Concetti cellulari - Introduzione

L'immenso potenziale del telefono convenzionale non può essere sfruttato al massimo a causa della limitazione imposta dai fili di collegamento. Ma questa restrizione è stata rimossa con l'avvento della radio cellulare.

Problema di scarsità di frequenza

Se utilizziamo un loop RF dedicato per ogni abbonato, abbiamo bisogno di una maggiore larghezza di banda per servire anche un numero limitato di abbonati in una singola città.

Esempio

Un singolo loop RF richiede 50 kHz B / N; quindi per gli abbonati da un lakh abbiamo bisogno di 1,00.000 x 50 kHz = 5 GHz.

Per superare questo problema in bianco e nero, gli abbonati devono condividere i canali RF in base alle necessità, invece di loop RF dedicati. Ciò può essere ottenuto utilizzando più metodi di accesso FDMA, TDMA o CDMA. Anche allora il numero di canali RF necessari per servire gli abbonati risulta essere impraticabile.

Esempio

Considera una densità di sottotitoli di 30 kmq, grado di servizio dell'1%, traffico offerto per sottomarino mobile di 30 m E. Quindi il numero di canali RF richiesti è:

Raggio (km)	Area in Mq	sottotitoli	Canali RF
1	3.14	100	8
3	28.03	900	38
10	314	10000	360

Per 10.000 sottotitoli per assegnare 360 ​​canali radio abbiamo bisogno di un B / W di 360 × 50 KHz = 18 MHz. Questo non è praticamente fattibile.

Approccio cellulare

Con risorse di frequenza limitate, il principio cellulare può servire migliaia di abbonati a un costo accessibile. In una rete cellulare, l'area totale è suddivisa in aree più piccole chiamate "celle". Ogni cella può coprire un numero limitato di abbonati mobili entro i suoi confini. Ogni cella può avere una stazione base con un numero di canali RF.

Le frequenze utilizzate in una data area della cella verranno riutilizzate simultaneamente in una cella diversa che è geograficamente separata. Ad esempio, si può considerare un tipico pattern a sette celle.

Le risorse di frequenza totali disponibili sono suddivise in sette parti, ciascuna composta da un numero di canali radio e assegnata a un sito di cella. In un gruppo di 7 celle, lo spettro di frequenza disponibile viene consumato totalmente. Gli stessi sette gruppi di frequenze possono essere utilizzati dopo una certa distanza.

Il gruppo di celle in cui lo spettro di frequenza disponibile è totalmente consumato è chiamato cluster di celle.

Due celle aventi lo stesso numero nel cluster adiacente, utilizzano lo stesso insieme di canali RF e quindi sono chiamate "celle Co-channel". La distanza tra le celle che utilizzano la stessa frequenza dovrebbe essere sufficiente per mantenere l'interferenza co-canale (co-chl) a un livello accettabile. Quindi, i sistemi cellulari sono limitati dall'interferenza Co-channel.

Quindi un principio cellulare consente quanto segue.

• Utilizzo più efficiente della sorgente RF limitata disponibile.

• Produzione di ogni parte del terminale dell'abbonato all'interno di una regione con lo stesso insieme di canali in modo che qualsiasi cellulare possa essere utilizzato ovunque all'interno della regione.

Forma delle cellule

Per scopi analitici una cella "esagonale" è preferita ad altre forme su carta per i seguenti motivi.

• Un layout esagonale richiede meno celle per coprire una data area. Quindi, prevede un minor numero di stazioni base e un investimento minimo di capitale.

• Altre forme geometriche non possono farlo in modo efficace. Ad esempio, se sono presenti celle di forma circolare, ci sarà una sovrapposizione di celle.

• Anche per una data area, tra quadrato, triangolo ed esagono, il raggio di un esagono sarà il massimo necessario per i cellulari più deboli.

In realtà le celle non sono esagonali ma di forma irregolare, determinata da fattori come la propagazione delle onde radio sul terreno, ostacoli e altri vincoli geografici. Per dividere un'area in celle sono necessari programmi per computer complessi. Uno di questi programmi è "Tornado" di Siemens.

Ambiente operativo

A causa della mobilità, i segnali radio tra una stazione base e i terminali mobili subiscono una serie di alterazioni mentre viaggiano dal trasmettitore al ricevitore, anche all'interno della stessa cella. Questi cambiamenti sono dovuti a:

• Separazione fisica di trasmettitore e ricevitore.
• Ambiente fisico del percorso, ad esempio terreno, edifici e altri ostacoli.

Dissolvenza lenta

• In condizioni di spazio libero (o) LOS, la costante di propagazione del segnale RF è considerata come due, cioè r = 2. Questo è applicabile per i sistemi radio statici.

• In ambiente mobile, queste variazioni sono apprezzabili e normalmente "r" è da 3 a 4.

Rayleigh Fading

La linea di vista diretta in ambiente mobile, tra la stazione base e il cellulare non è assicurata e il segnale ricevuto al ricevitore è la somma di un numero di segnali che arrivano attraverso percorsi diversi (multipath). La propagazione multipath delle onde RF è dovuta alla riflessione dell'energia RF da una collina, un edificio, un camion o un aeroplano ecc .; anche l'energia riflessa subisce un cambiamento di fase.

Se ci sono 180 sfasamenti con segnali di percorso diretto, tendono a annullarsi a vicenda. Quindi i segnali multipath tendono a ridurre la potenza del segnale. A seconda della posizione del trasmettitore e del ricevitore e di vari ostacoli riflettenti lungo la lunghezza del percorso, il segnale oscilla. Le fluttuazioni si verificano rapidamente ed è noto come "Rayleigh fading".

Inoltre, la propagazione di percorsi multipli porta ad un "ampliamento dell'impulso" e "Interferenza tra simboli".

Effetto Doppler

A causa della mobilità dell'abbonato, si verifica un cambiamento nella frequenza dei segnali RF ricevuti. I sistemi mobili cellulari utilizzano le seguenti tecniche per contrastare questi problemi.

• Codifica dei canali
• Interleaving
• Equalization
• Ricevitori Rake
• Salto di frequenza lento
• Diversità delle antenne

Interferenza co-canale e separazione cellulare

Assumiamo un sistema cellulare avente un raggio cellulare "R" e distanza co-canale "D" e la dimensione del cluster "N". Poiché la dimensione della cella è fissa, l'interferenza co-canale sarà indipendente dalla potenza.

L'interferenza del co-chl è una funzione di “q” = D / R.

Q = Fattore di riduzione dell'interferenza Co-chl.

Un valore più alto di "q" significa minore interferenza.

Un valore più basso di "q" significa alta interferenza.

"Q" è anche correlato alla dimensione del cluster (N) come q = 3N

q = 3N = D / R

Per diversi valori di N, q è -

N = 1 3 4 7 9 12
Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00

Valori più alti di "q"

• Riduce l'interferenza co-canale,
• Porta a un valore maggiore di "N" più celle / cluster,
• Meno numero di canali / celle,
• Meno capacità di gestione del traffico.

Valori inferiori di "q"

• Aumenta l'interferenza co-canale,
• Porta a un valore inferiore di "n" celle / cluster in meno,
• Più numero di canali / celle,
• Maggiore capacità di gestione del traffico.

Generalmente, N = 4, 7, 12.

Calcoli C / I e 'q'

Il valore di "q" dipende anche da C / I. “C” è la potenza portante ricevuta dal trasmettitore desiderato e “I” è l'interferenza co-canale ricevuta da tutte le celle interferenti. Per un modello di riutilizzo a sette celle, il numero di cellule interferenti co-canali deve essere di sei.

La perdita di segnale è proporzionale a (distanza) –r

R - Costante di propagazione.

c α R-r

R = Raggio della cella.

I α 6 D-r

D = distanza di separazione co-canale

C / I = R - r / 6D –r = 1/6 × Dr / Rr = 1/6 (D / R) r

C / I = 1/6 qr poiché q = D / R e qr = 6 C / I

Q = [6 × C / I] 1 / r

In base alla qualità della voce accettabile, il valore di C / I è risultato pari a 18 dB.

Supponendo,

• Un modello di riutilizzo a sette celle
• Antenne omnidirezionali

Il valore di "q" può essere tipicamente intorno a 4,6.

Il valore r è preso come 3.

Questa è una condizione ideale, considerando che la distanza delle unità mobili dalle celle interferenti è uniformemente uguale a "D" in tutti i casi. Ma praticamente i movimenti mobili e la distanza "D" si riducono a "D-R" quando raggiunge il confine della cella e C / I scende a 14,47 dB.

Quindi il modello di riutilizzo 'freq' di 7 non soddisfa i criteri C / I con antenne omnidirezionali.

Se N = 9 (o) 12,

N = 9 q = 5,2 C / I = 19,78 dB

N = 12 q = 6,0 C / I = 22,54 dB

Quindi, il modello a 9 o 12 celle deve essere con antenne omnidirezionali, ma la capacità di gestione del traffico è ridotta. Quindi non sono preferiti.

Per utilizzare N = 7 (o inferiore), vengono utilizzate antenne direzionali in ogni sito cellulare. Una cella con 3 settori è molto popolare e sarà come la figura mostrata sotto.

Carattere dell'antenna - il fenomeno dell'accoppiamento posteriore riduce il numero di potenziali interferenti.

Ad esempio se N = 7.

Con antenne omnidirezionali, il numero di celle interferenti deve essere sei. Con antenne direzionali e 3 settori lo stesso è ridotto a due. Per N = 7 e tre settori, il C / I migliora da 14,47 dB a 24,5 dB anche nelle condizioni peggiori. Quindi C / I soddisfa il requisito di 18 dB. Per N = 7 e sei settori, il C / I migliora a 29 dB.

Per le applicazioni urbane, N = 4 e viene utilizzata una cella a tre settori in modo da ottenere un numero di portanti per cella maggiore di N = 7. Anche il C / I diventa 20 dB nei casi peggiori.

DAMPS Utilizza 7/21 pattern cellulari

GSM Utilizza il modello di celle 4/21

Vantaggi della settorizzazione

• Diminuisci l'interferenza co-canale
• Aumenta la capacità del sistema

Svantaggi della settorizzazione

• Gran numero di antenne alla stazione base.
• L'aumento del numero di settori / cella riduce l'efficienza del trunking
• La suddivisione in settori riduce l'area di copertura, per un particolare gruppo di canali.
• Il numero di "Hand off" aumenta.

Giù le mani

Quando l'unità mobile viaggia lungo un percorso, attraversa diverse celle. Ogni volta che entra in una cella diversa associata a f = frequenza diversa, il controllo del cellulare viene assunto dall'altra stazione base. Questo è noto come "Hand off".

L'hand off viene deciso in base a:

• Informazioni sull'intensità del segnale ricevuto se è inferiore a un valore di soglia.
• Il rapporto portante / interferenza è inferiore a 18 dB.

Interferenza del canale adiacente

Una determinata cella / settore utilizza una serie di canali RF. A causa di filtri del ricevitore imperfetti, che consentono alle frequenze vicine di penetrare nella banda passante, si verifica un'interferenza del canale adiacente.

Può essere ridotto mantenendo le separazioni di frequenza tra ciascun canale RF in una data cella più ampie possibile. Quando il fattore di riutilizzo è piccolo, questa separazione potrebbe non essere sufficiente.

Una separazione dei canali, selezionando le frequenze RF, che sono distanti più di 6 canali, è sufficiente per mantenere entro i limiti le interferenze dei canali adiacenti.

Ad esempio, in GSM che segue il modello 4/12, N = 4

Settori = 3 / cella

IA utilizzerà RF Carr. 1, 13, 25, ……… ..

IB utilizzerà RF Carr 5, 17, 29, …………

IC utilizzerà RF Carr. 9, 21, 33, ……… .. e così via.

Trunking

Le radio cellulari si basano sul trunking per accogliere un gran numero di utenti in uno spettro radio limitato. Ad ogni utente viene assegnato un canale in base alle necessità / per chiamata e alla fine della cella, il canale viene restituito al pool comune di canali RF.

Grado di servizio (GOS)

A causa del trunking, è probabile che una chiamata venga bloccata se tutti i canali RF sono occupati. Questo è chiamato "GOS" "Grado di servizio".

Il progettista cellulare stima la capacità massima richiesta e alloca il numero appropriato di canali RF, al fine di soddisfare il GOS. Per questi calcoli, viene utilizzata la tabella "ERLANG B".

Divisione cellulare

Quando il numero di utenti raggiunge una saturazione in una cella di avvio (progettazione iniziale) e non è più disponibile una frequenza di riserva, la cella di avvio viene suddivisa, di solito in quattro celle più piccole e il traffico aumenta di quattro o più numero di abbonati può essere servito.

Dopo 'n' split, il traffico sarà:

T2 = T0 × 42

La potenza sarà ridotta -

P2 = P0 - n × 12 db

Quindi la divisione delle celle migliora la capacità e riduce la potenza di trasmissione.