Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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In questo contesto si assiste all’evoluzione del concetto di Personal Mobility in quello
di Personalized Mobility: il telefono cellulare non è più un semplice mezzo che
consente di poter comunicare a voce ma permette agli utenti di disporre di terminali
multimediali interattivi, capaci di collegarsi ad una rete globale che può trasportare
voce, immagini e dati, permettendo l’accesso a una quantità enorme d’informazioni e
servizi.
Tali applicazioni richiedono pertanto una maggiore attenzione nella
caratterizzazione dei diversi aspetti della trasmissione radio: struttura della rete,
caratteristiche di propagazione, contromisure adeguate per fronteggiare la perdita di
dati, strategie di allocazione dei canali e tool di pianificazione.
In tal senso la capacità di predire accuratamente il comportamento della
propagazione radio è divenuta di fondamentale importanza in fase di progetto
generando un interesse crescente verso lo sviluppo di modelli che permettano di
analizzare le caratteristiche della propagazione radio in ambienti con caratteristiche
anche molto diverse fra loro.
Scopo del presente lavoro di tesi è la realizzazione e l’ottimizzazione di un
software per l’analisi di copertura cellulare. Nel primo capitolo verrà fornita una
descrizione generale dei sistemi di rete cellulari ed una rassegna dei principali algoritmi
utilizzati per la stima della copertura radio.
Nel secondo capitolo verranno descritte le caratteristiche di un’applicazione
sviluppata per la predizione di copertura con metodo ibrido realizzato in ambiente
Matlab.
Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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CAPITOLO 1
TECNICHE DI PREVISIONE DELLA COPERTURA
CELLULARE
1.1 Introduzione
Il progetto di un sistema di telecomunicazione cellulare non può prescindere da
una conoscenza accurata delle caratteristiche del canale radio che collega il terminale
mobile alla stazione radio base. Nel sistema GSM/DCS ad esempio il processo di
pianificazione comporta l’assegnazione delle frequenze e la stima della potenza ricevuta
al fine di determinare il corretto set di parametri per il dimensionamento delle antenne.
Tali considerazioni valgono anche per il progetto di sistemi di terza generazione
(UMTS) o di Wireless Local Area Network (W-LAN) per i quali le proprietà a larga
banda (delay spread, angular spread e impulse response) del canale radio sono di
importanza ancora maggiore.
I modelli per la previsione di copertura in scenari urbani forniscono normalmente
due tipi di parametri: su larga scala si determina l’ampiezza del campo ricevuto in tutti i
punti di osservazione, o equivalentemente il path loss, cioè l’attenuazione subita dal
segnale nel tratto che va dal trasmettitore al punto di ricezione. Per quanto riguarda
invece gli aspetti locali di propagazione si ricavano alcune informazioni di tipo
statistico sui fenomeni di affievolimento momentaneo del segnale ricevuto (fading). Nel
primo caso le informazioni ricavate consentono di determinare il posizionamento
ottimale delle antenne, mentre i parametri di tipo locale (dispersione temporale del
canale, ritardo di propagazione, ecc) caratterizzano il canale radio e, di conseguenza,
Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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forniscono indicazioni sui valori di Bit Error Rate (BER) e sulla qualità del servizio
(QoS).
In letteratura sono presenti differenti approcci a tali problematiche
sostanzialmente classificabili in tre categorie e cioè metodi empirici o statistici,
deterministici e metodi ibridi.
I metodi empirici sono basati su formule semplici ricavate sulla base di
un’elaborazione statistica di dati provenienti da campagne di misure. Normalmente essi
considerano pochi parametri consentendo valutazioni rapide, ma talvolta
approssimative, le cui cause vanno ricercate principalmente nell’assenza di
informazioni dettagliate sul comportamento propagativo del segnale o nell’applicazione
dello stesso modello statistico a situazioni ambientali sostanzialmente diverse.
I modelli deterministici si distinguono in metodi full wave, che implementano
tecniche di risoluzione numerica delle equazioni di Maxwell e metodi asintotici che
utilizzano un approccio basato su formule teoriche derivate dall’Ottica Geometrica
(GO) e dalla Teoria Geometrica ed Uniforme della Diffrazione (GTD e UTD). In questo
caso si assume che la propagazione avvenga mediante raggi valutando le possibili
interazioni con gli elementi dell’ambiente circostante. Chiaramente ciò richiede una
maggiore complessità del codice di simulazione, tempi di calcolo più elevati ed un
notevole consumo di memoria.
I modelli ibridi utilizzano in due fasi differenti i metodi sino ad ora descritti. La
maniera di procedere di tali metodi consiste in un affinamento su zone di estensione
limitata delle previsioni di natura statistica utilizzando tecniche di tipo deterministico.
In un’ulteriore fase si calcolano poi eventualmente i contributi di attenuazione
aggiuntiva dovuti agli ostacoli presenti lungo il percorso di propagazione fra
trasmettitore e ricevitore.
Il capitolo propone una rassegna delle tecniche di previsione della copertura
cellulare, dei criteri di utilizzo di ognuno di essi in base alle diverse caratteristiche del
problema e delle principali problematiche ad essi correlate.
Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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1.2 Copertura di una rete cellulare
La copertura del territorio è realizzata mediante la suddivisione in celle di
modeste dimensioni ognuna delle quali è servita da una Stazioni Radio Base (SRB) che
gestisce le comunicazioni degli utenti all’interno della cella stessa, come mostrato in
Fig.1.1.
Le diverse SRB all’interno di una certa area sono poi connesse ad un centro di
smistamento (Mobile Switching Center - MSC) che a sua volta provvede al
collegamento con la rete telefonica fissa (Public Switched Telephone Network - PSTN).
I canali radio usati per le trasmissioni vocali dalla SRB al terminale mobile sono detti
Forward Voice Channels (FVC), mentre quelli dal terminale mobile alla stazione base
Reverse Voice Channels (RVC). Normalmente ci sono anche dei canali di controllo, che
nei due versi di trasmissione sono detti Forward Control Channels (FCC) e Reverse
Control Channels (RCC). All’accensione il terminale mobile controlla qual è il segnale
di maggior livello tra quelli dei vari FCC delle celle vicine e continua a controllare tale
segnale fino a quando non scende sotto un certo livello, mettendosi quindi di nuovo alla
ricerca di un segnale con livello maggiore. Nel caso in cui un utente attraversi il confine
tra due celle adiacenti, opportune procedure di handover passano il controllo della
connessione alla SRB della cella nella quale l’utente sta entrando [1]
Fig.1.1: Architettura di una rete cellulare
Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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Per ovviare alla scarsità di risorse radio si ricorre alla tecnica del riuso di
frequenza: a ciascuna SRB viene assegnata una parte dei canali disponibili in modo che
le celle adiacenti abbiano un gruppo di canali assegnati completamente differente. Ciò si
ottiene organizzando le celle in gruppi, detti cluster, che utilizzano tutti i canali radio
disponibili.
a) b)
Fig.2.1: Suddivisione in celle: a) Cluster di sette celle; b) Configurazione clover
La Fig.2.1.a mostra una struttura tipica che utilizza sette celle per cluster; sono
però utilizzate anche configurazioni con 4 o 12 celle. Nelle grandi città si preferisce
invece la configurazione clover dove l’antenna è posta all’incrocio fra tre celle
adiacenti, come in Fig.2.1.b. Per convenienza si considerano le celle di forma
esagonale, anche se in realtà la loro forma è irregolare principalmente a causa della
propagazione non omogenea del segnale radio.
Consideriamo un sistema cellulare che ha un numero totale S di coppie di canali
disponibili divisi tra le N celle di un cluster ripetuto M volte: se a ciascuna cella è
assegnato un gruppo k di canali (k<S), allora la capacità C del sistema, cioè il numero
massimo di utenti gestibili contemporaneamente, è data dalla relazione:
Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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SMNkMC ⋅=⋅⋅= (1.1)
Affinché tale valore sia massimo è necessario che N sia più basso possibile.
All’aumentare del numero di utenti che utilizzano la rete il numero di canali
assegnati alle celle diviene insufficiente. Per aumentare la capacità si ricorre
sostanzialmente a tre tecniche: cell splitting, cell sectoring e zone microcell.
Il cell splitting consiste nel rimpiazzare le celle congestionate dal traffico con altre
di dimensioni inferiori diminuendo opportunamente la potenza di trasmissione. In
questo modo la capacità aumenta in quanto sono richiesti più cluster per coprire una
determinata area, come illustrato in Fig.3.1.a.
Fig.3.1: a) Cell Splitting; b) Cell Sectoring ; c) Zone microcell
Nel sectoring si utilizzano antenne direttive in modo da dividere la cella in tre
settori di 120°, ognuno dei quali usa un gruppo distinto dei canali della cella d’origine.
In questo modo si riduce l’interferenza cocanale ed è possibile ridurre la dimensione del
cluster. Tale configurazione è mostrata in Fig.3.1.b. La Fig.3.1.c illustra un approccio
zone microcell nel quale l’antenna, posta solitamente al centro della cella, viene
sostituita da diversi trasmettitori di potenza inferiore situati ai bordi della cella stessa e
collegati ad un’unica SRB. Ciascuno di essi serve una zona all’interno dell’area e il
terminale mobile viene servito dal segnale più forte. In tal modo un certo canale è
Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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attivato solo in una particolare zona della cella e l’irradiazione risulta localizzata e
direzionale.
In generale si può affermare che aumentando il numero di celle (e quindi
riducendo la loro dimensione), aumenta la capacità del sistema. Ciò comporta però
l’aumento del numero di handover che il sistema deve effettuare durante una
conversazione.
Fissate le dimensioni del cluster:
• l’intensità dei campi radio aumenta al diminuire delle dimensioni delle celle r; mentre
diminuisce all’aumentare del numero k di portanti all’interno di un cluster;
• Il numero di Stazioni Radio Base installate cresce al diminuire di r.
• la qualità del servizio aumenta all’aumentare di k.
Nella Tab.1.1 vengono riportati alcuni parametri caratteristici per copertura mediante
macro e microcelle.
Tab. 1.1 – Parametri caratteristici per copertura macro e micro cellulare
Macrocelle Microcelle
Raggio 1-20 Km 0.1-1 Km
Potenza Tx 1-10 W 0.1 – 1 W
Rms delay spread 0.1-10 μs 10-100 ns
Max. bit rate 0.3 Mb/s 1Mb/s
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1.2.1 Tecniche di accesso multiplo
La banda di frequenze disponibile costituisce una risorsa limitata che richiede una
accurata strategia di gestione: l'accesso al mezzo radio deve avvenire in considerazione
del numero di utenti da servire in un’area. Per fronteggiare il problema dell’allocazione
di richieste simultanee di accesso da parte di più utenti si utilizza uno schema di accesso
multiplo a suddivisione di frequenza FDMA (Frequency Division Multiple Access) nel
quale la banda assegnata viene suddivisa in un certo numero di canali (124 nel GSM da
200 kHz ciascuno) ognuno centrato su una frequenza portante. La trasmissione su
ciascun canale viene poi ripartita in time slot TDMA (Time Division Multiple Acces)
che si ripetono periodicamente con una certa cadenza ( trame da 8 time slot della durata
di 0.5477 ms). Il canale di traffico è quindi identificato da un determinato intervallo di
tempo e da una portante radio.
La tecnica CDMA (Code Division Multiple Access), utilizzata nei sistemi 3G,
rappresenta una innovazione rispetto alle due appena descritte: infatti, essa consente agli
utenti di trasmettere sulla stessa frequenza e nello stesso istante. Per ottenere ciò è
ovviamente necessario prevedere un ulteriore meccanismo per la separazione dei vari
segnali: a ciascun utente viene assegnato un codice binario (sequenza di spreading)
usato per codificare ciascun segnale dei singoli utenti, in modo che siano univocamente
distinguibili. In tal modo più utenti utilizzano contemporaneamente la stessa banda
nello stesso intervallo di tempo. Poiché i diversi segnali sono contraddistinti da
sequenze di spreading diverse, tale tecnica è in grado, almeno idealmente, di annullare
completamente l’interferenza tra i diversi segnali. Tuttavia, nelle condizioni reali di
funzionamento del sistema, la degradazione dei segnali durante la propagazione fa si
che si degradi anche l’ortogonalità tra le sequenze per cui l’interferenza reciproca non
può essere completamente eliminata, ma solo attenuata.
Questa considerazione determina una conseguenza fondamentale: mentre nei
sistemi di prima (TACS) e seconda generazione (GSM) l’unica limitazione alla capacità
del sistema è data dal numero prestabilito di canali e di time slot, nel CDMA questa
limitazione viene meno. Allo stesso tempo, ogni volta che si accetta una nuova
Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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richiesta di servizio la qualità di tutte le connessioni presenti nel sistema viene
leggermente degradata, proprio perché aumenta l’interferenza: le nuove connessioni
possono essere accettate solo fin quando la comunicazione soddisfa i requisiti di qualità.
Per tali motivi si dice che i sistemi CDMA sono caratterizzati da una degradazione
graduale della qualità (soft degradation).
Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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1.2.2 Interferenza
I fenomeni di interferenza degradano le prestazioni di un sistema cellulare e sono
dovuti a molteplici fattori: possibili sorgenti possono essere ad esempio i terminali
mobili nella stessa cella o altri tipi di sistemi che irradiano energia nella banda di
trasmissione considerata.
L’interferenza co-canale si verifica quando la distanza tra due trasmettitori che
operano sulle stesse frequenze non è sufficientemente grande per cui ad un terminale
arrivano sullo stesso canale i segnali di due o più celle appartenenti a cluster differenti.
Il fenomeno è indipendente dalla potenza trasmessa in quanto funzione del raggio R
della cella e della distanza D dal centro della cella cocanale più vicina. Incrementando il
rapporto D/R, aumenta la distanza riducendo i disturbi [1].
Una grandezza interessante è il rapporto tra segnale utile ricevuto e interferenza
(SIR), che può essere espresso come:
(2.1)
dove S è la potenza del segnale utile e I
i
la potenza dell’i-esimo segnale interferente
proveniente da una delle k celle cocanale adiacenti. Se si considerano come interferenti
solo le antenne più vicine, poste a distanza D, allora l’equazione (2.1) si semplifica in:
(3.1)
che mette in relazione il rapporto S/I con la dimensione N del cluster. Perciò, come si è
detto, una dimensione maggiore del cluster serve a ridurre l’interferenza.
L’interferenza da canale adiacente è dovuta alle imperfezioni nel filtraggio del
ricevitore che permette il passaggio delle frequenze vicine al canale desiderato. Può
∑
=
=
k
i
i
I
S
I
S
1
()
()
k
N
k
R
D
I
S
n
n
3
==
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essere minimizzata tramite un adeguato filtraggio o mediante un’opportuna
assegnazione dei canali in modo che la separazione tra essi in ogni cella sia massima.
Un altro metodo usato per ridurre l’interferenza è quello del controllo della potenza
trasmessa dai terminali mobili (Power Control). Questa viene costantemente controllata
dalla SRB e mantenuta al livello minimo necessario a mantenere una buona qualità di
comunicazione verso la SRB stessa.
1.2.3 Fading
La propagazione delle onde e.m. non avviene in un ambiente ideale, come
avverrebbe nello spazio libero: la presenza di ostacoli di varia natura e dimensione
determina fenomeni di riflessione e di scattering che provocano affievolimenti
momentanei del segnale ricevuto, indicati comunemente come fading (evanescenza). Il
fading può essere anche molto profondo e compromettere la qualità della trasmissione.
Esso viene caratterizzato attraverso l’analisi statistica delle variazioni del segnale
ricevuto.
Si possono distinguere due tipi di fading: a lunga durata (lento) ed a breve durata
(veloce). Il primo è dovuto alla presenza di grossi ostacoli che, durante il movimento del
terminale, causano un effetto di ombreggiamento (shadowing), con una variazione
relativamente lenta dell’inviluppo del segnale ricevuto, in accordo con la distribuzione
log-normale. Il fading veloce è invece dovuto alla presenza di numerose superfici
riflettenti, le quali fanno in modo che il segnale giunga nel punto di ricezione attraverso
tragitti diversi con fasi ed ampiezze differenti. In questo caso si osservano fluttuazioni
repentine del livello di segnale.
In condizioni di visibilità fra trasmettitore e ricevitore, con una componente di
segnale stazionaria dominante, il fading segue una distribuzione di Rice. Al contrario
quando tale componente diviene più debole, come in condizioni di non visibilità in
situazioni di mobilità frequente, il segnale complessivo ha un inviluppo che segue una
statistica di Rayleigh [2].
Capitolo 1: Tecniche di previsione della copertura cellulare
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1.3 Caratteristiche generali dei modelli di predizione
L’evoluzione dei sistemi di comunicazione ha portato ad utilizzare bande di
frequenza sempre più elevate, celle di dimensioni ridotte e sistemi intelligenti di antenne
rendendo la caratterizzazione della propagazione all’interno di un certo scenario un
obiettivo sempre più arduo.
Per la descrizione di siti macrocellulari, nei quali l’antenna trasmittente è
posizionata ad altezza più elevata rispetto agli edifici circostanti, sono generalmente
sufficienti modelli molto semplici di tipo statistico che permettono di ottenere un grado
sufficiente di precisione. Al contrario, se la copertura è realizzata mediante microcelle la
geometria degli edifici e del terreno condiziona profondamente la propagazione delle
onde radio, generando ampie zone d’ombra.
Le onde radio si propagano per riflessione sul terreno e lungo le pareti verticali
degli edifici, per diffrazione sui bordi orizzontali e verticali degli stessi, per scattering
su superfici irregolari, o per una combinazione qualsiasi di tali fenomeni. Per una
corretta implementazione dei modelli di predizione tali fenomeni devono essere descritti
mediante opportune approssimazioni.
Ciò richiede un processo di modellizzazione in più fasi: nella prima fase
l’ambiente di propagazione viene digitalizzato in modo da ricavare un database che
descriva opportunamente lo scenario considerato. Tali informazioni comprenderanno le
quote del terreno, il modo d’uso delle aree (vegetazione, edificio, ecc.), la forma degli
edifici ed informazioni quali l’elevazione e le caratteristiche elettriche delle superfici.
La seconda fase consiste nella definizione di opportune approssimazioni matematiche
per i fenomeni di propagazione quali la riflessione sulle superfici e la diffrazione lungo
cunei non perfettamente conduttori (spigoli degli edifici e dei tetti). Partendo dai
risultati ottenuti in queste prime due fasi, si passa allo sviluppo di opportuni algoritmi di
predizione.
La scelta della soluzione adottata va fatta a priori, a seconda del tipo di scenario
analizzato e della tipologia del database (urbano, rurale, ecc.), della sua estensione e
Ricevi informazioni sui nostri servizi, sulle offerte e non perdere news e consigli su università e lavoro.
