Studio dell'interferenza co-canale in reti radiomobili microcellulari

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 Il caso trattato  e  gli obiettivi. 
 
 
 
 
Questo studio presenta un modello di interferenza co-canale per reti 
microcellulari che integra i parametri della propagazione radio con i 
parametri che tengono conto della mobilit  dell utente. 
Questo modello usa un parametro chiamato  rapporto del rumore 
interferente (η =I/N)   per ottenere una semplice descrizione dei contorni 
del collegamento radio mobile in funzione della posizione del 
ricetrasmettitore fisso e mobile. 
L η  Ł usato per dimostrare che i networks microcellulari sono piø limitati 
dalle interferenze dei networks macrocellulari. 
Troveremo espressioni per  η , e per la distribuzione del raggio della cella. 
I risultati forniti dal modello verranno confrontati con i dati reali di un 
sistema microcellulare installato nella stazione centrale di Milano. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2   Progettare una rete cellulare. 
 
 
 
 
La progettazione di una rete cellulare, cos  chiamata in quanto composta 
da celle, passa attraverso la definizione della copertura radio che si vuole 
ottenere e del traffico che si deve gestire. La copertura della singola cella Ł 
fornita da una stazione radio base, ed Ł condizionata dall’orografia e dalla 
potenza della stazione fissa  stessa e dalla potenza dei terminali che 
saranno utilizzati. 
In pratica, il traffico gestibile Ł fisso per ogni cella, una volta scelti i 
parametri di cui sopra e la tecnologia di trasmissione. 
Il TACS utilizza la tecnica di accesso FDMA (Frequency Division 
Multiple Access), mentre il GSM utilizza la tecnica TDMA (Time 
Division Multiple Access). 
In entrambi i sistemi a ogni cella corrisponde un certo numero di canali. 
In Italia l’esplosione dei servizi mobili e la limitata disponibilit  di 
frequenze hanno rapidamente posto il problema della saturazione 
dell’offerta. 
Per ovviare a questa situazione, si sono cercate  soluzioni che  possano 
consentire di ottimizzare l’uso della banda disponibile. 
Questo risultato Ł stato ottenuto grazie a un dimensionamento non 
uniforme dei canali radio per cella (assegnando a ogni cella il numero di 
canali strettamente necessario per il traffico previsto) e a tecniche avanzate 
di assegnazione delle frequenze. 
 Il problema richiede una grande potenza di calcolo, poichŁ dal punto di 
vista matematico l’allocazione delle frequenze comporta la soluzione di 
problemi di elevata complessit . 
Usando la potenza irradiata dall’antenna, le dimensioni della cella possono 
essere aumentate o ristrette a piacere (anche se esiste un limite al valore 
del campo emesso, che viene contenuto ben al di sotto dei limiti imposti 
dalla legge sulle emissioni elettromagnetiche). 
Vi sono inoltre vincoli per quanto riguarda il terminale. 
Infatti questo riceve ed emette in una certa fascia di potenza e quindi le 
celle devono essere configurate in modo opportuno. 
Un ulteriore vincolo Ł dato dal volume di traffico che si vuole smaltire. 
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Siccome questo Ł limitato dal numero delle celle, se in una certa area si 
vuole gestire una maggiore quantit  di traffico occorre predisporre piø 
celle. 
La separazione in frequenza tra celle vicine Ł importante per poter 
riutilizzare i canali proteggendoli dalle interferenze. 
 
 
 
 
Uno dei passi principali verso un’infrastruttura che renda possibile il 
segmento wireless dei servizi di comunicazione personali, Ł l’impiego di 
celle di piccolo diametro (microcelle) che consente un elevato tasso di 
riutilizzo dello spettro (teso soprattutto ad aumentare il numero di canali 
radio disponibili in zone o in aree circoscritte con elevate punte di traffico, 
i quali possano pertanto rendere possibile una piø elevata densit  di 
abbonati). 
 In questi casi la copertura Ł assicurata da microcelle, aventi un raggio di 
circa 200 metri. 
 Il posizionamento  e l altezza delle BTS unita alla struttura e densit  degli 
edifici modificano in maniera particolare e sensibile  le caratteristiche di 
propagazione in aggiunta a relative allo spazio libero (Free Space). 
Le vicessitudini orografiche e strutturali devono  essere rilevate con una 
maggiore risoluzione (si utilizzano in genere mappe satellitari con 
risoluzione di due metri)sopratutto rispetto al profilo altimetrico. 
In pratica, di una citt  occorre conoscere non solo il posizionamento delle 
vie e le piazze, ma ancheil rapporto tra altezza degli edifici e larghezza 
delle strade  (parametro  Storico ). 
Spesso anche la tipologia delle superfici ha un’importanza rilevante, per 
esempio quando si Ł in presenza di pannelli metallici, o specchi d acqua. 
Oggi i sistemi di progettazione assistita da calcolatore, fruendo di mappe 
del territorio molto precise e di sperimentazioni di laboratorio sulla 
propagazione in varie situazioni, consentono 
una notevole precisione nella disposizione dei centri BTS. 
Solo cinque anni fa tale scelta era soggetta a una serie di prove sul campo 
con affinamenti Successivi; un approccio che oggi non sarebbe possibile, 
data la densit  delle celle e i volumi di traffico gestiti. 
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Per essere piø efficienti e meno costose, le architetture microcellulari 
richiedono che le funzioni intelligenti siano piø decentralizzate rispetto 
alle soluzioni cellulari normali. 
La decisione e il controllo debbono essere praticati, per quanto possibile, a 
livello locale, per poter mantenere a livelli accettabili il costo di 
trasmissione e il volume di traffico di segnalazione. 
 Le reti cellulari si   stanno   ora diffondendo in Europa con la creazione 
delle cosiddette reti di comunicazioni personali (PCN- Personal 
Communications Networks), che impiegano la norma DCS-1800, nonchØ 
con la diffusione delle versioni microcellulari del GSM a 900 MHz nelle 
aree urbane. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.1   Aspetti propagativi e caratteristiche del canale radiomobile. 
 
 
 
 
Nel pianificare una rete cellulare occorre tenere presente che l effettiva 
area di copertura Ł una funzione complessa dell ambiente in cui avviene la 
propagazione. 
I segnali radio che si propagano in ambienti reali subiscono numerose 
"manipolazioni" da parte dell ambiente, spesso indesiderabili: riflessioni, 
diffrazione ed assorbimento. 
E  importante evidenziare l attenuazione complessiva che  subisce il 
segnale. 
Se il trasmettitore emette un segnale con potenza Pt, al ricevitore giunger  
un segnale con potenza Pr =A⋅Pt 
L attenuazione totale sar  divisa in 3 termini: 
 
 
 
At = Ad⋅As⋅Am 
 
 
 
L attenuazione dovuta alla distanza sar  modellata dal Path loss (Ad). 
L orografia del terreno che produrr  diffrazione e quindi zone d ombra, 
sar  modellata dallo Shadow fading (As). 
Mentre l effetto della riflessione sar  tenuta in conto nel termine di 
Multipath (Am).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.1.1                              Path loss 
 
 
 
 
 
Quando si effettuano misure, mediando su un periodo di tempo abbastanza 
lungo, la potenza osservata al ricevitore dipende principalmente dalla 
distanza dal trasmettitore. 
Uno dei modelli piø semplici si basa sull ipotesi di  terra piana e 
propagazione in spazio libero, in questo caso l attenuazione Ad sar : 
 
 
            Ad = 32.4 + 20⋅log(f/Mhz) + 10⋅α⋅ log(d/Km). 
  
 
Dove d Ł la distanza  tra il trasmettitore e il ricevitore, f Ł la frequenza 
della portante utilizzata.. 
E  importante notare che la costante α  dipende dal tipo di terreno e dal tipo 
di ostacoli che circondano il mobile. 
Studi empirici di Okumura e Hata hanno portato alla definizione di diversi 
modelli validi per aree urbane, suburbane, rurali. 
Valori tipici per l esponente α  sono (2-5), dove 2 corrisponde alla 
propagazione in spazio libero e 5 agli ambienti urbani con alta 
concentrazione di edifici. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.1.2                          Shadow fading o (Slow fading) 
 
 
 
 
All attenuazione media dovuta al pathloss si aggiunger  un termine 
lentamente variabile che terr  conto della variazione dell orografia 
dell ambiente circostante. 
Okumura e Hata furono i primi a studiare questo fenomeno, e si accorsero 
che lo shadow fading poteva essere modellato con una variabile casuale 
gaussiana con media 0 e varianza σ s. 
 
                         Af ∼  N(0,σ ) 
 
Usando la scala logaritmica, lo shadow fading Af avr  una distribuzione 
lognormale, con media 0  e varianza σ s^2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.1.3                     Multipath fading o (Fast fading) 
 
 
  
Diverse misure hanno dimostrato che il segnale ricevuto da un terminale 
mobile contiene non solo la componente diretta (LOS Line-of-sight), ma 
anche un gran numero di segnali riflessi. 
Questi segnali arrivano al mobile dopo aver percorso cammini di 
lunghezza diversa, qui vengono riflessi dagli oggetti che circondano il 
mobile, ed avranno quindi fase e ampiezza diversa. 
Si potranno avere allora forti affievolimenti dell ampiezza del segnale 
risultante e forti distorsioni a seconda dei ritardi e delle fasi relative con 
cui i segnali si sommano in ricezione. 
Quando tutti i segnali si combinano dando una risultante nulla il 
collegamento radio subisce una forte attenuazione. 
Questi affievolimenti avvengono ogni  semi-lunghezza d onda, quindi un 
mobile che viaggia a 100Km/h subir  167  affievolimenti al secondo se la 
frequenza della portante Ł 900Mhz. 
E  importante notare che il Fast-fading Ł un fenomeno tipicamente 
spaziale, quindi pu  manifestarsi anche quando il mobile non Ł in 
movimento. 
Il moto relativo tra trasmettitore e ricevitore genera, per una data frequenza 
f , uno spostamento in frequenza (effetto Doppler) pari a: df=f⋅v/c 
Essendo v la componente della velocit  relativa nella direzione di 
propagazione dell onda. 
In un collegamento radiomobile un onda portante a frequenza f produrr  
pertanto in ricezione diversi segnali, che in notazione complessa possiamo 
esprimere come: 
 
 
I parametri Ai, ω di, φ i rappresentano rispettivamente l ampiezza, lo 
spostamento in frequenza (Doppler) e la fase del segnale i-esimo. 
Il vettore z(t)=∑Α i⋅exp(ω di+φ i) pu  essere considerato un processo 
casuale complesso x(t)+i⋅y(t), nel caso in cui questo sia la combinazione di 
tanti contributi casuali indipendenti e dello stesso ordine di grandezza. 
()
∑
⋅
+⋅
⋅⋅
i
ti
idii
o
eeAi
.ω
φω
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Nei sistemi radiomobili le componenti in quadratura x(t) e y(t) del vettore 
ricevuto z(t) possono essere considerate come processi gaussiani, 
indipendenti, a valor medio nullo e varianza σ  , e quindi la densit  di 
probabilit  dell inviluppo a = Z pu  essere approssimata dalla legge di 
Rayleigh.   
     
Inoltre in questo caso la fase del vettore z risulta distribuita uniformemente 
nell intervallo (0-2π ). 
Nella seguente figura possiamo vedere una realizzazione di un processo di 
Rayleigh, dove il mobile si muove alla velocit  di 50Km/h , e la frequenza 
della portante Ł 900Mhz. 
E  importante notare che, rispetto al segnale relativo all attenuazione in 
spazio libero (linea rossa. Fig 1), il segnale affetto dal Fast Fading presenta  
un guadagno massimo di 3db quando la risultante dei segnali Ł in fase con 
il segnale utile, invece ho l annullamento del segnale quando la risultante Ł 
in  opposizione di fase. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                    Fig. 1 
Mult
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-72
-70
-68
-66
-64
-62
-60
Tempo in ms
Potenza del segnale in dbm
()
2
2
2
2
σ
σ
⋅
−
⋅=
a
e
a
ap
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2.2 Caratteristiche delle reti microcellulari. 
 
 
 
La capacit  dei sistemi cellulari pu  essere notevolmente incrementata 
dividendo e settorizzando le celle esistenti. 
Questo permette un maggiore riuso delle stesse frequenze nella medesima 
area urbana, con un conseguente  aumento della complessit  del sistema. 
Il limite inferiore del raggio della cella dei sistemi cellulari tradizionali, 
qui definiti macro Ł circa 1,5 Km. 
La tecnologia microcellulare Ł stata sviluppata per garantire comunicazioni 
Wireless ad un grande numero di utenti. 
L architettura microcellulare differisce dall architettura macrocellulare in 
tre aspetti fondamentali: 
 
 
- Le celle hanno un raggio minore di 1 Km. 
- Gli apparati irradiano potenze inferiori. (5-10 mw) 
- Tutti i canali radio sono disponibili in ogni cella. 
 
 
 
Le microcelle possono assumere diverse configurazioni, a seconda 
dell orografia del territorio che devono coprire, (es. una autostrada, una 
piazza in un centro storico, oppure i diversi piani di un edificio.) 
Di solito la BTS e il MS in una microcella trasmettono basse potenze, e 
l antenna della BS Ł montata a 5-7 m dal terreno. 
Quando le antenne sono montate ad un altezza inferiore a quella degli 
ostacoli vicini, l area dove il sistema garantisce la qualit   del 
collegamento radio, si riduce notevolmente. 
Il numero di handoff per cella aumenta di un ordine di grandezza, e il 
tempo disponibile per fare l handoff decresce. 
Le microcelle sono caratterizzate da un problema di propagazione 
chiamato effetto angolo, infatti, quando il MS gira intorno ad un angolo, il 
segnale subisce una brusca attenuazione (es. 20-30db), questo effetto Ł 
dovuto alla perdita della componente del segnale dovuta alla linea di 
visibilit  (LOS: Line Of Sight) che collega la BTS al MS. 
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L effetto angolo Ł molto difficile da prevedere, inoltre richiede un handoff 
piø veloce, e pu  peggiorare la qualit  del segnale molto velocemente. 
Quindi Ł sconsigliabile utilizzare un intervallo di misura molto lungo, 
infatti ostacoli mobili potrebbero interporsi tra la  BTS e il MS simulando 
un effetto angolo.  
In un sistema microcellulare  ci sono due tipi di handoff un LOS handoff e 
un n-LOS handoff. 
Un LOS handoff avviene quando c’Ł un handoff tra due BTS in visibilit , 
in questo caso una richiesta preventiva di handoff potrebbe avvenire. 
Un n-LOS handoff avviene quando il MS lascia una BTS non in visibilit  
e passa ad una BTS in visibilit , o viceversa, in questo caso la procedura di 
handoff deve avvenire in breve tempo, prima che l’ MS giri l’angolo. 
Le celle possono assumere diverse configurazioni spaziali, le piø usate 
sono: quella rettangolare,  e quella a met  settore. 
 
 
 
                                                                   
 
 
 
Fig. 2  Rettangolare                     Fig. 3  Met  settore 
 
 
 
 
 
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2.2.1    Sovrapposizione tra macrocelle e microcelle. 
 
 
 
 
 
Le microcelle  limitano la congestione del sistema macrocellulare, quando 
a questo Ł chiesto di gestire un traffico elevato. 
E  da tenere in conto tuttavia un incremento del  carico di segnalazione, 
dovuto ad un numero maggiore di handoff nell unit  di tempo. 
Questo Ł causato dalla  limitata superficie delle microcelle. 
Per ridurre alcuni di questi problemi, si pu  utilizzare un’architettura mista 
di macrocelle e microcelle. 
Questa architettura fornisce un bilanciamento tra l’obiettivo di 
massimizzare il numero di utenti per unit  di superficie, e minimizzare il 
carico di segnalazione generato dagli handoff. 
La copertura radio delle macrocelle si sovrappone all’area coperta dalle 
microcelle, gestendo gli handoff tra le celle. 
Le microcelle grazie ad un maggiore riuso delle frequenze possono gestire 
zone con alta densit  di traffico, questo tipo di copertura Ł detta (Hot spot). 
Esempi di Hot spots possono essere: Aeroporti, Stazioni ferroviarie, 
parchi, centri commerciali. 
Le macrocelle gestiscono le aree non coperte dalle microcelle, e gli utenti 
che si muovono ad alta velocit , oppure gli utenti di una microcella 
congestionata.(Fig.3) 
Uno dei problemi piø importanti dell architettura sovrapposta Ł la 
determinazione dell ottima distribuzione dei canali tra le microcelle e le 
macrocelle. 
Ci sono tre approcci: 1 TDMA per le microcelle e CDMA per le 
macrocelle, 2  CDMA per le microcelle e TDMA per le macrocelle. 
3 TDMA per entrambe. 
 
 
 16
                Fig. 4 
 
 
 
 
 
2.3   Modello C.O.S.T  231- Walfish-Ikegami. 
 
Nella copertura microcellulare la propagazione Ł dominata dalla 
diffrazione e dallo scattering intorno agli ostacoli vicini al mobile. 
Ci  significa che prima dello studio teorico Ł necessaria una fase 
preliminare di Survey durante la quale si devono aquisire alcuni parametri  
topografici importanti, come: 
 
-  Altezza media degli edifici (hroof). 
- larghezza media delle strade (w). 
- Distanza media tra gli edifici(b). 
 
Ci sono diversi modelli statistici che utilizzano questi valori medi per fare 
delle previsioni di copertura. 
Con il modello C.O.S.T 231 Walfish-Ikegami si possono avere delle 
pervisioni con un errore di circa 3-5 db. 
I suoi limiti di validit  sono: 
 
f              :   800 ..2000 Mhz 
Hbase     :    4 50 m 
Hmobile :    1 3 m 
Raggio    :   .02 5 Km 
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  Fig. 5 
 
 
 
 
 
Questo modello vale per aree urbane ad alta densit  di edifici. 
Se esiste un percorso in visibilit  (L.O.S.  Line-of-sight) l attenuazione 
totale sar : 
 
 
Ltot = 42.6 + 26⋅log(d/Km) + 20⋅log(f/Mhz). 
 
 
Se non esiste un percorso in visibilit , l attenuazione totale sar  composta 
da tre termini. 
 
 
Ltot = Lo + Lrts + Lmsd. 
 
 
Dove Lo Ł l attenuazione il spazio libero, e Lrts e Lmsd tengono conto 
dell attenuazione dovuta alla diffrazione intorno agli ostacoli vicini. 
Le seguenti figure mostrano l attenuazione totale che subisce il segnale 
passando dalla propagazione in spazio libero, (Fig.6)  alla propagazione il 
ambienti urbani (Fig.7).