Comunica t i i Mobile

8/17/2019 Comunica t i i Mobile

1/368

I o n B O G D A N

COMUNICA Ţ II MOBILE


2/368

P R E F A Ţ Ă

În ultimii ani domeniul comunica ţ iilor mobile şi-a continuat dezvoltarea impetuoasă din anii anteriori, confirmând cele mai optimiste previziuni, dar şi-a modificat semnificativcon ţ inutul. Pia ţ a comunica ţ iilor mobile nu mai este dominat ă de transmisiile simple devoce, transmisiile de date constituie acum un segment important şi în rapid ă cre ştere. Dezvoltarea tehnologică a permis pă trunderea comunica ţ iilor mobile în zone deneimaginat până de curând: navigarea pe Internet, transmisiile TV de înalt ă defini ţ ie,accesarea on-line a site-urilor de filme (pay TV) sau muzică etc.

Prezenta lucrare, organizat ă în 13 capitole, î şi propune să prezinte principiile debază ale organizării sistemelor mobile de radiocomunica ţ ii, parametrii şi performan ţ eleacestora, precum şi principiile generale de management al resurselor de comunica ţ ii.

În prima parte se prezint ă principiul celular de organizare a re ţ elelor mobile ce st ă la baza reu şitei lor spectaculoase, se analizează cu un instrument matematic adecvat foartecomplexul mediu electromagnetic radiomobil şi se trec în revist ă principalele tehnici de

acces multiplu utilizate. Se tratează în detaliu recep ţ ia cu diversitate ca punct de plecare pentru receptorul Rake şi tehnicile MIMO (Multi-Input-Multi-Output) moderne de cre şterespectaculoasă a capacit ăţ ii re ţ elelor mobile, precum şi tehnica de acces multiplu cudiviziune în cod (CDMA), aplicat ă comercial pe scar ă extrem de largă pentru prima dat ă în comunica ţ iile celulare (standardul american cdmaOne) şi utilizat ă ca tehnologie de bază pentru sistemele din a treia genera ţ ie unde î şi dovede şte pe deplin performan ţ ele.

Lucrarea prezint ă în detaliu parametrii standardului GSM pe baza căruia au fostimplementate aproape trei sferturi din re ţ elele actuale de comunica ţ ii mobile şi care


3/368

gestionează comunica ţ iile a peste un miliard de abona ţ i. Sunt prezentate, deasemenea,tehnologiile ce au permis cre şterea vitezei nete de transmisie a datelor în re ţ elele GSM: HSCSD, GPRS, EDGE.

Standardul DECT este inclus în grupul de standarde prezentate în aceast ă lucrare pentru succesul de pia ţă repurtat în domeniul comunica ţ iilor din mediul reziden ţ ial, indoor

şi rural.Evident că din lucrare nu putea lipsi familia de standarde din a treia genera ţ ie de

comunica ţ ii mobile, cea care este identificat ă ast ă zi ca tehnologia de vârf ce permite celemai sofisticate aplica ţ ii de comunica ţ ii mobile. Accentul este pus pe standardul UMTS careeste elaborat în ideea asigur ării unei tranzi ţ ii simple dinspre GSM şi care, de aceea, paresă î şi asigure un loc privilegiat pe pia ţ a aplica ţ iilor de comunica ţ ii mobile.

În sfâr şit, sunt incluse capitole dedicate principiilor de proiectare asistat ă decalculator a re ţ elelor celulare, tehnologiei Bluetooth, localizării terminalelor mobile pearia unei re ţ ele celulare, formării diagramei de radia ţ ie antenelor şi, respectiv, uneitehologii MIMO de succes: BLAST.

Abordarea se dore şte una riguros ştiin ţ ifică şi lipsit ă de aspectele comerciale aleunui domeniu cu un imens succes de pia ţă , întrucât se adreseză cercului restrâns de profesioni şti ca pabili să proiecteze şi să gestioneze eficient re ţ ele de comunica ţ ii de oasemenea complexitate.


4/368

C U P R I N S

1. REŢELE CELULARE PENTRU COMUNICAŢII MOBILE .........................................1 Elemente fundamentale ale conceptului celular .............................................................. 1Propriet ăţ i ale geometriei celulare .................................................................................6

Arhitectura unui sistem celular .......................................................................................8 Definirea şi distribu ţ ia seturilor de canale ................................................................... 11Calitatea serviciului de comunica ţ ie ............................................................................. 13Capacitatea unui sistem celular ....................................................................................14Cre şterea capacit ăţ ii sistemelor celulare ...................................................................... 20

Sisteme celulare cu organizare ierarhizat ă ....................................................................25Traficul în sisteme celulare ........................................................................................... 28

2. CANALUL RADIOMOBIL: ESTIMAREA VALORII MEDII A PUTERIIRECEPŢIONATE ..........................................................................................................33Pierderi de propagare ................................................................................................... 33

Fenomene asociate propag ă rii undelor radio .........................................................33Pierderi de propagare în aer liber .......................................................................... 36Pierderi de propagare prin reflexie ......................................................................... 37Pierderi de propagare prin difrac ţ ie ....................................................................... 44

Modele de propagare pe scar ă larg ă ............................................................................ 54 Modelul Walfish-Bertoni .........................................................................................55 Modelul Okumura .................................................................................................... 59 Alte modele .............................................................................................................. 62 Modele deterministe ................................................................................................ 63

3. CANALUL RADIOMOBIL: MODELE PENTRU FADING .......................................75 Modele de propagare pe scar ă mic ă .............................................................................. 75

Modelul de câmp împr ăş tiat pentru fading .............................................................. 76 Modelul tip r ăspuns la impuls pentru fading ...........................................................79

Modele statistice pentru canalul radiomobil..................................................................81 Distribu ţ ia statistic ă a timpilor de sosire ................................................................ 81 Distribu ţ ia statistic ă a amplitudinilor ..................................................................... 82


5/368

Cuprins

Distribu ţ ia statistic ă a fazelor ................................................................................. 87 Dispersia întârzierii şi banda de coeren ţă ............................................................... 88 Dispersia Doppler şi timpul de coeren ţă ................................................................. 89Tipuri de fading ....................................................................................................... 90

Recep ţ ia cu diversitate ................................................................................................... 91Tehnici de diversitate ............................................................................................... 92

Analiza tehnicilor de combinare .............................................................................. 94

4. TEHNICI DE ACCES MULTIPLU .............................................................................102Criterii de selec ţ ie ....................................................................................................... 102

Diviziune în frecven ţă (FDMA) ................................................................................... 103 Diviziune de timp (TDMA) .......................................................................................... 104 Rezervare de pachete (PRMA) ....................................................................................106 Diviziune ortogonal ă în frecven ţă (OFDMA) .............................................................108Transmisii cu spectru extins ........................................................................................ 112

Acces multiplu cu diviziune de cod (CDMA) ...............................................................116Secven ţ e de cod Walsh-Hadamard ................................................................... 117Secven ţ e de zgomot pseudoaleator ................................................................... 119Capacitatea unui sistem CDMA ....................................................................... 122Controlul puterii de emisie .............................................................................. 124

Limitarea spa ţ ial ă a controlului puterii de emisie ........................................... 126Caracteristicile tehnicii CDMA ....................................................................... 127

CDMA cu cod unic ........................................................................................... 129CDMA cu anularea interferen ţ ei ..................................................................... 130

5. MANAGEMENTUL RESURSELOR DE COMUNICAŢII ........................................134Clasificarea algoritmilor de alocare ........................................................................... 134

Metode statice de alocare a canalelor ........................................................................ 136 Metode de alocare dinamic ă ....................................................................................... 138

Metode de alocare dinamic ă cu control centralizat .............................................. 140 Metode de alocare dinamic ă cu control distribuit ................................................. 141 Metode de alocare pentru sisteme unidimensionale .............................................. 144

Compara ţ ie între metodele statice şi cele dinamice .................................................... 145 Alocare static ă şi dinamic ă .........................................................................................147Tratarea prioritar ă a transferurilor ............................................................................ 147Tehnici suplimentare de cre şt ere a eficien ţ ei de utilizare a canalelor ........................149

Dimensionarea benzii de frecven ţă ............................................................................. 150

6. SISTEME DIGITALE DE COMUNICAŢII MOBILE (2G) .......................................151SISTEME G.S.M. ........................................................................... 152

Considera ţ ii generale .................................................................................................. 152 Arhitectura unui sistem GSM ...................................................................................... 155

Subsistemul de re ţ ea .............................................................................................. 155Subsistemul radio .................................................................................................. 157Subsistemul opera ţ ional şi de între ţ inere .............................................................. 162


6/368

Cuprins

Structura unei re ţ ele GSM ........................................................................................... 163 Eviden ţ a şi gestionarea mobilelor ............................................................................... 164 Asigurarea securit ăţ ii comunica ţ iei ............................................................................ 166 Accesul multiplu .......................................................................................................... 168Salve de comunica ţ ie ................................................................................................... 174Canale logice şi canale fizice ......................................................................................177Sincronizarea şi localizarea sta ţ iei mobile ................................................................. 183Stabilirea unei leg ă turi de comunica ţ ie ...................................................................... 185Prelucrarea semnalului vocal ..................................................................................... 190Codarea de canal ........................................................................................................ 195

Codarea semnalului vocal .....................................................................................195Codarea pentru transmisiile de date ..................................................................... 198

Modula ţ ia ....................................................................................................................201

SISTEME D.E.C.T. ......................................................................... 203 Istoric .......................................................................................................................... 204 Arhitectura sistemelor DECT ......................................................................................205Considera ţ ii privind alegerea parametrilor standardului ........................................... 207

Nivelul fizic al DECT .................................................................................................. 210 Evolu ţ ii preconizate ..................................................................................................... 217

SISTEME cdmaOne ........................................................................218

7. SISTEME 2,5G ............................................................................................................220 HSCSD ........................................................................................................................ 221GPRS ........................................................................................................................... 223

Arhitectura unui sistem GPRS ............................................................................... 224 Definirea st ă rilor de management al mobilit ăţ ii ................................................... 230 Accesul multiplu şi principiile gestion ă rii resurselor radio .................................. 231Canale logice în GPRS ..........................................................................................232

Definirea canalelor fizice pentru transmisii de date în pachete ............................ 234Codarea de canal ...................................................................................................234Conlucrarea cu re ţ elele IP ....................................................................................236

EDGE .......................................................................................................................... 238

8. FAMILIA DE STANDARDE IMT-2000 (3G) ............................................................241 Introducere .................................................................................................................. 241UMTS .......................................................................................................................... 244

Arhitectura .............................................................................................................244Controlul puterii de emisie ....................................................................................246Transferul ..............................................................................................................247

Nivelul fizic al UMTS ............................................................................................ 252Parametrii de baz ă ...........................................................................................252Func ţ iile nivelului fizic ..................................................................................... 253

Canale de comunica ţ ie .......................................................................................... 259Canale partajate .............................................................................................. 261Formate de transport ....................................................................................... 262


7/368


8/368

Cuprins

13. TEHNOLOGIA BLAST .............................................................................................. 345Configura ţ ii de baz ă ..................................................................................................... 345

Modelarea canalului radio........................................................................................... 349Capacitatea de transmisie ............................................................................................ 351

Rezultate ale simul ă rii..................................................................................................354

BIBLIOGRAFIE ......................................................................................................... 357


9/368


10/368

C A P I T O L U L

1RE ŢELE CELULAREPENTRU COMUNICA Ţ II MOBILEPrin comunicaţie se înţelege un serviciu telefonic (comunicaţii

vocale), transmisii de imagini statice sau în mişcare, transmisii fax,transmisii de date, poştă electronică sau transmisii multimedia (transmisiisimultane de voce, imaginişi de date, asociate sau complementareinformaţional). O reţea de comunicaţii prin radio se numeşte:

• fixă , dacă antena utilizatorului nu-şi modifică poziţia;

• portabil ă , dacă antena utilizatorului se deplasează între două serviciide comunicaţie, dar r ămâne fixă în timpul comunicaţiei;•mobil ă , dacă antena utilizatorului este în mişcare în timpul efectuării

comunicaţiei.Utilizatorii mobili pot comunica între ei fie direct, fie prin staţii

intermediare (repetoare pasive, staţii de bază, staţii de comutare). Dacă toateacestea sunt instalate pe sol reţeaua se numeşte re ţ ea mobil ă terestr ă . Dacăcel puţin una se află pe satelit reţeaua se numeşte re ţ ea mobil ă prin satelit . Înfuncţie de localizarea utilizatorilor reţelele de radiocomunicaţii mobile seclasifică în terestre , maritime , aeronautice şi spa ţ iale . Reţelele deradiocomunicaţii mobile asigur ă utilizatorilor posibilitatea de a se deplasaliber în zona de acoperire în timp ce comunică între ei.

1.1 - Elemente fundamentale ale conceptului celular

Scopul dezvoltării conceptului celular de organizare a unei reţele decomunicaţii este acela de a avea posibilitatea creşterii, teoretic, nelimitate acapacităţii reţelei folosind o bandă de frecvenţă dată. Deşi principiul


11/368


12/368

Re ţ ele celulare pentru comunica ţ ii mobile

3

în care se află emiţătorul se numeşte sediul celulei. O posibilă distribuţie acelulelor este cea prezentată în figura 1.1.

Figura nr. 1.1 - Exemplu de re ţ ea celular ă

În principiu, distribuţia emiţătoarelor nu trebuie să fie regulată, iar celulele nu trebuie să aibă o formă anume. Celulele notate cu litere diferiteutilizează seturi diferite de canale pentru evitarea interferenţelor izocanal.Deci, o celulă are şi semnificaţia suplimentar ă că este zona în care esteutilizat pentru comunicaţie un set dat de canale. Celule suficient deîndepărtate (precum, de exemplu, A1, A2 şi respectiv, D1, D2) pot utilizasimultan acelaşi set de canale.

Prin reutilizarea spaţială a frecvenţelor o reţea celular ă decomunicaţii mobile poate susţine simultan un număr de comunicaţii mult maimare decât numărul total de canale alocate. Factorul de multiplicare este o

funcţie de mai mulţi parametri ai reţelei, dar, în principal, de numărul total decelule.

A1B1

C1

D1E1

F1 A2

G1H1 I1

D2


13/368


14/368


5

În figura 1.2 se ilustrează divizarea celulei F1 în care se presupune căcererea de trafic depăşeşte capacitatea celulei de m canale. Vechea celulă F1este divizată în patru celule mai mici notate H3, I3, B6, C6. Dacă traficulcreşte peste capacitateşi în alte celule, se divizează şi acestea, astfel că, într-un stadiu avansat al evoluţiei reţelei celulare, ea conţine numai celule mici(figura 1.3).

Figura nr. 1.3 - Structura re ţ elei dup ă divizarea celulelor

Tehnicile de reutilizare a frecvenţei şi de divizare a celulelor permitreţelelor celulare de să îşi atingă obiectivul susţinerii unui număr foarte marede comunicaţii într-o arie dată utilizând un spectru restrâns de frecvenţă.Divizarea celulelor permite, deasemenea, adaptarea distribuţiei spaţiale acanalelor la distribuţia reală de trafic, deoarece zonele cu trafic mic suntservite de celule cu arie mare ce au la dispoziţie acelaşi număr de canale caşi

celulele de arie mică (microcelule) ce servesc zone de arie mai mică, dar cutrafic mai intens.

A3 B3 C3

D7

E3

A5

G7

H6I6

D5

H3

B6

I3

C6

D3 F3 D4

A4B8

C8

E8 F8

G8 H8

A7B7

I8 G3

C7 A6

E7

H7

F7

I7

D6

G6

E6 F6

G5

E5

H5

G4H4

B5


15/368


6

1.2 - Propriet ăţ i ale geometriei celulare

Scopul principal al definirii celulelor într-o reţea de comunicaţiimobile este acela de a delimita zonele în care fie un set dat de canale, fie unemiţător dat sunt utilizate de mobile cel puţin preferenţial, dacă nu exclusiv.O limitare geografică rezonabilă a utilizării unui canal este impusă denecesitatea evitării interferenţei izocanal. O structur ă de celule rezultată din proiectare se implementează practic prin poziţionarea corespunzătoare aemiţătoarelor, alegerea convenabilă a diagramelor de radiaţie a antenelorşi prin alegerea corectă a emiţătorului ce serveşte un apel de comunicaţie.

Aşezarea neregulată a emiţătoarelorşi forma oarecare a celulelor sunt

caracteristici inerente reţelelor implementate practicşi se datorează atâtneregularităţii formelor de reliefşi a construcţiilor aflate pe aria de serviciu,cât şi distribuţiei neuniforme a traficului oferit de utilizatori. O structur ăregulată este, însă, foarte utilă pentru analizaşi proiectarea sistematică areţelelor celulare, precumşi pentru extragerea principalelor proprietăţi cederivă din această arhitectur ă.

O celulă reprezintă aria de acoperire a unui emiţător. Dacă acestautilizează o antenă omnidirecţională şi terenul este perfect plan, atunci celularezultă de formă circular ă. Deşi considerentele de propagare, recomandăforma circular ă a celulelor, aceasta este improprie pentru proiectare,deoarece un ansamblu de cercuri conduce la ambiguităţi, cu puncte ce apar ţinfie mai multor celule, fie la nici o celulă. Se prefer ă, de aceea, celule deforma unui poligon regulat ce aproximează cerculşi care permite acoperireaariei cu celule identice f ăr ă suprapuneri sau goluri. Există trei asemenea poligoane: triunghiul echilateral, pătratul şi hexagonul. Din motive

economice cercetătorii de la Bell Laboratories care au introdus conceptulcelular au ales forma hexagonală a celulelor, formă ce este utilizată şi astăzi.Motivaţia economică a alegerii este susţinută prin analiza cazului cel

mai defavorabil. Oricare ar fi forma celulei emiţătorul se află în centrul ei.Punctele cu cel mai mic nivel al câmpului radiat se află în vârfurile poligonului, deoarece au cea mai mare distanţă faţă de centru. Pentru aceeaşidistanţă vârf-centru (de fapt, rază a cercului circumscris) hexagonul are ariacea mai mare. Deci, pentru a acoperi aceeaşi suprafaţă este nevoie de mai puţine hexagoane, decât pătrate sau triunghiuri echilateraleşi, în consecinţă,de mai puţine emiţătoare (deci, cost mai mic). Concluzia este că o reţea cu


16/368


7

celule hexagonale costă mai puţin ca o reţea cu celule pătratice sautriunghiulare dacă toţi ceilalţi factori sunt identici.

Pentru o reţea dată de celule hexagonale trebuie stabilit setul de

canale utilizabil de fiecare celulă în parte. Pentru aceasta se aleg valori, dupăanumite criterii, pentru doi parametri întregii şi j, denumiţi parametri dedeplasare . Se alege o celulă oarecare ca celulă iniţială şi i se atribuie setul decanale A. Cele mai apropiateşase celule de aceasta ce pot folosi acelaşi set Ade canale se determină prin deplasarea cui celule din centrul celulei iniţiale perpendicular pe fiecare din laturile ei, rotirea în sens pozitiv trigonometriccu 60 de gradeşi, apoi, deplasarea cu alte j celule. Se alege apoi altă celulăinţială, un alt set de canale (de exemplu, B)şi se repetă procedeul de mai sus.Procesul se termină când toate celulele din reţea au primit câte un set decanale. Structura din jurul unei celule A se repetă în jurul oricărei alte celuleA prin translaţie, f ăr ă rotaţie. În figura 1.4 este ilustrat procedeul pentruvalorile i = 3 şi j = 2.

Procedeul descris anterior poate fi modificat în sensul că deplasarease poate face întâi cu j celuleşi apoi cui celule, iar rotaţia cu 60 de grade se poate face în sens negativ trigonometric. Rezultă patru procedee distincte ce

conduc la două configuraţii ale distribuţiei canalelor, fiecare fiind simetricaceleilalte faţă de o axă.Celulele formează grupe ce se repetă în reţea denumite cluster e

(pronunţat claster ). Uncluster conţine toate seturile de canale din reţea, dar fiecare set o singur ă dată. Numărul total de celule dincluster este:

. (1.1)Deoarecei şi j sunt întregi, sunt posibile doar anumite valori N de

celule pecluster , primele în ordine crescătoare fiind:1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, 25, 27, 28, 31, ... . (1.2)

N se mai numeşe şi dimensiuneacluster- ului.Foarte des sunt utilizate valorilei = 2, j = 1, ceea ce conduce la N = 7

celule pecluster , adică sunt incluse într-uncluster numai celeşase celuleadiacente celulei de referinţă, inclusiv aceasta. În exemplul considerat maisus cui = 3 şi j = 2 uncluster cuprinde două rânduri (inele) de celule în jurulcelulei centrale− în total, 19 celule (figura 1.4).

N i2

j2

i j+ +=


17/368


8

Distanţa D ce separ ă două celule ce utilizează acelaşi set de canale senumeşte distan ţă de reutilizare izocanal, deoarece el dă separarea necesar ăîntre celule pentru evitarea interferenţei izocanal. Raportul dintre distanţa de

reutilizare D şi raza R a celulei (raza cercului în care este înscrisă celula deforma unui hexagon regulat) se numeşte coeficient de reutilizare şi senotează uzual cuq. Pe considerente geometrice se arată că:

. (1.3)

Deci, cu cât numărul N de celule pecluster este mai mare, cu atâtdistanţa între celulele ce folosesc acelaşi canal este mai mareşi, ca urmare,interferenţa izocanal este mai mică. Însă, numărul m de canale în fiecare grup(şi, deci, celulă) scade odată cu creşterea dimensiunii N a cluster ului,micşorându-se capacitatea celulei. Valoarea coeficientului de reutilizareqtrebuie aleasă ca un compromis între nivelul interferenţei izocanal şicapacitatea de traficm a fiecărei celule.

Figura nr. 1.4 - Alocarea canalelor pentru i = 3 şi j = 2

1.3 - Arhitectura unei re ţele celulare

O reţea celular ă de radiocomunicaţii mobile cuprinde (figura 1.5) uncentru de comutare (MTSO − M obile TelecommunicationsSwitchingO ffice), un număr de sta ţ ii de baz ă (BS) şi, evident,unit ăţ i mobile (MS). În

q D R---- 3 N = =

AB

CD

E

FG

HI

J

K L

M N

O

P

R S

T

AB

CD

E

FG

HI

J

K L

M N

O

P

R S

T

AB

CD

E

FG

HI

J

K L

M N

O

P

R S

T

AC

DE

J

K L

M N

O

P

AB

CD

E

FG

HI

J

K L

M

NO

P

R S

T

A

B

CD

E

FG

HI

J

K L N

O

P

R S

T

A B

CD

E

F

GH

I

J

K O

P

R S

T

AB

CE

F G

H

I

JP

R

ST

ABF

G H I

JP

R S

T

AB

CD

E

FG

HI

J

K L

M N

O

P

R S

T

CD

EK

LM

NO

B

C

L

I

J

K

H

R S

F

T

G

K

LD

NOL

M N

OP

N

E

M

M


18/368


9

prima generaţie de reţele de comunicaţii mobile procesorul central al MTSOcontrola nu numai echipamentul de comutare necesar interconectăriimobilelor între eleşi cu reţeaua telefonică fixă, ci şi funcţionarea staţiilor de

bază şi chiar unele funcţiuni ale unităţilor mobile. În reţelele actuale funcţiilede control sunt distribuite între entităţile reţelei de comunicaţie, atât dincauza volumului uriaş al informaţiei de control vehiculate în reţea, darşi cuscopul creşterii fiabilităţii reţelei.

MTSO este legat cu fiecare staţie de bază prin prin cabluri (de cupru,fibr ă optică, etc.) sau linii radioreleu. Fiecare staţie de bază conţine unemiţător/receptor (transceiver ) pentru fiecare canal alocatşi antenele deemisie şi de recepţie aferente. Staţiile de bază conţin, de asemenea,echipamente pentru monitorizarea nivelului semnalului recepţionat şi unechipament radio de control.

Figura nr. 1.5 - Arhitectura standard a unei re ţ ele celulare

O staţie mobilă conţine o unitate de control, untransceiver , o unitatelogică şi o antenă (eventual, două). Unitatea de control este o interfaţă de

BS BS BS BS BS

BS BS BS BS BS

BS BS BS BS BS

BS BS BS BS BS

MTSO


19/368


10

utilizator gen aparat portabil cu butoane de comandă şi control, indicatoareluminoase, etc.Transceiver ul este cu sinteză de frecvenţă pentru a se puteaacorda rapid pe oricare dintre canalele alocate. Unitatea logică interpretează

acţiunile utilizatorului şi comenzile primite din reţea controlândtransceiver ul şi unităţile de control. Pentru emisie este utilizată o singur ăantenă. Pentru recepţie se pot utiliza două antene pentru a beneficia derecepţia cu diversitate.

Câteva dintre canalele radio alocate sunt utilizate drept canale decontrol pentru efectuarea operaţiunilor necesare stabilirii, monitorizării şiterminării comunicaţiilor. Aplicând acelaşi principiu al utilizării eficiente aspectrului de frecvenţă numărul canalelor de control este redus la minimum.Obişnuit, fiecare staţie de bază are un singur canal de control. Din mulţimeacanalelor de control din reţea o staţie mobilă alege pentru monitorizare pe celrecepţionat cu nivel maxim. Ea se acordă automat pe acest canal, sesincronizează şi interpretează datele recepţionate. În cea mai mare parte atimpului staţia mobilă se află în această stare. Eventual, se reacordă pe altcanal de control dacă recepţia celui curent nu se face în condiţiisatisf ăcătoare. Datele recepţionate pe canalul de control conţin şi numerele

de identificare ale staţiilor mobile solicitate pentru convorbiri. Când o unitatemobilă detectează propriul număr de identificare, ea măsoar ă nivelulsemnalului pe canalele de control recepţionate şi transmite un semnal der ăspuns pe canalul, deci către staţia de bază, cu cel mai mare nivelrecepţionat. Reţeaua alocă automat un canal de trafic unităţii mobile (dacăeste unul disponibil)şi stabileşte, astfel, o legătur ă de comunicaţie între ceidoi utilizatori.

Pe parcursul desf ăşur ării comunicaţiei, la intervale de timp regulate,reţeaua măsoar ă nivelul semnalului recepţionat de la mobilşi, eventual,decide transferul comunica ţ iei către o altă staţie de bază. Dacă identifică oasemenea staţie de bază transferul (handover sauhandoff ) înseamnă, de fapt,alocarea unui nou canal de comunicaţie din setul repartizat noii staţii de bază.

Transferul unei comunicaţii reprezintă un fenomen specific reţelelor celulare de comunicaţii mobile, fiind impus de existenţa simultană a celor două caracteristici distinctive: mobilitatea utilizatorilorşi susţinereacomunicaţiilor acestora de staţii de bază diferite pe arii geografice (celule)diferite. La trecerea unui utilizator dintr-o celulă în alta, comunicaţia acestuiatrebuie preluată de staţia de bază a noii celule, deci, trebuie transferată.


20/368


11

Succesul de piaţă al comunicaţiilor mobile se datorează în mare măsur ăfaptului că s-au găsit soluţii tehnice performante pentru menţinerea subcontrol a acestui fenomen care, în reţelele din prima generaţie, era

principalul factor generator de insatisfacţie a utilizatorilor prin întreruperea,aparent f ăr ă motiv, a unei comunicaţii în desf ăşurare.Transferul comunicaţiei în accepţiunea lui iniţială este denumit

actualmente transfer intercelular pentru a-l deosebi de transferulintracelular ce constă în trecerea comunicaţiei pe un nou canal, chiar dacămobilul nu păr ăseşte celula. Transferul intracelular este impus fie denecesitatea creşterii calităţii comunicaţiei în cauză, fie de redistribuirea maimultor comunicaţii pe canalele aceleiaşi celule în vederea obţinerii unuicanal apt de a servi un nou apel sau o cerere de transfer.

Un al doilea fenomen specific reţelelor celulare de comunicaţiimobile estelocalizarea utilizatorilor. Din cauza deplasării între două sesiunide comunicaţie poziţia unui utilizator în reţea nu este cunoscută cu precizieîn fiecare momentşi, în eventualitatea apelării lui de către un alt utilizator,determinarea poziţiei lui ar însemna un consum mare de resurse decomunicaţie (trebuind a fi căutat, practic, pe întreaga arie a reţelei). În acelaşi

timp se induceşi un anume grad de insatisfacţie utilizatorului chemător printimpul mare de aşteptare pentru stabilirea legăturii de comunicaţie. Procesulde localizare constă în transmiterea periodică a unui mesaj dinspre utilizatoricătre MTSO, chiar dacă aceştia nu se află în comunicaţie. MTSO memoreazăîn baze de date speciale poziţiile utilizatorilor (de fapt, celulele în careaceştia se află) în urma fiecărei acţiuni de localizareşi transmite, când estenevoie, apelul de comunicaţie către acea celulă. Dacă intervalul de timpdintre localizări este scurt aceasta esteşi celula în care se află realmenteutilizatorul chemat.

1.4 - Definirea şi distribu ţ ia seturilor de canale

Calitatea comunicaţiei, costul reţelei şi adaptarea ei la creşterile detrafic ulterioare implementării depind esenţial de modul în care sunt alcătuitegrupele (seturile) de canaleşi cum sunt ele distribuite celulelor. Obiectivul principal în această fază este reducerea interferenţei cu canalul adiacent. În principiu acest tip de interferenţă este redus prin selectivitatea filtrului defrecvenţă intermediar ă (FI) din receptor. Dacă însă semnalul perturbator pe


21/368


12

canalul adiacent este cu mult mai mare ca semnalul util de pe canalul propriu, cerinţele de selectivitate impuse filtrului de FI devin prea severeşiacesta nu le poate îndeplini. De exemplu, dacă un mobil se află la o distanţă

faţă de staţia de bază de 10 ori mai mare ca un altul ce comunică cu aceeaşistaţie de bază pe un canal adiacent, atunci raportul semnal/interferenţă pentru primul mobil este de−40 dB (admiţând că mobilele emit puteri egaleşi căatenuarea de propagare este propor ţională cu puterea a patra a distanţei). Înaceste condiţii filtrul de FI nu poate elimina practic perturbaţia şicomunicaţia este compromisă. De aceea, se evită alocarea a două canaleadiacente aceleiaşi celule.

În definirea seturilor de canale pentru fiecare celulă se urmăreşte cadiferenţa de frecvenţă dintre canale să fie cât mai mare. De exemplu, pentrucelulai din clusterul cu N celule se aleg canalele:

.

Figura nr. 1.6 - Exemplu de distribu ţ ie a canalelor f ă r ă canale adiacente încelule vecine

i i N + i 2 N + i 3 N +, , , …… 1 i N ≤ ≤

11

5

2

4

7

10

8

1

6

3

9

12

11

11

1 1

2

3 34

5

5

7

7

8

9

9

10

12

12

4


22/368


13

Tot pentru micşorarea interferenţei cu canalul adiacent se evită, pe cât posibil, utilizarea canalelor adiacente în celule vecine. În figura 1.6 este prezentată o posibilă repartiţie a celor 12 seturi de canale în celulelecluster -

ului. Fiecare set i conţine canalele cu numerele în conformitate cu relaţiaanterioar ă. Se observă că nu există două celule vecine care să aibă canaleadiacente (seturile 12şi 1 conţin canale adiacente deoarece în setul 1 suntincluse canalele 1, 13, 25, ... ).

De notat că neutilizarea canalelor adiacente în celule vecine nu este ocondiţie obligatorie, ci doar o posibilitate de a micşora nivelul perturbaţiilor.Această condiţie era respectată în toate reţelele analogice de comunicaţiimobile din prima generaţie. În reţelele digitale ale generaţiei a doua filtrelede canal sunt suficient de performante pentru a folosi simultan canaleadiacente în celule vecine, iar în reţelele mobile din a treia generaţie se poatechiar aloca simultanacela şi canal către doi utilizatori aflaţi pe ariaaceleia şicelule prin utilizarea de sisteme adaptive de antene (antene inteligente).

1.5 - Calitatea serviciului de comunica ţ ie

Parametrul global prin care se caracterizează un serviciu decomunicaţie estecalitatea comunica ţ iei (GOS− G radeO f Service sau QoS -Q uality of Service), care reprezintă gradul de satisfacţie a utilizatoruluiservit şi este o mărime subiectivă. Tehnic, calitatea comunicaţiei esteexprimată prin probabilitatea ca un anumit indicator să nu depăşească un prag prestabilit, pentru un anumit procent de timp, într-un anumit procent dinaria acoperită (arie de serviciu).

De exemplu, calitatea unei transmisii de date este apreciată casatisf ăcătoare dacă viteza medie a erorii pe bit (BER− Bit E rror Rate) estemai mică de 10-5 sau dacă viteza medie a erorii pe bit este mai mică de 10-2în fiecare pachet sau dacă viteza medie de eroare pe bitul de control este maimică de 10-3 în fiecare pachet, fiecare dintre acestea pentru cel puţin 90% dinaria de serviciuşi pentru cel puţin 90% din timpul de funcţionare. Însă nunumai viteza medie a erorii pe bit afectează calitatea transmisiei. Mai estenecesar ca timpul de procesare a unui pachet de date să fie cât mai mic

posibil (de exemplu, sub 10 milisecunde), probabilitatea de coliziune încazul accesului multiplu să fie minimă (de exemplu, sub 20%),


23/368


14

probabilităţile de alertă falsă, de pierdere a unei legături sau de blocare a unuiapel să fie, de asemenea, minime.

Pentru comunicaţii vocale, din punctul de vedere al furnizorului de

servicii de comunicaţie, esenţială este calitatea comunicaţiei percepută deutilizatori, motiv pentru care este necesar a se stabili corespondenţa dintre parametrii tehnici obiectivi de măsurare a calităţii comunicaţiei şi efectulsubiectiv asupra utilizatorilor. S-au f ăcut, de aceea, unşir de experimenteasupra unor grupuri arbitrare de persoane. Fiecare persoană a trebuit săaprecieze calitatea sunetului recepţionat prin cinci atribute: proast ă (0),slab ă (1), acceptabil ă (2), bun ă (3) sau excelent ă (4). Media notelor pefiecare grup de test reprezintă opinia medie − MOS (M ean O pinionScore).Există o mare diferenţă între nivelele raportului semnal/zgomot ce furnizeazăaceeaşi valoare a MOS pentru diverse reţele de comunicaţii. Astfel, în cazulreţelelor fixe de comunicaţii pentru o valoare de 4 (excelent) a coeficientuluiMOS este nevoie de un raport semnal/zgomot mai mare de 45 dB. În cazulreţelelor de radiocomunicaţii mobile este nevoie de un raport semnal/zgomotde 25 dB pentru un calificativ excelent (4)şi de numai 18 dB pentru uncalificativ bun (3).

Această exigenţă mai scăzută a utilizatorilor faţă de primele reţele decomunicaţii mobile a fost interpretată ca un anume preţ pe care ei înţeleg să-l plătească în schimbul mobilităţii. Datorită progreselor tehnologice foartemari calitatea comunicaţiei ce poate fi realizată în reţelele mobile actualeeste foarte apropiată de cea din reţelele fixe, motiv pentru careşi exigenţautilizatorilor mobili a crescut, ei aşteptând aceeaşi calitate foarte bună acomunicaţiei, chiar dacă sunt în mişcare.

1.6 - Capacitatea unei re ţele celulare

Capacitatea maximă teoretică a unei reţele celulare este produsuldintre numărul total M de canale definite în reţea şi numărul de clustere N k definite pe aria reţelei. Această limită nu poate fi atinsă practic deoarece dacăla un moment dat toate canalele din toate celulele reţelei ar fi ocupate,interferenţele pe anumite canale în unele celule să fie prea mari şi

comunicaţiile respective să fie de calitate slabă sau chiar imposibil desusţinut. De aceea, o măsur ă mai adecvată a capacităţii unei reţele celulare oreprezintă num ă rul maxim de comunica ţ ii simultan sus ţ inute pe aria reţelei


24/368


15

cu condiţia ca fiecare comunicaţie să aibă un nivel al calit ăţ ii superior unui prag minim prestabilit, acesta fiind totdeauna mai mic decât produsul

.

Principalul fenomen care limitează superior capacitatea de trafic înreţelele celulare este interferenţa. Aceasta se poate datora influenţeireciproce dintre comunicaţiile din aceeaşi celulă sau din celule apropiategeografic (interferen ţ e proprii sau interne ) sau interacţiunii cu alte reţele decomunicaţii ce lucrează pe aceeaşi arie geografică (interferen ţ e externe ).Dintre interferenţele externe cele mai importante apar din partea reţelelor celulare concurente din zona geografică respectivă, deoarece lucrează în

benzi de frecvenţă adiacente sau chiar suprapuse. Interferenţele externe se pot limita la valori de prag prestabilite prin amplasarea adecvată aemiţătoarelor reţelelor şi coordonarea frecvenţelor şi puterilor de emisie.Interferenţele proprii sunt cele mai importanteşi pot fi menţinute sub un prag prestabilit numai printr-o proiectare judicioasă a reţelei celulare şi oadministrare eficientă a acesteia.

Interferenţele proprii ale unei reţele celulare includ, în principal,interferen ţ ele izocanal − adică între comunicaţii desf ăşurate pe canaleidentice, dar în celule diferite,şi interferen ţ e între canale adiacente − adicăîntre comunicaţii desf ăşurate pe canale alăturate în frecvenţă, utilizatoriirespectivi aflându-se în aceeaşi celulă sau în celule vecine. În reţelele mobiledigitale de astăzi interferenţa cu canalul adiacent este rejectată în principal defiltrele de canal ale emiţătorului şi receptorului, filtre ce limitează spectrulsemnalului emisşi, respectiv, recepţionat numai la banda de frecvenţă acanalului de lucru, puterea emisă (recepţionată) în (din) afara benzii fiindneglijabil de mică. Numai în reţelele analogice din prima generaţiecaracteristica de frecvenţă a filtrelor de canal avea pantă prea mică pentru arejecta eficient canalul adiacent, astfel că utilizarea de canale adiacente înaceeaşi celulă sau în celule vecine geografic era imposibilă din cauzascăderii dramatice a calităţii comunicaţiilor.

Celulele cărora le-a fost repartizat acelaşi set de canale se numesccelule izocanal . Limitarea interferenţei reciproce(interferenţă izocanal) serealizează numai prin menţinerea unei distanţe suficient de mari între

celulele izocanal. Creşterea puterii de emisie nu are nici un efect asupraraportului semnal/interferenţă deoarece puterea utilă şi puterile deinterferenţă cresc în aceeaşi propor ţie. Pentru o reţea plană cu celule

M N k ×


25/368


16

hexagonale identiceşi distribuţie uniformă a canalelor pe aria reţeleisepararea necesar ă a celulelor izocanal revine la a alege o valoare adecvată pentru distanţa de reutilizare. Din modul în care se determină poziţiile

celulelor izocanal folosind parametrii de deplasare rezultă că pentru fiecarecelulă există şase celule izocanal aflate la o distanţă egală cu distanţa D dereutilizare (figura 1.7). Considerând legătura directă (staţie de bază unitatemobilă) în cazul cel mai defavorabil semnalele de interferenţă ajung în fazăşi cu aceeaşi amplitudine la mobilul aflat la marginea celulei propriişi, caurmare, raportul semnal/interferenţă la intrarea în receptor are valoareaminimă posibilă dată de relaţia:

Figura nr. 1.7 - Primul inel de celule izocanal

Măsur ătorile practice de câmp electromagnetic au ar ătat că puterea

semnalului emis scade odată cu distanţa faţă de punctul de emisie înconformitate cu o lege de forma:

D

D D

D

D D

R

C I ---- C

I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6+ + + + +--------------------------------------------------------------------------- C

6 I 1--------= =


26/368


17

(1.4)

unden esteexponentul pierderilor de propagare de valoare 3− 6 (uzual 4) înreţelele celulare, iard 0 este o distanţă arbitrar ă în apropierea punctului deemisie (dar în regiunea de radiaţie a antenei de emisie) în care putereasemnalului recepţionat are valoareaP 0. Relaţia de mai sus se poate scrieşi subforma:

(1.5)

Pe baza relaţiei (1.4) se poate scrie că:

(1.6)

Relaţia de mai sus evidenţiază influenţa dimensiuniicluster- uluiasupra rejecţiei interferenţei izocanal: la valori mari ale dimensiunii N acluster- ului raportul semnal/interferenţă C/I are valori mari, deoarece

distanţa dintre celulele izocanal este mareşi reciproc.Ipoteza puterii egale a semnalelor de interferenţă este nerealistă pentru valori mici ale dimensiuniicluster ului, caz în care distanţa dereutilizare D şi raza celulelor R au valori apropiate. În cazul cel maidefavorabil, când mobilul se află în unul din vârfurile hexagonului, surselede interferenţă se află aproximativ la distanţele D, D − R, D − R, D+R, D − R/2,respectiv , D+R/2 (figura 1.8)şi, ca urmare:

(1.7)

sau :

(1.8)

P r P 0d

d 0-----⎝ ⎠⎛ ⎞ n – =

P r dBm[ ] P 0 dBm[ ] 10n d d 0 ⁄ ( )log – =

C I ---- R

n –

6 D n – ------------- q

n

6----- 3 N ( )

n

6------------------------ C

I ----⎝ ⎠⎛ ⎞

mi n≥= = =

C I ---- R

n – Dn –

2 D R – ( )n –

D R+( )n –

+ + + D R 2 ⁄ – ( ) n – D R 2 ⁄ +( ) n – + +

⁄ C I ----⎝ ⎠⎛ ⎞

mi n≥=

C I ---- 1

2 q 1+( )n q 1 – ( )n+

q 2 1 – ( )n------------------------------------------------------------ q 0 5,+( )

nq 0 5, – ( )n+

q 2 0 25, – ( )n-----------------------------------------------------------------------1

q n-----+ +

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=


27/368


18

Figura nr. 1.8 - Distan ţ ele reale ale celulelor izocanal de pe primul inel deinterferen ţă fa ţă de mobilul interferat în cazul cel mai defavorabil

La valoarea minimă de 18 dB a raportuluiC/I şi pentru valoareauzuală n = 4 relaţia (1.6) furnizează o valoare necesar ă a coeficientului dereutilizareq = 4,41, cea ce conduce la o dimensiune acluster- ului N = 6,49.În aceleaşi condiţii relaţia (1.8) furnizeză q = 4,6şi N = 7,05. Se poate utilizao valoare N = 7 (vezi relaţia (1.2)) a dimensiuniicluster ului, chiar dacă din

relaţia (1.8) rezultă că ea trebuie să fie un întreg mai mare ca 7. Pentru N = 7,q = 4,58şi, ca urmare,C/I = 17,8 dB, valoare extrem de apropiată de limitade 18 dB furnizată de testele subiective asupra calităţii comunicaţiei.

Într-o reţea cu număr mare decluster -e luarea în consideraţie numai acelor mai apropiateşase surse de interferenţă izocanal conduce la erori mariîn aprecierea valorii raportuluiC/I . Analiza distribuţiei spaţiale a celulelor izocanal arată că pentru fiecare celulă există câteşase surse de interferenţă ladistan

ţele (figura 1.9), coeficien

ţii distan

ţei de

reutilizare D fiind succesiv valorile posibile ale dimensiunii unuicluster furnizate de relaţia (1.2). În cazul cel mai defavorabil când toate semnalele

D− R/2

D+ R D+R/2

D

D− R D− R

R

D 3 D 4 D 7 D …, , , ,


28/368


19

de interferenţă sunt în fază şi au aceeaşi putere, iar mobilul interferat se aflăla limita celulei proprii rezultă:

(1.9)

relaţie care pentru un număr mare de termeni ai sumei de la numitorşi n = 4conduce la:

(1.10)

de unde, pentru(C/I) min = 18 dB, obţinemq = 4,65şi, apoi, N = 7,2.

Figura nr. 1.9 - A şezarea pe inele de interferen ţă ale celulelor izocanal în jurul unei celule date

C I ----

qn

6 1 3( ) n –

4( ) n –

7( ) n – …---+ + + +

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------C I ----⎝ ⎠⎛ ⎞m in≥=

C

I

---- q4

7 4,----------≈ C

I

----⎝ ⎠⎛ ⎞

mi n

≥

AA

AA

A

A

A

AA

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

AA

AA

A

AA

A A

A

AA

AA

AA


29/368


20

Alegerea dimensiuniicluster -ului din condiţiile (1.6), (1.7) sau (1.9)asigur ă valoarea minimă prestabilită a raportuluiC/I în cele mai defavorabilecondiţii, când sunt ocupate simultan toate canalele repartizate în fiecare din

celulele reţelei. Ocuparea simultană a tuturor canalelor în toate celulele se produce pentru intervale de timp extrem de scurte, astfel că, de fapt, în ceamai mare parte a timpului raportulC/I este mult peste valoarea de pragşicalitatea comunicaţiilor este mai bună decât cea corespunzătoare praguluiminim.

1.7 - Cre şterea capacit ăţ ii re ţelelor celulare

Valoarea minimă impusă a raportuluiC/I determină dimensiuneacluster -ului ca număr N de celule din componenţa sa şi nu aria geografică pecare o acoper ă acesta. Celule de arie mică vor formacluster -e de dimensiunimici ce se vor repeta de un număr mare de ori pe aria de serviciuşi, de aici, ocapacitate mare a reţelei prin reutilizarea mai intensă a canalelor acesteia.Această proprietate confer ă reţelelor celulare de comunicaţie caracterul deadaptabilitate la trafic . În faza iniţială de implementare a reţelei celulare

numărul utilizatorilor este micşi se poate alege un număr mic de celule dearie mare care pot susţine comunicaţiile acestora cu respectarea condiţiei decalitate. Costul investiţional iniţial este, astfel, minimizat. În momentul încare numărul utilizatorilor creşte prea mult şi, din această cauză, scadecalitatea comunicaţiilor se poate defini un număr mai mare de celule de ariemai mică ce permit formarea unui număr mai mare decluster -e, decicreşterea capacităţii reţelei. Reţeaua celular ă îşi ajustează capacitatea detrafic în funcţie de numărul de utilizatorişi este, deci, adaptivă. Procesul demicşorare a ariei celulelor se realizează prin trei tehnici fundamentale:divizare (cell splitting),sectorizare şi zonare .

Divizarea

Divizarea celulelor constă în înlocuirea unei celule cu un număr decelule de arie mai mică (denumitemicrocelule ) prin înfiinţarea de noi sediide celuleşi desfiinţarea celor existente anterior. Este o tehnică pur teoretică

prin care se susţine afirmaţia anterioar ă a adaptivităţii unui reţele celulare.Costurile implementării practice sunt mult mai mari decât în cazul celorlaltedouă metode, motiv pentru care acestea din urmă sunt preferate.


30/368


21

Principiul divizării celulelor este prezentat în figura 1.10 în carecelulele de rază R ale unuicluster de dimensiune N = 7 sunt înlocuite cumicrocelule de rază R/2. Rezultă un număr de 24 de microcelule plus un

număr de 12 arii (haşurate în figur ă) de valoarea a 1/3 din aria uneimicrocelule ce participă la alcătuirea unor noi microcelule cu arii similaredin cluster -ele vecine. În concluzie, în locul celor 7 celule iniţiale (denumitemacrocelule, în context) au fost definite 28 de microcelule ce pot forma 4cluster -e de dimensiune 7. Rezultă că prin reducerea la jumătate a razeicelulelor, numărul total decluster e creşte de 4 orişi tot de atâtea ori creşte,teoretic,şi capacitatea reţelei.

Datorită micşor ării razei celulelor va scădea şi puterea de emisie aemiţătoarelor acestora. Astfel, dacă se admite că pierderile de propagare sunt propor ţionale cu puterea a patra a distanţei, atunci pentru asigurarea aceluiaşinivelP r al puterii câmpului la marginile celulei este necesar ca:

Figura nr. 1.10 - Formarea de microcelule prin divizare

P r αP M R4 – α P m R 2 ⁄ ( )

4 – = =

Sedii de macrocelule

Sedii de microcelule


31/368


22

de unde:

(1.11)

sau (1.12)

În relaţiile de mai sus P M reprezintă puterea de emisie înmacrocelulă, P m − puterea de emisie în microcelulă, iar α este un coeficientde propor ţionalitate.

Din motive economice sau din cauza distribuţiei neuniforme atraficului pe aria reţelei este posibil ca într-o primă etapă nu toate celulelereţelei să fie divizate în microcleule. Dacă există pe aria reţelei celule dedimensiuni diferite, atunci trebuie acordată mare atenţie repartiţiei pe celulea canalelor pentru că pot apare interferenţe izocanal mai mari decât celeestimate din cauza puterilor de emisie diferite în celule cu arii diferite. Deasemenea, este posibil ca unele macrocelule să nu fie desfiinţate, chiar dacă pe aria lor au fost definite microcelule. La nivelul macrocelulei (denumită, încontext, celulă umbrelă) se păstrează un număr din canalele iniţial repartizate pentru preluarea comunicaţiilor utilizatorilor de viteză mare. În acest felnumărul transferurilor necesare acestora se micşorează şi scade probabilitatea de întrerupere for ţată a comunicaţiilor din lipsă de canalelibere în microcelula către care se deplasează utilizatorul.

Menţinerea celulelor umbrelă permite şi o trecere graduală de laorganizarea macrocelular ă a reţelei la cea microcelular ă. Imediat dupădivizare, numărul de utilizatori pe ariile microcelulelor este micşi, dinaceastă cauză, li se repartizează un număr mic de canale din grupul aflat ladispoziţia macrocelulei devenită celulă umbrelă. Pe măsur ă ce numărul deutilizatori în microcelule creşte ele primesc din ce în ce mai multe canale pentru ca, în final, celula umbrelă să dispar ă, dacă alte considerente nuimpun menţinerea ei.

Sectorizarea

Sectorizarea este un procedeu mai economic de definire amicrocelulelor într-o reţea macrocelular ă şi constă în înlocuirea antenei

P mP M 16-------=

P m dBm[ ] P M dBm[ ] 12 – =


32/368


23

omnidirecţionale a macrocelulei cu trei, patru sauşase antene directive,fiecare acoperind numai un sector unghiular al macrocelulei. Fiecaremicrocelulă astfel definită primeşte o parte din canalele vechii macrocelule.

Creşterea de capacitate a reţelei se datorează atât micşor ării ariei celulelorşi,deci, formării a mai multorcluster -e, câtşi micşor ării distanţei de reutilizareîn urma reducerii numărului de celule izocanal, deci, micşor ării dimensiuniicluster -elor. Economicitatea sectorizării provine din faptul că sediilemicrocelulelor coincid cu sediul macroceluleişi nu mai sunt necesareinvestiţii suplimentare pentru înfiinţarea de noi sedii de celuleşi ainfrastructurii fixe asociate.

Figura nr. 1.11 - Divizarea celulelor prin sectorizare

12

3

12

3

12

3

12

3

12

3

12

3

12

3

12

3

12

3

12

3

12

3

12

3


33/368


24

Din figura 1.11 se observă că în timp ce macrocelula areşasemacrocelule izocanal pe primul inel de interferenţă, microcelulelecomponente obţinute prin divizarea în trei sectoare au numai două

microcelule izocanal pe acelaşi inel (la divizarea înşase sectoare r ămânenumai o microcelulă pe primul inel de interferenţă izocanal). Aceasta esteconsecinţa directivităţii antenelor microcelulor rezultate prin sectorizare.

Sectorizarea are două dezavantaje principale: creşterea numărului detransferuri în reţea (deoarece sunt necesare transferuri ale comunicaţiilor latrecerea mobilelor dintr-un sector în altul al macrocelulei)şi scădereaeficienţei de acces multiplu (urmare a micşor ării numărului de canale aflat ladispoziţia sectoarelor în raport cu cel al macrocelulei iniţiale). În reţelelemoderne creşterea numărului de transferuri nu mai constituie un dezavantajmajor deoarece transferul între sectoare este gestionat la nivelul staţiei de bază a macrocelulei f ăr ă a fi necesar ă intervenţia MTSO.

Zonarea

Zonarea este un procedeu modern de definire a microcelulelor careare ca scop principal creşterea raportuluiC/I în zonele aflate la marginilemacrocelulei. În plus, nu sunt necesare transferuri la trecerea dintr-omicrocelulă în alta dacă acestea provin din aceeaşi macrocelulă. Preţul plătit pentru aceasta este costul mai ridicat necesar implementării.

Tehnica zonării constă în introducerea a trei noi staţii de emisie/recepţie de putere mică, conectate cu sediul celulei prin cablu, fibr ă opticăsau linii radioreleuşi acoperind fiecare câte o “zonă” a celulei (figura 1.12).Semnalul transmis de mobil este recepţionat de toate echipamentele de zonă,amplificat, convertit pe o frecvenţă superioar ă şi transmis prin fibr ă opticăsau pe linie radioreleu către sediul celulei unde este reconvertit în banda RF areţelei. Semnalul de la staţia de bază este transmis, de asemenea, prin fibr ăoptică sau linie radioreleu, dar numai către zona ce recepţionează cel mai puternic semnal de la mobil, este reconvertit în banda RF a reţelei, amplificatşi transmis către mobil. De remarcat că, deşi semnalul de la mobil esterecepţionat de toate echipamentele de zonă, numai una din ele emite cătremobil. Prin aceasta recepţia semnalelor de la mobil se face în condiţii mai

bune, f ăr ă a creşte puterea emisă în celelalte zone. În sediul celulei seinstalează un selector de zonă pentru comutarea canalelor de la o zonă la altaîn funcţie de deplasarea mobilului. La trecerea mobilului în altă zonă se


34/368


25

modifică numai emiţătorul zonal prin care se face transmisia către mobil f ăr ăa mai fi necesar transferul comunicaţiei de pe un canal pe altul.

Figura nr. 1.12 - Divizarea celulelor prin zonare

Echipamentul zonal, compus din receptor de zgomot redus,amplificator de putereşi convertor, poate fi amplasat în centrul zonei (ca înfigura 1.12) folosind antene omnidirecţionale sau la extremitatea zonei cecoincide cu graniţa celulei, caz în care se folosesc antene directive cudeschiderea lobului de aproximativ 160 grade.

1.8 - Re ţele celulare cu organizare ierarhizat ăReţelele celulare moderne sunt proiectate pentru a oferi o gamă largă

de servicii de comunicaţii unui ansamblu de utilizatori cu mobilităţi extremde variateşi cu necesităţi de comunicaţie foarte diverse. Organizarea celular ăclasică nu poate r ăspunde satisf ăcător unor cerinţe contradictorii impuse deaceastă varietate de serviciişi mobilităţi. Astfel, celulele ar trebui să fie mari(macrocelule) pentru a acoperi cu costuri minime o arie geografică mare şi

pentru a micşora numărul de transferuri pentru utilizatorii de mobilitatemare. Pe de altă parte celulele ar trebui să fie mici (microcelule) pentru a permite un grad mare de reutilizare a frecvenţei pe aria reţelei, darşi pentru a

Selector de zonăBloc de

scanareRecep-tor

Sediulcelulei

Tx

RxRx

Rx

Tx/Rx

Tx - Emisie Rx - Recepţie

Toate zonele recep ţ ioneaz ă semnalul de la mobil, dar emite numai cea încare se afl ă mobilul (ha şurat ă )


35/368


26

putea oferi utilizatorilor capacităţi de comunicaţie sporite. Mai mult, reţelelemobile din a treia generaţie (3G) includşi reţelele de comunicaţii indoor , ceacoper ă cu servicii de comunicaţie clădirileşi lucrează în conformitate cu un

alt standardşi în altă gamă de frecvenţă decât reţelele outdoor , iar celulelelor au raze de ordinul zecilor de metri (picocelule).Aceste cerinţe vor putea fi îndeplinite simultan în mod eficient de

către o reţea unică de comunicaţii numai dacă reţeaua celular ă se organizează pe nivele ierarhice (figura 1.13). Astfel, zonele dens locuite cu intensităţimari ale traficului oferit sunt acoperite de microcelule cu raze de ordinulsutelor de metrişi staţii de bază de putere mică amplasate la nivelul lămpilor de iluminat stradal. Clădirile mari sunt acoperite de celule cu raza de ordinulzecilor de metri (picocelule), centrul de coordonare al reţelei fiind conectat lacel de control al reţelei microcelulare pentru a permite comunicaţii întreutilizatorii celor două tipuri de reţele. Fiecare reţea picocelular ă este tratatăde cea microcelular ă ca o celulă a sa. Zonele rurale cu trafic scăzut suntacoperite de macrocelule cu raze de ordinul kilometrilor sau zecilor dekilometri, cu staţii de bază de putere mareşi amplasate la distanţă mare desol. Macrocelula poate includeşi zone acoperite de microcelule (funcţionând

ca celulă umbrelă) şi poate prelua o parte din traficul acestora atunci cândtoate resursele lor sunt ocupate.Peste toate aceste nivele se poate introduce nivelul satelitar cu celule

având raze de sute de kilometrişi care asigur ă acoperirea globală cu serviciide comunicaţie. Reţelele de comunicaţii mobile cu sateliţi acoper ă zonelenelocuite sau extrem de puţin locuiteşi pot prelua apelurile de comunicaţiisuplimentare de la nivelele inferioare.

În gestionarea reţelelor cu organizare ierarhică se aplică principiul căorice apel trebuie servit de nivelul ierarhic cel mai mic posibilşi numai celecare depăşesc posibilităţile acestuia să fie transferate către nivele ierarhicesuperioare. De asemenea, utilizatorii de mobilitate mare trebuie serviţi cu prioritate de nivele ierarhice superioare pentru a micşora numărul detransferuri ale comunicaţiilor lor.

Utilizarea nivelului satelitar trebuie realizată cu precauţie deoarece, pe de o parte, presupune costuri mult mai marişi utilizatorul trebuie săaccepte în prealabil plata acestoraşi, pe de altă parte, transmisiile prin satelitse fac cu întârzieri mari ce influenţează negativ calitatea comunicaţiilor sensibile la întârziere.


36/368


37/368


28

1.9 - Elemente de teoria traficului

Reţelele celulare de comunicaţii mobile sunt organizate ca reţele cuacces multiplu (trunking ). Aceasta înseamnă că un număr mare de utilizatorifolosesc în comun un număr mult mai mic de canale de comunicaţie. Reţelelecu acces multiplu îşi bazează funcţionarea pe comportarea statistică autilizatorilor, în sensul că fiecare din ei iniţiază comunicaţii la momente detimp aleatoriu distribuiteşi independent de acţiunile celorlalţi utilizatori; în plus, un utilizator petrece doar o fracţiune de timp pentru a comunica, ceamai mare parte din timp el neaccesând resursele reţelei de comunicaţie. Dinaceastă cauză la un anumit moment numai o mică parte din utilizatori sunt

angajaţi în comunicaţie. O reţea cu acces multiplu asigur ă o calitate dorită acomunicaţiilor dacă are suficiente canale pentru a susţine în fiecare momentmarea majoritate a comunicaţiilor solicitate de utilizatorii ei.

Dacă la primirea unui apel de comunicaţie toate canalele reţelei suntocupate, comunicaţia nu se poate desf ăşura şi cererea este respinsă. Se spunecă apelul esteblocat . Calitatea comunicaţiilor (QoS - Quality of Service)într-o reţea cu acces multiplu este apreciată, în principal, prin numărul deapeluri blocate raportat la numărul total de apeluri lansate într-o perioadă detimp, raport denumit probabilitate de blocare deoarece este un parametru cuevoluţie aleatoare în timp. Dacă reţeaua are posibilitatea de a memoraapelurile neserviteşi de a le oferi canale în momentul în care se elibereazăunul din ele, atunci QoS este apreciată prin timpul mediu de a şteptare aapelurilor.

Intensitatea traficului realizat pe un canal de comunicaţie esteraportul dintre timpul în care canalul a fost ocupatşi timpul total de

observare. Perioada de observare poate fi minutul, ora, o perioadă a zilei,ziua întreagă etc.Intensitatea traficului este o mărime adimensională. Totuşi ei îi este

asociată o unitate de măsur ă − Erlang − în cinstea savantului danez cu acestnume ce a elaborat prima teorie privind traficul în reţelele cu acces multiplu.O intensitate a traficului realizat de 1 Erlang înseamnă un canal ocupat permanent pe perioada de observare. Dacă, de exemplu, un canal este ocupatîn medie 15 minute în fiecare or ă, atunci traficul realizat de acest canal areintensitatea de 0,25 Erlangi, iar dacă este ocupat în medie 12 ore pe zi, atunciintensitatea traficului este de 0,5 Erlangi.


38/368


29

Intensitatea traficului realizat în reţea este suma intensităţilor detrafic pe canalele reţelei. Dacă, de exemplu, o reţea are 5 canale ce realizeazăintensităţi de trafic de valoare 0,5, 0,8, 0,2, 0,4şi, respectiv, 0,9 Erlangi,

atunci reţeaua realizează un trafic de intensitate: Erlangi

Urmărind evoluţia în timp a intensităţii traficului într-o reţea se poatedefini ora cu intensitate maximă din zi− ora cea mai ocupat ă (busy hour),

ziua cea mai ocupat ă din să ptămână etc.Caracterizarea unui utilizatorşi a ansamblului acestora se face prin

numărul mediu de apeluri lansate în unitatea de timp− viteza medie delansare a apelurilor (λu − pentru un utilizatorşi λ − pentru ansamblul lor)şidurata medie a unei comunica ţ ii (μu − pentru un utilizatorşi μ − pentruansamblul lor). Produsul acestor mărimi reprezintă intensitatea traficuluioferit reţelei:

Au = λuμu − intensitatea traficului oferit de un utilizator; A = λμ − intensitatea traficului oferit de toţi utilizatorii.

Dacă U este numărul total de utilizatori, atunci evident:

, şi (1.13)

Traficul maxim realizabil de o reţea celular ă este egal cu produsuldintre numărul total de canaleşi numărul decluster- e definite pe aria reţelei.Abstracţie f ăcând de nivelul inacceptabil de mare al interferenţei în reţeaatunci când toate canalele sunt ocupate, această valoare maximă nu se poateatinge nici principial, deoarece ar presupune o ordonare perfectă acomunicaţiilor pe fiecare canalşi în fiecare celulă, astfel încât să nu sesuprapună în timp, dar nici să existe pauze între ele. În realitate apelurile decomunicaţii sosesc aleatoriuşi durata comunicaţiilor este, de asemenea,aleatorie. În perioadele de timp cu trafic de intensitate mică există intervalede timp în care multe din canalele reţelei sunt libere, iar în perioadele de timpcu trafic de intensitate mare unele apeluri sunt blocate din cauză că nu există

canale libere.Traficul realizat de o reţea este, deci, totdeauna mai mic decât traficuloferit de utilizatori. Proiectarea unei reţele de comunicaţii se realizează cu

0 5 0 8 0 2 0 4 0 9,+,+,+,+, 2 8,=

μ 1U ---- μu i,

i 1=

U

∑= λ λu i,i 1=

U

∑= A A u i,i 1=

U

∑=


39/368


30

obiectivul ca probabilitatea de blocare a apelurilor în ora cea mai ocupată sănu depăşească un prag prestabilit (de exemplu, 2% sau 1%).

În reţelele f ă r ă memorie în care apelurile blocate sunt eliminate

probabilitatea de blocare este dată de formula Erlang B : (1.14)

unde A este intensitatea traficului oferit în reţea, iar M este numărul total de

canale aflate la dispoziţia reţelei.Dacă probabilitatea de blocare a apelurilor este o măsur ă a calităţiicomunicaţiilor într-o reţea, atunci formula Erlang B poate fi folosită pentruanaliza acesteia. Când se cunoaşte intensitatea traficului oferitşi numărul decanale pe care reţeaua le are la dispoziţie, atunci formula Erlang B permitecalcularea probabilităţii de blocare. Pentru A = 9 Erlangişi M = 15 canale, deexemplu, rezultă P B = 2%. Formula Erlang B poate fi folosită şi pentru proiectarea unei reţele cu acces multiplu. Astfel, pentru ca în reţeauaconsiderată anterior probabilitatea de blocare să fie de cel mult 1%, dinformula Erlang B rezultă că fie numărul de canale trebuie crescut la M = 17,fie traficul oferit trebuie scăzut la A = 8,11 Erlangi.

Cu ajutorul formulei Erlang B se poate pune în evidenţă eficienţa deacces multiplu. Astfel, să presupunem că o reţea are la dispoziţie 80 decanale şi că traficul oferit este distribuit uniform pe aria sa de acoperire,având o intensitate totală de 64 Erlangi. Formula Erlang B arată că

probabilitatea de blocare în reţea este de 0,7%. Să admitem că pe aria reţeleise definesc 8 celule identice, fiecare primind câte 80/8 = 10 canaleşi avândun trafic total oferit de 64/8 = 8 Erlangi. Potrivit aceleiaşi formule probabilitatea de blocare în fiecare celulă este de peste 12%. Concluzia estecă este mai avantajos ca resursele de comunicaţie ale unei reţele să fiefolosite în comun prin acces multiplu de către utilizatorii săi, decât să fieîmpăr ţite pe grupuri mici.

Reţelele celulare compensează scăderea eficienţei de acces multipluîn urma divizării celulelor printr-o mai mare reutilizare spaţială a frecvenţei.Dacă în reţeaua din exemplu anterior se definesc două cluster- e de câte 4

P B A

M M ! ⁄

Ak

k ! ⁄ k 0=

M

∑-------------------------------=


40/368


31

celule, atunci fiecare celulă ar primi câte 80/4 = 20 de canale, ar avea untrafic oferit tot de 8 Erlangişi ar realiza o probabilitate de blocare de sub0,02% !!!!. Calitatea comunicaţiei se păstrează sub limita de 0,7% obţinută în

reţeaua originală necelular ă, chiar dacă intensitatea traficului oferit creşte până la 11,5 Erlangi în fiecare celulă, adică la 8 x 11,5 = 92 Erlangi peîntreaga reţea.

Aplicarea directă a formulei Erlang B este dificilă din cauzacomplexităţii calculelor. Pentru valori uzuale ale probabilităţii de blocare se pot alcătui tabele cu intensităţile de traficşi numărul de canale necesar. ÎnTabelul 1.1 este prezentat un exemplu.

În reţelele cu memorie apelurile neservite din cauza lipsei temporarede canale libere sunt memorateşi sunt servite pe măsur ă ce apar canalelibere. Dacă memoria reţelei este infinită, nici un apel nu este blocat, numaiunele dintre ele sunt servite cu întârziere. În aceste reţele măsura calităţiicomunicaţiilor este dată de valoareaîntârzierii medii a servirii apelurilor.Probabilitatea ca un apel să fie servit cu o întârziere mai mare decât o limităτ0 este o probabilitate condiţionată, adică produsul dintre probabilitatea caapelul să fie servit cu întârziere (fiindcă cele mai multe sunt servite, teoretic,

instantaneu)şi probabilitatea ca întârzierea să depăşească limita impusă τ0.Se poate ar ăta că (formula Erlang C ):

(1.15)

din care se obţine că valoarea medie a întârzierii apelurilor neserviteinstantaneu este:

(1.16)

Pr τ τ0>( ) Pr τ 0>( ) Pr τ τ0> τ 0>( )⋅= =

A M

A M

M ! 1 A M ----- – ⎝ ⎠

⎛ ⎞ Ak

k !------k 0=

M 1 –

∑+

----------------------------------------------------------------------e M A – ( )

τ0μ----- –

⋅=

τ0med μ

M A – ----------------- A

M

A M

M ! 1 A M ----- – ⎝ ⎠

⎛ ⎞ Ak

k !------k 0=

M 1 –

∑+

----------------------------------------------------------------------=


41/368


32

Tabelul nr. 1.1 - Intensitatea traficului oferit (Erlang B)

Număruldecanale

Traficul oferit A (în Erlangi)Probabilitatea de blocare (%)

0,01 0,05 0,1 0,5 1 1,5 2 5 101 0,0001 0,0005 0,0010 0,0050 0,0101 0,0152 0,0204 0,0256 0,1112 0,0142 0,0321 0,0458 0,105 0,153 0,190 0,223 0,381 0,5953 0,0868 0,152 0,194 0,349 0,455 0,535 0,602 0,899 1,274 0,235 0,362 0,439 0,701 0,869 0,992 1,09 1,52 2,055 0,452 0,649 0,762 1,13 1,36 1,52 1,66 2,22 2,886 0,728 0,996 1,15 1,62 1,91 2,11 2,28 2,96 3,767 1,05 1,39 1,58 2,16 2,50 2,74 2,94 3,74 4,678 1,42 1,83 2,05 2,73 3,13 3,40 3,63 4,54 5,609 1,83 2,30 2,56 3,33 3,78 4,09 4,34 5,37 6,5510 2,28 2,80 3,09 3,96 4,46 4,81 5,08 6,22 7,5111 2,72 3,33 3,65 4,61 5,16 5,54 5,84 7,08 8,4912 3,21 3,88 4,23 5,28 5,88 6,29 6,61 7,95 9,4713 3,71 4,45 4,83 5,96 6,61 7,05 7,40 8,83 10,514 4,24 5,03 5,45 6,66 7,35 7,82 8,20 9,73 11,515 4,78 5,63 6,08 7,38 8,11 8,61 9,01 10,6 12,516 5,34 6,25 6,72 8,10 8,88 9,41 9,83 11,5 13,517 5,91 6,88 7,38 8,83 9,65 10,2 10,7 12,5 14,518 6,50 7,52 8,05 9,58 10,4 11,0 11,5 13,4 15,519 7,09 8,17 8,72 10,3 11,2 11,8 12,3 14,3 16,620 7,70 8,83 9,41 11,1 12,0 12,7 13,2 15,2 17,625 10,9 12,3 13,0 15,0 16,1 16,9 17,5 20,0 22,830 14,2 15,9 16,7 19,0 20,3 21,2 21,9 24,8 28,135 17,8 19,8 20,5 23,2 24,6 25,6 26,4 29,7 33,4

40 21,4 23,4 24,4 27,4 29,0 30,1 31,0 34,6 38,845 25,1 27,3 28,4 31,7 33,4 34,6 35,6 39,6 44,250 28,9 31,3 32,5 36,0 37,9 39,2 40,3 44,5 49,655 32,7 35,3 36,6 40,4 42,4 43,8 44,9 49,5 55,060 36,6 39,4 40,8 44,8 46,9 48,4 49,6 54,6 60,465 40,6 43,5 45,0 49,2 51,5 53,1 54,4 59,6 65,870 44,6 47,7 49,2 53,7 56,1 57,8 59,1 64,7 71,375 48,8 51,9 53,5 58,2 60,7 62,5 63,9 69,7 76,780 52,7 56,1 57,8 62,7 65,4 67,2 68,7 74,8 82,2

85 56,8 60,4 62,1 67,2 70,0 71,9 73,5 79,9 87,790 60,9 64,6 66,5 71,8 74,7 76,7 78,3 85,0 93,1100 69,3 73,2 75,2 80,9 84,1 86,2 88,0 95,2 104,1


42/368

C A P I T O L U L

33

2CANALUL RADIOMOBIL :ESTIMAREA VALORII MEDII APUTERII RECEP

ŢIONATE

2.1 - Pierderi de propagare

Datorită propagării pe distanţa dintre emiţător şi receptor şi ainteracţiunilor cu obstacolele din mediu undele electromagnetice îşimicşorează puterea. Evaluarea acestei micşor ări se realizează prin pierderilede propagare (path loss), definite ca raportul dintre puterea într-un punct derecepţie şi puterea de emisie:

sau . (2.1)

Raportul de mai sus este totdeauna subunitar (negativ în dB).

2.1.1 - Fenomene asociate propag ării undelor radioSpre deosebire de canalele de radiocomunicaţie din sistemele fixe,

care sunt staţionare şi cu parametri relativ simplu de controlat, canalulradiomobil este nestaţionar, cu parametri variabili în timp în mod aleatoriu,chiar viteza de deplasare a mobilelor fiind un factor de influenţă asupra lor.Propagarea undelor electromagnetice între emiţător şi receptor se face pe căice pot varia în intervale scurte de timp de la vizibilitate directă până laobstrucţionarea completă a căii directe de propagare, totdeauna, însă, cunumeroase căi de propagare între cele două entităţi ale sistemului decomunicaţii (propagare multicale). Din aceste cauze canalul radiomobil

LP r P e-----= L dB[ ] 10

P r P e-----log⋅=


43/368

Canalul radiomobil: valoarea medie a puterii recep ţ ionate

34

limitează dramatic performanţele sistemelor de comunicaţii mobile şinecesită modele complicate capabile să-i descrie proprietăţile în modadecvat. În lipsa unor modele deterministe relativ simple care să descrie

comportarea canalului radiomobil se recurge adesea la modele statistico- proabilistice validate prin numeroase măsur ători experimentale.Fenomenele fizice prin care undele electromagnetice se propagă în

mediu se pot grupa în trei mari categorii:reflexie, difrac ţ ie şi transmisie . Reflexia constă în schimbarea direcţiei de propagare a undei la întâlnireaunei suprafeţe cu dimensiuni mai mari ca lungimea ei de undă, are loc curespectarea legilor de reflexie a luminii (Snell)şi este asociată, de regulă, cu pierderea unei fracţiuni importante din puterea incidentă. Difrac ţ ia estefenomenul prin care unda electromagnetică îşi schimba direcţia de propagarela întâlnirea unor muchii sau vârfuri ascuţite; pierderile de difracţie sunt multmai mari ca cele de reflexie. Un corp, prin suprafeţele şi muchiile lui, produce numeroase unde reflectateşi difractate atunci când se constituie caun obstacol în calea undei electromagnetice. Când unda electromagneticăîntâlneşte un grup de obstacole cu dimensiuni comparabile sau mai mici calungimea de undă au loc numeroase fenomene de reflexieşi difracţie ce

alcătuiesc împreună fenomenul denumitîmpr ăş tiere (scattering). Este cazulde exemplu, al zonelor verzi din aglomeraţiile urbane, al pădurilor şiterenurilor cultivate care, în urma fenomenelor de împr ăştiere, produc oatenuare semnificativă a undei electromagnetice.Transmisia este fenomenulechivalent refracţiei undelor luminoaseşi constă în propagarea undeielectromagnetice prin pereţi dielectrici. Prin fenomenul de transmisie este posibilă, de exemplu, acoperirea cu câmp electromagnetic de către anteneaflate în spaţiul liber (oudoor) a zonelor din interiorul clădirilor (indoor).Pierderile de transmisie depind de natura dielectricului, de grosimea pereteluişi de unghiul de incidenţă a undei.

Într-un punct din spaţiu ajung numeroase unde electromagneticesosite de la emiţător pe diverse căi de propagareşi afectate de un număr divers de fenomene de reflexie, difracţie şi transmisie. În plus, configuraţiaacestui ansamblu de unde se modifică în timp datorită variabilităţii mediului prin care se face propagarea. Din compunerea acestor unde cu amplitudinişifaze diferiteşi variabile în timp rezultă o undă cu o putere electromagneticătotală variabilă atât în timp, câtşi de la un punct la altul. Variaţiile foarte puternice (30− 40 dB), care se produc pe distanţe mici (de ordinul unei


44/368


35

jumătăţi de lungimi de undă) şi în intervale de timp scurte constituie fadingul , fenomen omniprezent în mediul radiomobil.

Sistemele de comunicaţii mobile moderne utilizează frecvenţe în

gamele de ultra înaltă frecvenţă UIF (900 MHz, 1800/1900 MHzşi 2200MHz). De aceea ne vom concentra atenţia asupra aspectelor specifice propagării undelor electromagnetice în această gamă.

Ionosfera este transparentă pentru undele electromagnetice din gamade UIF, astfel că transmisia puterii se face, în principal, prin unde terestreşi,în condiţii de indice variabil de refracţie al atmosferei la joasă altitudine, prinunde troposferice. Dintre undele terestre contribuţia principală la propagare oau undele spaţiale şi numai secundarşi accidental apar transmisii prin undede suprafaţă (efect de ghid de undă). Efectul de ghidare poate apare, deexemplu, în tunele, pe str ăzi mărginite de construcţii înalte şi aliniate peambele păr ţi etc. În figura 2.1 se prezintă clasificarea completă a modurilor de propagare evidenţiindu-se prin subliniere modurile preponderente însistemele de comunicaţii mobile.

Figura nr. 2.1 - Clasificarea undelor radio dup ă modul de propagare

Cele două componente ale undelor spaţiale: unda directă şi, respectiv,undele reflectateşi difractate, au ponderi variabile în funcţie de dimensiuneacelulelorşi distribuţia construcţiilor şi formelor de relief din zonă. Astfel, încelule de arie mare (macrocelule) cu suprafaţa puţin accidentată şi construcţiide densitate mică unda directă este preponderentă deoarece există aproapeîntotdeauna vizibilitate directă între antena terminalului mobilşi cea fixă a

staţiei de bază, care este poziţionată, de regulă, la altitudine mare. Deasemenea, unda directă are o contribuţie major ă la transmisia puterii în cazulcelulelor de arie extrem de mică (microcelule), în cazul cărora antena staţiei

Underadio

Ionosferice

Terestre

Troposferice

Spaţiale

De suprafaţă

Directe

ReflectateDifractateTransmise


45/368


36

de bază este poziţionată la înălţime mică (la nivelul lămpii de iluminat public, de exemplu), emite o putere relativ scăzută şi acoper ă cu semnal doar o por ţiune din strada pe care este poziţionată şi, eventual, pe o parte din

str ăzile învecinate (perpendiculare sau paralele cu strada principală).Contribuţia undei directe devine neglijabilă în cazul celulelor de dimensiunemedie ce acoper ă zone urbane cu construcţii denseşi de înălţime variabilă. Înaceste condiţii, antena staţiei de bază aflându-se, de regulă, la înălţimi maimici decât cele mai înalte construcţii din zonă, nu mai există vizibilitatedirectă căre antenele mobile decât în mod accidental, astfel că transmisia puterii se realizează prin unde reflectate multiplu de solşi de pereţiiclădirilorşi/sau difractate de muchiile acestoraşi de vegetaţie.

2.1.2 - Pierderi de propagare în aer liberÎn situaţia ideală în care antena receptoare primeşte numai unda

directă, pierderile de propagare se datorează numai repartizării puterii emise pe aria în continuă creştere a suprafeţei frontului de undă. Aceste pierderi senumesc pierderi în aer liber şi reprezintă valoarea minimă a pierderilor de propagare între două puncte date. În situaţii reale propagarea este însoţită defenomene de reflexie / difracţie / transmisie care conduc la creşterea pierderilor totale.

Dacă P e este puterea de intrare în antena de emisieşi Ge este câştigulacesteia în direcţia antenei de recepţie, atunci intensitatea radiaţiei (adicădensitatea de putere pe unitatea de unghi solid) este:

. (2.2)

Corespunzător distanţei d ce separ ă cele două antene unitatea deunghi solid subîntinde o suprafaţă numeric egală cu d 2, astfel că densitateade putere pe unitatea de suprafaţă la locul de recepţie este:

(2.3)

iar putere

Documents

Comunica t i i Mobile