς εκπομπής ισούται με P t = dbm = W ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Για την καταχώρηση των συχνοτήτων της ανοιχτής περιοχή ακολουθείται η ίδια διαδικασία με αυτή που εφαρμόστηκε στην προηγούμενη περιοχή. Για την κάλυψη της περιοχής απαιτούνται 140 κυψέλες και συνολικά 722 συχνότητες. Για την κάλυψη της περιοχής θα χρησιμοποιηθεί ένα cluster των 62 συχνοτήτων 11 φορές και άλλες 8 κυψέλες των 5 συχνοτήτων η καθεμιά. Επομένως, αφού το cluster αποτελείται από 12 κυψέλες στις οποίες εκχωρούνται 62 συχνότητες και προστίθενται άλλες 8 κυψέλες, τότε ο συνολικός αριθμός συχνοτήτων και αντίστοιχα ο συνολικός αριθμός των κυψελών είναι: = 722 συχνότητες = 140 κυψέλες Συνοψίζοντας, οι 12 κυψέλες του cluster με τις 62 συχνότητες δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.20.: Συχνότητες των κυψελών σχεδιασμού A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F61 F62 Οι 8 κυψέλες που προστίθενται, επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην χρησιμοποιούνται σε γειτονικές περιοχές για να περιορίζεται τόσο η ομοκαναλική παρεμβολή όσο και η παρεμβολή γειτονικού καναλιού. Η επιλογή των κυψελών αυτών και ο τελικός σχεδιασμός των συχνοτήτων με βάση την αντιμετώπιση των παρεμβολών παρουσιάζεται στην ακόλουθη ενότητα ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ Η ορθή διαχείριση των συχνοτήτων απαιτεί και την αντιμετώπιση των παρεμβολών. Σημαντικές παρεμβολές όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο είναι η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης, η παρεμβολή γειτονικού καναλιού και η ομοκαναλική παρεμβολή. ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΕΝΔΟΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Σύμφωνα με τον τύπο του Mifsud τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται στις συχνότητες της 3 ης γραμμής του πίνακα 5.19 των συχνοτήτων. Επίσης, προϊόντα 105

106 ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης εμφανίζονται και στις συχνότητες F61 και F62. Η απαλλαγή από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης γίνεται αντιμεταθέτοντας κατοπτρικά αυτές τις συχνότητες οπότε προκύπτουν οι εξής πίνακες: Πίνακας 5.21.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20 F21 F22 F23 F24 F31 F32 F33 F34 F35 F36 F25 F26 F27 F28 F29 F30 F37 F38 F39 F40 F41 F42 F43 F44 F45 F46 F47 F48 F49 F50 F51 F52 F53 F54 F55 F56 F57 F58 F59 F60 F61 F62 Το cluster με τις συχνότητες του πίνακα χρησιμοποιείται 11 φορές και προστίθενται και οι κυψέλες A1,B1,C1,D1,C2,A3,B3,C3 (καθεμιά από τις οποίες έχει 5 συχνότητες) για την πλήρη κάλυψη της περιοχής. Πίνακας 5.22.: Τελική σχεδίαση των συχνοτήτων των κυψελών σύμφωνα με ARFCN A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΟΜΟΚΑΝΑΛΙΚΗΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ Για τον περιορισμό της ομοκαναλικής παρεμβολής πρέπει να τηρείται το κριτήριο της ελάχιστης απόστασης επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4. Οπότε, η ελάχιστη απόστασης μεταξύ των κέντρων των ομοκαναλικών κυψελών D για την ανοιχτή περιοχή είναι: D = R 3N = m. Επίσης για το GSM 900 ο λόγος φέροντος σήματος προς την παρεμβολή (carrier-to-interference ratio or CIR) πρέπει να είναι CIR 9 db ώστε η ποιότητα της επικοινωνίας να είναι ικανοποιητική. ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΓΕΙΤΟΝΙΚΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Όπως φαίνεται από τον πίνακα 5.21 η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων γειτονικών κυψελών είναι τα 200 KHz. Επίσης η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων της ίδιας κυψέλης είναι τα 1.2 ΜΗz. Για καλύτερη αντιμετώπιση των παρεμβολών γειτονικού καναλιού 106

107 μπορεί να χρησιμοποιηθούν ειδικά φίλτρα τα οποία όμως κοστίζουν αρκετά και επιβαρύνουν το προϋπολογισμό της σχεδίασης ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ Σύμφωνα με τον κώδικα MATLAB ο οποίος δίνεται στο Παράρτημα, υπολογίζεται ο αριθμός των παραπάνω υποσυστημάτων για την ανοιχτή περιοχή. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5.23.: Αριθμοί υποσυστημάτων για την ανοιχτή περιοχή. Σταθμοί Βάσης 47 BTS Κεραίες 140 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης 24 BSC Πομποί 722 Δέκτες 722 Combiners 582 Diplexers ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Στις παρακάτω ενότητες παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για κάθε περιοχή ξεχωριστά. Επίσης, δίνονται τα συνολικά αποτελέσματα και η ιεραρχική δομή ολόκληρου του δικτύου για το νομό Θεσσαλονίκης ΔΗΜΟΣ ΘΕΡΜΑΪΚΟΥ Συγκεντρωτικά, τα στοιχεία τις ιεραρχικής δομής του δικτύου δίνονται στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 5.24.: Αποτελέσματα για δήμο Θερμαϊκού Πληθυσμός Έκταση (km 2 ) Μοντέλο Διάδοσης RF Hata Suburban Φορτίο Κίνησης (erl) Κανάλια

108 Συχνότητες 186 Αριθμός Κυψελών 36 Ακτίνα Κυψέλης (m) Ισχύς Εκπομπής Σταθμού dbm ή W Βάσης Σταθμοί Βάσης BTS 12 Κεραίες 36 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης 6 BSC Πομποί 186 Δέκτες 186 Combiners 150 Diplexers 150 Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η μεταβολή της λαμβανόμενης ισχύος του Κινητού Σταθμού σε σχέση με την απόσταση απομάκρυνσης από το Σταθμός Βάσης με τη χρήση του μοντέλου Hata Suburban που επιλέχθηκε για αυτή την περιοχή. Σχήμα 5.8.: Γραφική παράσταση της μεταβολής της λαμβανόμενης ισχύος σε συνάρτηση με την απόσταση 108

109 Στην παρακάτω εικόνα απεικονίζονται οι κυψέλες κάλυψης της περιοχής: Εικόνα 5.9.: Κυτταρική σχεδίαση δήμου Θερμαϊκού ΔΗΜΟΣ ΠΥΛΑΙΑΣ - ΧΟΡΤΙΑΤΗ Συγκεντρωτικά, τα στοιχεία τις ιεραρχικής δομής του δικτύου δίνονται στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 5.25.: Αποτελέσματα για δήμο Πυλαίας - Χορτιάτη Πληθυσμός Έκταση (km 2 ) Μοντέλο Διάδοσης RF Hata Suburban Φορτίο Κίνησης (erl) Κανάλια 2066 Συχνότητες 259 Αριθμός Κυψελών 51 Ακτίνα Κυψέλης (m)

110 Ισχύς Εκπομπής Σταθμού dbm ή W Βάσης Σταθμοί Βάσης BTS 17 Κεραίες 51 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης BSC 9 Πομποί 259 Δέκτες 259 Combiners 208 Diplexers 208 Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η μεταβολή της λαμβανόμενης ισχύος του Κινητού Σταθμού σε σχέση με την απόσταση απομάκρυνσης από το Σταθμός Βάσης με τη χρήση του μοντέλου Hata Suburban που επιλέχθηκε για αυτή την περιοχή. Σχήμα 5.10.: Γραφική παράσταση της μεταβολής της λαμβανόμενης ισχύος σε συνάρτηση με την απόσταση 110

111 Στην παρακάτω εικόνα απεικονίζονται οι κυψέλες κάλυψης της περιοχής: Εικόνα 5.11.: Κυτταρική σχεδίαση δήμου Πυλαίας - Χορτιάτη ΔΗΜΟΣ ΩΡΑΙΟΚΑΣΤΡΟΥ Ο σχεδιασμός των κυψελών για την περιοχή δίνεται στον παρακάτω χάρτη: Συγκεντρωτικά, τα στοιχεία τις ιεραρχικής δομής του δικτύου δίνονται στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 5.26.: Αποτελέσματα για δήμο Ωραιοκάστρου Πληθυσμός Έκταση (km 2 ) Μοντέλο Διάδοσης RF Hata Suburban Φορτίο Κίνησης (erl) Κανάλια 1138 Συχνότητες 143 Αριθμός Κυψελών 28 Ακτίνα Κυψέλης (m) Ισχύς Εκπομπής Σταθμού Βάσης dbm ή W 111

112 Σταθμοί Βάσης BTS 10 Κεραίες 28 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης BSC 5 Πομποί 143 Δέκτες 143 Combiners 115 Diplexers 115 Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η μεταβολή της λαμβανόμενης ισχύος του Κινητού Σταθμού σε σχέση με την απόσταση απομάκρυνσης από το Σταθμός Βάσης με τη χρήση του μοντέλου Hata Suburban που επιλέχθηκε για αυτή την περιοχή. Σχήμα 5.12.: Γραφική παράσταση της μεταβολής της λαμβανόμενης ισχύος σε συνάρτηση με την απόσταση 112

113 Στην παρακάτω εικόνα απεικονίζονται οι κυψέλες κάλυψης της περιοχής: Εικόνα 5.13.: Κυτταρική σχεδίαση δήμου Ωραιοκάστρου ΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Ο σχεδιασμός των κυψελών για την περιοχή δίνεται στον παρακάτω χάρτη: Συγκεντρωτικά, τα στοιχεία τις ιεραρχικής δομής του δικτύου δίνονται στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 5.27.: Αποτελέσματα για την αστική περιοχή Πληθυσμός Έκταση (km 2 ) Μοντέλο Διάδοσης RF Walfish - Ikegami Φορτίο Κίνησης (erl) Κανάλια Συχνότητες 2749 Αριθμός Κυψελών 533 Ακτίνα Κυψέλης (m) Ισχύς Εκπομπής Σταθμού dbm ή W Βάσης Σταθμοί Βάσης BTS 178 Κεραίες

114 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης BSC 89 Πομποί 2749 Δέκτες 2749 Combiners 2216 Diplexers 2216 Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η μεταβολή της λαμβανόμενης ισχύος του Κινητού Σταθμού σε σχέση με την απόσταση απομάκρυνσης από το Σταθμός Βάσης με τη χρήση του μοντέλου Walfish - Ikegami που επιλέχθηκε για αυτή την περιοχή. Σχήμα 5.14.: Γραφική παράσταση της μεταβολής της λαμβανόμενης ισχύος σε συνάρτηση με την απόσταση 114

115 Στην παρακάτω εικόνα απεικονίζονται οι κυψέλες κάλυψης της περιοχής: Εικόνα 5.15.: Κυτταρική σχεδίαση της αστικής περιοχής ΑΝΟΙΧΤΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Ο σχεδιασμός των κυψελών για την περιοχή δίνεται στον παρακάτω χάρτη: Συγκεντρωτικά, τα στοιχεία τις ιεραρχικής δομής του δικτύου δίνονται στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 5.28.: Αποτελέσματα για την ανοιχτή περιοχή Πληθυσμός Έκταση (km 2 ) Μοντέλο Διάδοσης RF Log-Distance Φορτίο Κίνησης (erl)

116 Κανάλια 5770 Συχνότητες 722 Αριθμός Κυψελών 140 Ακτίνα Κυψέλης (m) Ισχύς Εκπομπής Σταθμού dbm ή W Βάσης Σταθμοί Βάσης BTS 47 Κεραίες 140 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης BSC 24 Πομποί 722 Δέκτες 722 Combiners 582 Diplexers 582 Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η μεταβολή της λαμβανόμενης ισχύος του Κινητού Σταθμού σε σχέση με την απόσταση απομάκρυνσης από το Σταθμός Βάσης με τη χρήση του μοντέλου Log-Distance που επιλέχθηκε για αυτή την περιοχή. Σχήμα 5.16.: Γραφική παράσταση της μεταβολής της λαμβανόμενης ισχύος σε συνάρτηση με την απόσταση 116

117 Στην παρακάτω εικόνα απεικονίζονται οι κυψέλες κάλυψης της περιοχής: Εικόνα 5.17.: Κυτταρική σχεδίαση της ανοιχτής περιοχής ΣΥΝΟΛΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΟ ΝΟΜΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Αθροίζοντας τον αριθμό των κυψελών των επιμέρους περιοχών προκύπτει ότι για την ηλεκτρομαγνητική κάλυψη του νομού Θεσσαλονίκης απαιτούνται = 788 κυψέλες. Η καταχώρηση των συχνοτήτων στις κυψέλες έγινε με τέτοιο τρόπο ώστε να υπάρχει όσο το δυνατό καλύτερη αντιμετώπιση των παρεμβολών και να πληρούνται οι προϋποθέσεις για την σχεδίαση που αναλύθηκαν στις επιμέρους ενότητες του κεφαλαίου. Για τον υπολογισμό του συνολικού αριθμού των υποσυστημάτων για το επίπεδο Ραδιοδικτύου αθροίζονται τα υποσυστήματα των επιμέρους περιοχών. Όσον αφορά το επίπεδο Δικτύου και Μεταγωγής, στο GSM 900 ένα Ψηφιακό Κέντρο MSC μπορεί να ελέγξει έως και 124 Σταθμούς Βάσης BTS. Κάθε MSC συνδέεται με μία Βάση Δεδομένων Επισκεπτών VLR. Επίσης, απαιτείται 1 Ψηφιακό Κέντρο Πύλη GMSC το οποίο θα είναι κάποιο από τα υπάρχοντα Ψηφιακά Κέντρα. Ακόμα απαιτούνται 1 Οικεία Βάση Δεδομένων HLR, 1 κέντρο πιστοποίησης AuC, 1 Βάση Δεδομένων Καταχώρησης Ταυτότητας Εξοπλισμού EIR και μία Πύλη Υπηρεσίας Αποστολής Μικρών Μηνυμάτων SMS-G. Τέλος για το επίπεδο Λειτουργίας και Υποστήριξης απαιτούνται 1 OMC και 1 NMC. 117

118 Οι συνολικοί αριθμοί των υποσυστημάτων του επιπέδου του Ραδιοδικτύου, του επιπέδου Δικτύου και Μεταγωγής και του επιπέδου Λειτουργίας και Υποστήριξης παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 5.29.: Υποσυστήματα των τριών επιπέδων του GSM 900 για το νομό Θεσσαλονίκης Σταθμοί Βάσης BTS 264 Κεραίες 788 Ελεγκτήρες Σταθμών Βάσης BSC 133 Πομποί 4059 Δέκτες 4059 Combiners 3271 Diplexers 3271 MSC 3 VLR 3 HLR 1 AuC 1 GMSC 1 EIR 1 SMS-G 1 OMC 1 NMC 1 Η κυτταρική σχεδίαση ολόκληρου του νομού παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα (οι πράσινες κυψέλες αντιστοιχούν στις 3 ημιαστικές περιοχές, οι κόκκινες κυψέλες αντιστοιχούν στην αστική περιοχή και οι μπλε κυψέλες στην ανοιχτή περιοχή: 118

119 Εικόνα 5.18.: Κυτταρική σχεδίαση ολόκληρου του νομού Θεσσαλονίκης 5.9. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκε η προσομοίωση ενός δικτύου GSM 900 το οποίο εφαρμόστηκε στο νομό Θεσσαλονίκης. Ο νομός χωρίστηκε σε 1 αστική (urban), 3 ημιαστικές (suburban) και 1 ανοιχτή (open semirural) περιοχή. Αυτό έγινε με σκοπό την ρεαλιστικότερη προσομοίωση του δικτύου αφού κάθε περιοχή παρουσιάζει διαφορετικά χαρακτηριστικά όπως διαφορετική πυκνότητα συνδρομητικού φορτίου, διαφορετική πληθυσμιακή πυκνότητα και διαφορετική έκταση. Η σχεδίαση του δικτύου για κάθε περιοχή ξεκίνησε με τον υπολογισμό του φορτίου κίνησης της κάθε περιοχής. Μέσω αυτού υπολογίστηκαν τα κανάλια και οι συχνότητες. Στη συνέχεια με τη χρήση ενός μοτίβο επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων ( 4 12 ) υπολογίστηκε ο αριθμός των κυψελών κάλυψης, το εμβαδόν τους και η ακτίνας τους. Η σχεδίαση μπορούσε να γίνει και αντίστροφα θεωρώντας δεδομένη την ακτίνα των κυψελών της κάθε περιοχής και ακολουθώντας την αντίστροφη διαδικασία. Αυτό αποτελεί μια διαφορετική προσέγγιση της σχεδίασης. Ακόμα, υπολογίστηκε η ισχύς εκπομπής P t των Σταθμών Βάσης για κάθε γεωγραφική περιοχή. Σε κάποιες σχεδίασεις αυτή η τιμή μπορεί να θεωρείται δεδομένη και μέσω αυτής να υπολογίζονται οι υπόλοιποι παράμετροι του συστήματος. Κύριο μέρος της σχεδίασης αποτελεί και η διαχείριση των συχνοτήτων στις κυψέλες η οποία γίνεται με όσο το δυνατό καλύτερο τρόπο ώστε να περιορίζονται οι παρεμβολές γειτονικού καναλιού, οι ομοκαναλικές παρεμβολές και οι 119