Transcript Wykład 5

Systemy mobilne
Wykład 5:
Systemy komórkowe
dr inż. Marek Mika
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa
im. Jana Amosa Komeńskiego w Lesznie
Plan
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
2
Rozwiązania klasyczne
• Nadajnik o dużej mocy o zasięgu do kilkudziesięciu kilometrów
• Wady:
– duża emitowana moc wymagająca odpowiedniej infrastruktury
– duże rozmiary terminali wynikające z zapotrzebowania na moc
potrzebną do połączeń z dużej odległości
– szybsze zużywanie źródeł zasilania terminali
– wpływ na zdrowie użytkowników
– istotne skutki awarii – brak redundantności – całkowity przestój pracy
systemu
– ograniczone pasmo częstotliwości  nieduża liczba kanałów  mała
pojemność systemu
• Zapotrzebowanie dużo większe niż kilku użytkowników na terenie
miasta korzystających jednocześnie z systemu wymusiło prace nad
nowymi rozwiązaniami
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
3
Mechanizm „frequency re-use”
•
Nie można wykorzystać tych samych częstotliwości
w dwóch nadajnikach o (częściowo) nakładającym
się zasięgu:
– zjawisko interferencji współkanałowych
– w efekcie gorsza jakość lub niedostępność usługi
•
Te same częstotliwości można wykorzystać w
nadajnikach o niepokrywającym się zasięgu
–
–
–
–
•
•
nadajniki małej mocy
mniejszy zasięg
większa liczba nadajników
większa liczba obsługiwanych użytkowników
Podział obszaru na mniejsze części zwane
komórkami
Problem doboru częstotliwości podobny do problemu
kolorowania grafu
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
4
Wady architektury komórkowej
• Infrastruktura:
– bardzo złożona
– kosztowna budowa
– kosztowne utrzymanie
• Problem z przemieszczającymi się użytkownikami
• Skomplikowana aktualizacja położenia użytkowników
• Szybko przemieszczający się użytkownicy szczególnie w
komórkach o małych rozmiarach (centra dużych miast) – duża
liczba przełączeń
• Konieczność zapewnienia mechanizmów gwarantujących ciągłość
połączenia przy zmianie komórek
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
5
Strefy pokrycia radiowego
•
Obszar wokół nadajnika radiowego można podzielić na trzy strefy:
– dobrej słyszalności
– zakłóceń dla innych systemów pracujących na tych samych częstotliwościach
– pomijalnego sygnału
•
Rozmiar i granice poszczególnych stref nie są ściśle zorganizowane i są
raczej kwestią umowną
– granicą strefy dobrej słyszalności jest graniczna wartość sygnału przy
odpowiedniej jakości transmisji
– granicę strefy zakłóceń wyznacza się eksperymentalnie badając wpływ zakłóceń
na transmisję w sąsiednich komórkach (interferencje współkanałowe)
strefa dobrej słyszalności
strefa zakłóceń
strefa pomijalnego sygnału
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
6
Rozmieszczenie stacji bazowych
Nieprawidłowe
f1
f1
BTS1
Prawidłowe
f1
f1
BTS2
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014
BTS1
BTS2
7
Rozmieszczenie stacji
• Konieczność zachowania
ciągłości obszaru
komórkowego pomiędzy
stacjami pracującymi na tej
samej częstotliwości
• Należy umieścić pomiędzy
nimi co najmniej jeden
nadajnik pracujący na innych
częstotliwościach
• Efekt – uniknięcie interferencji
współkanałowych i
zapewnienie oczekiwanej
jakości transmisji
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014
f2
f1
f1
f3
8
Wiązki kanałów częstotliwościowych
•
•
•
Pasmo komórkowe – podzielone na kanały częstotliwościowe (FDMA)
Kanały częstotliwościowe – często dzielone na szczeliny czasowe (TDMA)
Kanały częstotliwościowe łączy się w wiązki:
– jedna stacja bazowa może pracować na kilku częstotliwościach
– wiązka składa się z częstotliwości położonych odpowiednio daleko od siebie –
unikanie interferencji w ramach jednej stacji bazowej
– tej samej wiązki można używać w różnych komórkach odpowiednio od siebie
oddalonych
wiązka 1
wiązka 2
wiązka 3
wiązka 4
f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11f12 f13f14 f15f16f17 f18f19 f20f21 f22f23f24 f25f26 f28f28
pasmo komórkowe
wiązka 1
częstotliwość
wiązka 3
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
9
Grupy komórek
1
1
2
2
3
1
•
•
•
Obszar działania systemu podzielony na
sześciokątne obszary odpowiadające komórkom
Komórki wykorzystujące te same wiązki kanałów
oznaczono tym samym numerem a grupy
komórek tym samym kolorem
Parametr N oznaczający liczność grupy komórek
– prawidłowy dobór N jest wynikiem kompromisu
i jedną z ważniejszych decyzji na etapie
projektowania systemu
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
1
2
3
2
2
3
3
1
1
2
2
3
3
3
5
1
– determinuje odległość pomiędzy komórkami
korzystającymi z tej samej wiązki kanałów
– dla dużej wartości N:
• wzrasta odległość między stacjami bazowymi
stosującymi tę samą wiązkę przez co maleje
prawdopodobieństwo wystąpienia interferencji
• maleje liczba kanałów częstotliwościowych
przypadających ba jedną komórkę (stały iloczyn N
i liczby kanałów)
3
1
7
9
4
6
2
10
8
3
5
1
1
7
9
4
6
10
4
3
3
5
1
7
9
4
6
2
10
8
5
1
7
9
6
2
8
3
5
9
4
6
2
7
2
10
8
10
8
10
Pojemność systemu
• Definicja – sumaryczna liczba kanałów rozmownych
przypadających na jednostkę powierzchni
• Rosnąca liczba abonentów wymusza ciągłe zwiększanie
pojemności systemu
• Różne sposoby zwiększania pojemności systemu:
–
–
–
–
–
pożyczanie kanałów z sąsiednich komórek
przydział nowych częstotliwości
podział komórek na sektory
inne metody dostępu do medium
zmniejszanie wielkości komórek
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
11
Pożyczanie kanałów
• Statyczne – na etapie planowania
• Dynamiczne – zmiany następują w zależności od
obciążenia poszczególnych elementów systemu
- pożyczam -
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
- oddaję -
© 2014
12
Zmniejszanie rozmiaru komórek
• Najczęściej stosowany sposób
• Możliwość wykorzystania tych samych częstotliwości na
mniejszym obszarze
1
1
4
1
4
3
3
2
1
2
1
4
3
4
4
3
3
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
2
4
3
2
1
4
3
1
4
1
2
1
4
2
3
1
4
2
© 2014
13
Pozostałe sposoby
• Przydział nowego pasma częstotliwości
– bardzo rzadko
– kosztowne
– czasami niemożliwe
• Podział komórek na sektory
– zamiast anten dookólnych stosuje się podział na sektory
– w danym sektorze można wykorzystać wiązkę kanałów
stosowaną w innym sektorze tej komórki
• Inne metody dostępu do medium
– TDMA
– CDMA
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
14
Wielkość komórki
• Parametr o elastycznym charakterze
• Według normy w systemie GSM zasięg komórki może sięgać 36 km
• W zależności od potrzeb stosuje się komórki o różnych rozmiarach:
– kilometry – na słabo zaludnionych terenach wiejskich
– setki metrów – na terenach podmiejskich
– dziesiątki metrów – na gęsto zaludnionych terenach aglomeracji
miejskich
• Podczas projektowania sieci istotne znaczenia mają pomiary
bieżącego ruchu, czy też obserwacje kierunków rozbudowy terenów
miejskich
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
15
Zmniejszanie komórek
• Zalety
– większa pojemność systemu
• mniejsza zajętość systemu  pewniejszy dostęp
• większa liczba abonentów  teoretycznie możliwe
obniżenie kosztów usługi
– nadajniki o mniejszej mocy
• mniej pojemne źródła zasilania w urządzeniach
mobilnych
• mniejsze rozmiary urządzeń mobilnych
• mniejsza moc fal  mniejszy wpływ na zdrowie
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
16
Zmniejszanie komórek
• Wady
– większa liczba komórek
• potrzeba instalacji nowych BTS-ów
• wzrost nakładów na infrastrukturę
• wzrost kosztów użytkowania
– wzrost częstości aktualizacji położenia
• szybkie przemieszczanie pomiędzy komórkami (są
małe)  większa liczba komunikatów
sygnalizacyjnych w strategii Inform
• niezbędna inwestychja w bardziej pojemne łącza
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
17
Systemy o architekturze komórkowej
• Najbardziej popularne GSM/UMTS/LTE
– setki stacji bazowych
– zjawiska roamingu i handoveru
– złożone mechanizmy utrzymania i aktualizowania
informacji pozycyjnej
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
18
Systemy o architekturze komórkowej Mobitex
•
•
•
•
•
•
•
wolna transmisja na odległość do kilkudziesięciu kilometrów
stacje bazowe połączone z centralą
sieć pakietowa (przed wysłaniem informacji do stacji bazowej następuje
podział na pakiety)
przesyłanie pomiędzy stacjami bazowymi odbywa się po stałym łączu
algorytm ALOHA
roaming
usługi:
–
–
–
–
transmisja danych
możliwość tworzenia grup użytkowników
transmisja sygnału alarmowego
usługa „skrzynka pocztowa”
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
19
Systemy o architekturze komórkowej –
Wi-Fi
• Punkty dostępowe Wi-Fi tworzą komórki
• Komórki mogą mieć rozmiar od kilku metrów do
kilkunastu kilometrów
• Klient ma możliwość migracji
• Roaming
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
20
Systemy o architekturze komórkowej –
Bluetooth
• Punkty dostępowe BT tworzą komórki
• Komórki mogą mieć rozmiar od 10 (pikokomórki
obsługujące do 8 urządzeń) do 100 metrów
• Klient ma możliwość migracji
• Roaming
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
21
Systemy o architekturze komórkowej –
Iridium
• 66 satelitów na niskich orbitach
• Satelity wyposażone w anteny wielowiązkowe (48 wiązek) –
stanowią stacje bazowe komórek
• Pełne pokrycie na całej Ziemi do wysokości 160 km (możliwa
łączność z samolotami)
• Problemy takie jak w innych systemach komórkowych
• Rozwój GSM zahamował rozwój systemu Iridium
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
22
Roaming
• Roaming polega na przechodzeniu terminala pomiędzy punktami
dostępowymi lub stacjami bazowymi znajdującymi się na jego trasie
ruchu
• W skrócie można powiedzieć, że terminal przerywa współpracę ze
stacja, której sygnał słabnie i nawiązuje ze stacją o silniejszym
sygnale
• Roaming krajowy polega na płynnej zmianie sieci operatora w tym
samym kraju, pozwalający abonentom sieci A na używanie
infrastruktury sieci B, tam gdzie jego operator nie może mu
zapewnić dostępu do usług
• Roaming międzynarodowy polega na korzystaniu z infrastruktury
operatora w innym kraju, z którym nasz macierzysty operator ma
podpisaną umowę roamingowa.
•
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
23
Handover
• Przełączenie terminala użytkownika z jednej stacji
bazowej do innej w czasie trwania polaczenia
• Wyróżnia się kilka rodzajów takiego przełączenia:
– pomiędzy stacjami bazowymi – przy zmianie komórki
(nawiązanie współpracy z nowa stacja bazowa)
– pomiędzy sektorami w ramach jednej stacji bazowej – jest to
związane ze zmiana kanału częstotliwościowego przy zmianie
sektora
– w ramach jednej stacji bazowej – przełączenie na inny kanał
rozmówny, w celu polepszenia warunków transmisji. Warunki
propagacji na różnych kanałach mogą się na tyle różnić, że
następuje próba przełączenia
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
24
Mapa BTS-ów w okolicy Leszna
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
25
Mapa BTS-ów LTE w okolicy Leszna
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
© 2014
26
Dziękuję za uwagę
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014
27