Retele Celulare Pentru Comunicatii Mobile

Cap.1 Rețele celulare pentru comunicații mobile

In tehnică prin comunicație  se intelege transmiterea de date și informații implicând o conexiune între două sau mai multe puncte distincte. Transmiterea informației se face cu ajutorul unui mediu fizic, care poate fi un cablu (din cupru, fibră optică ș.a.), sau/ și un mediu "fără fir" (engleză: wireless): prin microunde, unde radio, raze infraroșii ș.a.

Conform prof. Ion Bogdan [1] prin comunicație se înțelege un serviciu telefonic (comunicații vocale), transmisii de imagini statice sau în mișcare, transmisii fax, transmisii de date, poștă electronică sau transmisii multimedia (transmisii simultane de date, voce și imagini, asociate sau complementare informațional).

O rețea de comunicații prin radio poate fi:

fixă, dacă antena utilizatorului nu-și modifică poziția;

portabilă, dacă antena utilizatorului se deplasează între două servicii de comunicație, dar rămâne fixă în timpul comunicației;

mobilă, dacă antena utilizatorului este în mișcare în timpul efectuării comunicației.

Utilizatorii mobili pot să comunice între ei fie direct, fie prin stații intermediare repetoare (pasive, stații de bază, stații de comutare). Dacă toate acestea sunt instalate pe sol rețeaua se numește rețea mobilă terestră. Dacă cel puțin una se află pe satelit, rețeaua se numește rețea mobilă prin satelit. În funcție de localizarea utilizatorilor, rețelele de radiocomunicații mobile se pot clasifica în terestre, maritime, aeronautice și spațiale. Rețelele de radiocomunicații mobile asigură utilizatorilor posibilitatea de a se deplasa liber în zona de acoperire în timp ce comunică între ei.

Pentru a oferi servicii de comunicații mobile este necesară cunoașterea rețelelor prin care este posibilă realizarea acestor servicii. Calitatea serviciului, oferită utilizatorului, calitate pe care o percepe acesta, SQE, depinde de mai mulți factori, obiectivi și subiectivi. Dintre aceștia se pot enumera:

• calitatea transmisiei oferită de rețea

• calitatea informației oferită de ofertantul serviciului

• calitatea și accesibilitatea interfeței de comunicație prin care se realizează serviciul;

• conținutul informației oferite și adaptarea acesteia la necesitățile clienților etc.

În funcție de viteza de transmisie realizată, respectiv de banda de frecvență utilizată, serviciile oferite pot fi de bandă largă sau de bandă îngustă. Termenul de bandă largă, respectiv de bandă îngustă nu are, în prezent, o definiție suficient de riguroasă. Există definiții, ca cele promovate de FCC  (Federal Communications Commission) , prin care limita dintre banda largă și banda îngustă ar fi marcată de viteza de transmisie de aproximativ 200 kbit/s, definiție care este însă contestată.

În funcție de modul în care acestea sunt configurate, se pot oferi servicii singulare, de exemplu serviciul telefonic sau servicii multimedia, de exemplu serviciul de videoconferință, în care imaginile sunt însoțite de sunet și, uneori de grafice și desene, formând un ansamblu coerent.

În prezent, se pot defini trei tipuri de conectare pentru un utilizator la rețea:

Conexiune fixă. Utilizatorul este conectat la o rețea de comunicație într-un anumit punct, fără a avea posibilitatea să modifice punctul de conectare la rețea. Este cazul conexiunii utilizatorului la o rețea telefonică, POTS, ISDN, sau la o rețea CATV.

Conexiune nomadică. Utilizatorul are posibilitatea de a-și modifica poziția în rețea și să primească sau să transmită, în continuare, informațiile dorite. În timpul comunicației, poziția utilizatorului față de rețea rămâne fixată. Este cazul unor rețele PLC, în care utilizatorul se poate muta de la o priză electrică al alta și se poate reconecta pentru a relua sau a continua comunicația. Rețelele radio au capacitatea, la rândul lor, de a oferi conexiune nomadică, dacă, de exemplu, utilizatorul care folosește un laptop, transmite sau recepționează informațiile dorite dintr-un amplasament fix, după care se deplasează într-un alt amplasament, din care poate să comunice.

Conexiune mobilă. Utilizatorul realizează comunicația aflându-se în mișcare. În prezent există trei limite de viteză care definesc mobilitatea față de rețea a utilizatorului și anume:

• mobilitate pietonală, prin care se definește deplasarea cu o viteză de până la 10 km/h, cu menținerea comunicației;

• mobilitate cu viteză de până la 120 km/h, pentru utilizatori aflați în mișcare.

• mobilitate cu viteză de până la 500 km/h, pentru utilizatori aflați în mișcare, de exemplu în trenuri de mare viteză.

Elemente fundamentale ale conceptului celular

Dezvoltarea conceptului celular de organizare a unei rețele de comunicații are ca obiectiv posibilitatea creșterii, teoretic, nelimitate a capacității rețelei folosind o bandă de frecvență dată. Deși principiul organizării celulare este întâlnit în literatura de specialitate a rețelelor de comunicații încă din deceniul cinci al secolului al XX-lea, prima expunere și analiză completă a acestuia au fost realizate în 1979 de către cercetătorii de la Bell Laboratories.

Pe parcurs, acest concept a fost rafinat și completat cu noi idei, însă expunerea inițială a ramas de baza și își păstrează valabilitatea și in prezent.

Conform acesteia, conceptul celular de organizare a unui rețele de comunicații are la bază două principii: reutilizarea frecvenței și divizarea celulelor. Primul asigură capacitatea de comunicație impusă folosind o bandă limitată de frecvență, iar al doilea permite creșterea acestei capacități în funcție de creșterea traficului oferit, fără creșterea benzii de frecvențe alocate rețelei.

Caracteristicile sistemelor celulare:

teritoriul în care lucrează rețeaua de comunicație este integral acoperit cu un număr oarecare de celule.

celula reală nu trebuie să aibă o formă regulată.

pentru proiectare se preferă o formă geometrică simplă.

Proiectarea rețelelor celulare:

1. Conceperea unei rețele teoretice de bază;

2. Analiza factorilor care determină corecții sau măsuri de protecție;

3. Efectuarea unor corecții în structura rețelei ca urmare a unor măsurători și observații efectuate asupra unei prime variante.

Etapa 1. Conceperea rețelei teoretice de acoperire:

Ipoteze:

– suprafața plană, fără forme de relief, construcții, vegetație;

– celulele: de același tip și cu dimensiuni identice;

– acoperire fără suprapuneri (suprapuneri minime);

– caracteristica de radiație a antenelor omnidirecțională;

– puterea aparent radiată = o constantă a rețelei.

Pe rețeaua teoretică se atribuie canale (seturi de canale) radio către celule;

În acest scop este necesară alegerea unor reguli de reutilizare a canalelor radio (grupurilor de canale radio)

Împărțirea în celule:

– celula – zonă acoperită din punct de vedere radio de către o stație de bază (sau mai multe);

– fiecărei celule i se alocă un număr de canale radio (un set de canale radio).

– celule vecine folosesc seturi diferite.

Figura 1.1 Împărțirea in celule – zone de acoperire

Etapa 2 se desfășoară pe baza unor hărți ridicate la o scară adecvată și a altor observații și măsurători;

Etapa 3 se realizează o rețea de acoperire cât de aproape posibil de cea teoretică;

se efectuează măsurători și apoi corecțiile care se impun;

Forma celulei: cerc sau poligoane inscriptibile în cerc; cea mai convenabilă soluție: hexagonul.

Figura 1.2 Posibila forma celulara (hexagonul)

Reutilizarea frecvenței

Conform prof. Ion Bogdan[1] reutilizarea frecvenței constă în utilizarea simultană a unui canal radio de comunicație în zone geografice distincte, suficient de îndepărtate pentru ca interferența izocanal să fie neglijabilă. Reutilizarea spațială a frecvenței nu este un concept nou, el fiind utilizat deja în radiodifuziune, televiziune și alte servicii. Aplicația acestui concept pe arii geografice mici, de dimensiunea unei aglomerații urbane și funcționarea coordonată a tuturor emițătoarelor din rețea este însă nouă.

În celelalte aplicații, reutilizarea frecvenței apărea în mod natural prin puterea limitată de alimentare a unei antene de emisie și pierderile inerente de propagare, ambele conducând la o limitare a distanței până la care semnalul util își păstrează nivelul peste un prag utilizabil tehnic. În rețelele mobile, dimpotrivă, se impune distanța maximă până la care unda electromagnetică emisă trebuie să se păstreze peste valoarea de prag, distanță mult mai mică decât cea posibil a fi atinsă cu puterile de emisie disponibile și alegerea unei valori a puterii de emisie care să asigure, pe de o parte, acoperirea cu semnal a întregii zone și, pe de altă parte, să nu producă perturbații și interferențe nedorite în zonele alăturate. În acest fel, în loc să se acopere o arie foarte mare, cu semnal produs de un singur emițător de putere mare și cu antena înălțată cât mai sus posibil, operatorul de comunicații distribuie emițătoare de putere mică pe acea arie, fiecare acoperind cu semnal o zonă mai mică denumită celulă. Celula este, așadar, acea zonă în care un emițător de putere mică servește mobilele aflate temporat pe aria ei. Locul în care se află emițătorul se numește sediul celulei. O posibilă distribuție a celulelor este cea prezentată în figura 1.3.- conform prof. Ion Bogdan[1]

Figura 1. 3. – Exemplu de rețea celulară

Distribuția emițătoarelor nu trebuie să fie regulată, iar celulele nu trebuie să aibă o formă anume. Celulele notate cu litere diferite utilizează seturi diferite de canale pentru evitarea interferențelor izocanal. O celulă poate avea și semnificația suplimentară că este o zona care este utilizata pentru comunicația unui set dat de canale. Celule suficient de îndepărtate (precum, de exemplu A1, A2 și respectiv D1, D2) pot utiliza simultan același set de canale.

Prin reutilizarea spațială a frecvențelor, o rețea celulară de comunicații mobile poate susține simultan un număr de comunicații mult mai mare decât numărul total de canale alocate. Factorul de multiplicare este o funcție de mai mulți parametri ai rețelei, dar, în principal, de numărul total de celule.

Divizarea celulelor

Dacă numărul total M de canale este divizat în N seturi egale, atunci fiecare set va conține un numărde m=M/N de canale și în fiecare celulă vor putea participa simultan la comunicații până la m utilizatori, m reprezentând capacitatea maximă teoretică a celulei. Capacitatea maximă teoretică a unei rețele celulare de comunicații formată din celule identice este produsul dintre capacitatea maximă teoretică m a fiecărei celule și numărul celulelor. Creșterea acestei capacități se poate realiza fără creșterea benzii de frecvență alocate (M= constant) și fără modificarea distribuirii canalelor pe seturi (N= constant) dacă se mărește corespunzător numărul de celule. Pentru o arie de acoperire dată (arie de serviciu) a rețelei de comunicație aceasta înseamnă micșorarea ariei fiecărei celule: practic, aria unei celule este împărțită în arii mai mici reprezentând noile celule, iar procedeul se numește divizare a celulelor (cell splitting).

Figura 1. 4. – Divizarea celulelor [1]

În figura 1.4. se ilustrează divizarea celului F1 în care se presupune că cererea de trafic depășește capacitatea celulei de m canale. Vechea celulă F1 este divizată în patru celule mai mici notate H3, I3, B3, C3. Dacă traficul crește peste capacitate și în celelalte celule, se divizează și acestea, astfel că, într-un stadiu avansat al evoluției rețelei celulare, ea conține numai celule mici (figura 1.5).

Figura 1. 5. – Structura rețelei după divizarea celulelor [1]

Tehnicile de reutilizarea frecvenței și de divizare a celulelor permit rețelelor celulare să își atingă obiectivul susținerii unui număr foarte mare de comunicații într-o arie dată utilizând un spectru restrâns de frecvență. Divizarea celulelor permite, de asemenea, adaptarea distribuției spațiale a canalelor la distribuția reală de trafic, deoarece zonele cu trafic mic sunt servite de celule cu arie mare ce au la dispoziție același număr de canale ca și celulele de arie mică (microcelule) ce servesc zone de arie mai mică, dar cu trafic mai intens.

Proprietăți ale geometriei celulare

Scopul principal al definirii celulelor într-o rețea de comunicații mobile este acela de a delimita zonele în care fie un set dat de canale, fie un emițător dat sunt utilizate de mobile cel puțin preferențial, dacă nu exclusiv. O limitare geografică rezonabilă a utilizării unui canal este impusă de necesitatea evitării interferenței izocanal. O structură de celule rezultată din proiectare se implementează practic prin poziționarea corespunzătoare a emițătoarelor, alegerea convenabilă a diagramelor de radiație a antenelor și prin alegerea corectă a emițătorului ce servește un apel de comunicație.

Așezarea neregulată a emițătoarelor și forma oarecare a celulelor sunt caracteristici inerente rețelelor implementate practic și se datorează atât neregularității formelor de relief și construcțiilor aflate pe aria de serviciu, cât și distribuției neuniforme a traficului oferit de utilizatori. O structură regulată este, însă, foarte utilă pentru analiza și proiectarea sistematică a rețelelor celulare, precum și pentru extragerea principalelor proprietăți ce derivă din această arhitectură.

O celulă reprezintă aria de acoperire a unui emițător. Dacă acesta utilizează o antenă omnidirecțională și terenul este perfect plan, atunci celula rezultă de formă celulară. Deși considerentele de propagare recomandă forma circulară a celulelor, aceasta este improprie pentru proiectare, deoarece un ansamblu de cercuri conduce la ambiguități, cu puncte ce aparțin fie mai multor celule, fie nici unei celule. Din acest motiv se preferă celule de forma unui poligon regulat ce aproximează cercul și care permite acoperirea ariei cu celule identice fără suprapuneri sau goluri. Există trei asemenea poligoane: triunghiul echilateral, pătratul și hexagonul. Din motive economice, cercetătorii de la Bell Laboratories, care au introdus conceptul celular, au ales forma hexagonală a celulelor, formă care este utilizată și astăzi.

Motivația economică a alegerii este susținută prin analiza cazului cel mai defavorabil. Oricare ar fi forma celulei, emițătorul se află în centrul ei. Punctele cu cel mai mic nivel al câmpului radiat se află în vârfurile poligonului, deoarece au cea mai mare distanță față de centru. Pentru aceeași distanță vârf-centru (de fapt, rază a cercului circumscris) hexagonul are aria cea mai mare. Deci, pentru a acoperi aceeași suprafață este nevoie de mai puține hexagoane decât pătrate sau triunghiuri echilaterale și, în consecință, de mai puține emițătoare, așadar un cost mai mic. Concluzia este că o rețea cu celule hexagonale costă mai puțin decât o rețea cu celule pătratice sau triunghiulare dacă toți ceilalți factori sunt identici.

Pentru o rețea dată de celule hexagonale trebuie stabilit setul de canale utilizabil de fiecare celulă în parte. Pentru aceasta se aleg valori, după anumite criterii, pentru doi parametri întregi, i și j, denumiți parametri de deplasare. Se alege o celulă oarecare ca celulă inițială și i se atribuie setul de canale A. Cele mai apropiate șase celule de aceasta ce pot folosi același set A de canale se determină prin deplasarea cu i celule din centrul celulei inițale perpendicular pe fiecare din laturile ei, rotirea în sens pozitiv trigonometric cu 60 de grade și apoi deplasarea cu alte j celule. Se alege apoi altă celulă inițială, un alt set de canale (de exemplu, B) și se repetă procedeul de mai sus. Procesul se termină când toate celulele din rețea au primit câte un set de canale. Structura din jurul unei celule A se repetă în jurul oricărei alte celule A prin translație, fără rotație. În figura 1.4. este ilustrat procedeul pentru valorile i=3 și j=2.

Procedeul descris anterior poate fi modificat în sensul că deplasarea se poate face întâi cu j celule și apoi cu i celule, iar rotația cu 60 de grade se poate face în sens negativ trigonometric. Rezultă patru procedee distincte ce conduc la două configurații ale distribuției canalelor, fiecare fiind simetrica celeilalte față de o axă.

Celulele formează grupe ce serepetă în rețea denumite clustere. Un cluster conține toate seturile de canale din rețea, dar fiecare set o singură dată. Numărul total de celule din cluster este:

N=i2+j2+ij (1.1.)

Deoarece i și j sunt întregi, sunt posibile doar anumite valori N de celule pe cluster, primele în ordine crescătoare fiind:

1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, 25, 27, 28, 31,… (1.2.)

N se mai numește și dimensiunea clusterului.

Foarte des sunt utilizate valorile i=2, j=1, ceea ce conduce la N=7 celule pe cluster, adică sunt incluse într-un cluster numai cele șase celule adiacente celulei de referință, inclusiv aceasta. În exemplul considerat mai sus cu i=3 și j=2, un cluster cuprinde două rânduri (inele) de celule în jurul celulei centrale – în total 19 celule (figura 1.4.).

Distanța D ce separă două celule ce utilizează același set de canale se numește distanță de reutilizare izoncanal, deoarece el dă separarea necesară între celule pentru evitarea interferenței izoncanal. Raportul dintre distanța de reutilizare D și raza R a celulei (raza cercului în care este înscrisă celula de forma unui hexagon regulat) se numește coeficient de reutilizare și se notează uzual cu q. Pe considerente geometrice se arată că:

q= = (1.3.)

Deci, cu cât numărul N de celule pe cluster este mai mare, cu atât distanța dintre celule ce folosesc același canal este mai mare și, ca urmare, interferența izocanal este mai mică. Însă, numărul m de canale în fiecare grup (și deci, celulă) scade odată cu creșterea dimensiunii N a clusterului, micșorându-se capacitatea celulei. Valoarea coeficientului de reutilizare q trebuie aleasă ca un compromis între nivelul interferenței izocanal și capacitatea de trafic m a fiecărei celule.

Figura 1. 6 –Alocarea canalelor pentru i=3 și j=2

1.3. Arhitectura unei rețele celulare

O rețea celulară de radiocomunicații mobile cuprinde (figura 1.5.) un centru de comutare (MTSO – Mobile Telecommunications Switching Office), un număr de stații de bază (BS) și, evident, unități mobile (MS). În prima generație de rețele de comunicații mobile procesorul central al MTSO controla nu numai echipamentul de comutare necesar interconectării mobilelor între ele și cu rețeaua telefonică fixă, ci și funcționarea stațiilor de bază și chiar unele funcțiuni ale unităților mobile. În rețelele actuale, funcțiile de control sunt distribuite între entitățile rețelei de comunicație, atât din cauza volumului uriaș al informației de control vehiculate în rețea, dar și cu scopul creșterii fiabilității rețelei.

MTSO este legat cu fiecare stație de bază prin cabluri (de cupru, fibră optică etc.) sau linii radioreleu. Fiecare stație de bază conține un emițător / receptor (transceiver) pentru fiecare canal alocat și antenele de emisie și de recepție aferente. Stațiile de bază conțin, de asemenea, echipamente pentru monitorizarea nivelului semnalului recepționat și un echipament radio de control.

Figura 1.7 – Arhitectura standard a unei rețele celulare

O stație mobilă conține o unitate de control, un transceiver, o unitate logică și o antenă (eventual două). Unitatea de control este o interfață de utilizator gen aparat portabil cu butoane de comandă și control, indicatoare luminoase etc. Transceiverul este cu sinteză de frecvență pentru a se putea acorda rapid pe oricare dintre canalele alocate. Unitatea logică interpretează acțiunile utilizatorului și comenzile primite din rețea controlând transceiverul și unitățile de control. Pentru emisie este utilizată o singură antenă. Pentru recepție se pot utiliza două antene pentru a beneficia de recepția cu diversitate.

Câteva dintre canalele radio alocate sunt utilizate drept canale de control pentru efectuarea operațiunilor necesare stabilirii, monitorizării și terminării comunicațiilor. Aplicând același principiu al utilizării eficiente a spectrului de frecvență, numărul canalelor de control este redus la minimum. Obișnuit, fiecare stație de bază are un singur canal de control. Din mulțimea canalelor de control din rețea, o stație mobilă alege pentru monitorizare pe cel recepționat cu nivel maxim. Ea se acordă automat pe acest canal, se sincronizează și interpretează datele recepționate. În cea mai mare parte a timpului, stația mobilă se află în această stare. Eventual, se reacordă pe alt canal de control, dacă recepția celui curent nu se face în condiții satisfăcătoare. Datele recepționate pe canalul de control conțin și numerele de identificare ale stațiilor mobile solicitate pentru convorbiri. Când o unitate mobilă detectează propriul număr de identificare, ea măsoară nivelul semnalului pe canalele de control recepționate și transmite un semnal de răspuns pe canalul, deci către stația de bază, cu cel mai mare nivel recepționat. Rețeaua alocă automat un canal de trafic unității mobile (dacă este unul disponibil) și stabilește astfel o legătură de comunicație între cei doi utilizatori.

Pe parcursul desfășurării comunicației, la intervale de timp regulate, rețeaua măsoară nivelul semnalului recepționat de mobil și, eventual, decide transferul comunicației către o altă stație de bază. Dacă identifică o asemenea stație de bază, transferul (handover sau handoff) înseamnă, de fapt, alocarea unui nou canal de comunicație din setul repartizat noii stații de bază.

Transferul unei comunicații reprezintă un fenomen specific rețelelor celulare de comunicații mobile, fiind impus de existența simultană a celor două caracteristici distinctive: mobilitatea utilizatorilor și susținerea comunicațiilor acestora de stații de bază diferite pe arii geografice / celule) diferite. La trecerea unui utilizator dintr-o celulă în alta, comunicația acestuia trebuie preluată de stația de bază a noii celule, deci trebuie transferată. Succesul de piață al comunicațiilor mobile se datorează, în mare măsură, faptului că s-au găsit soluții tehnice performante pentru menținerea sub control a acestui fenomen care, în rețelele din prima generație era principalul factor generator de insatisfație a utilizatorilor prin întreruperea, aparent fără motiv, a unei comunicații în desfășurare.

Transferul comunicației în accepțiunea lui inițială este denumit actualmente transfer intercelular pentru a-l deosebi de transferul intracelular ce constă în trecerea comunicației pe un nou canal, chiar dacă mobilul nu părăsește celula. Transferul intracelular este impus fie de necesitatea creșterii calității comunicației în cauză, fie de redistribuirea mai multor comunicații pe canalele aceleiași celule în vederea obținerii unui canal apt de a servi un nou apel sau o cerere de transfer.

Un al doilea fenomen specific rețelelor celulare de comunicații mobile este localizarea utilizatorilor. Din cauza deplasării între două sesiuni de comunicație poziția unui utilizator în rețea nu este cunoscută cu precizie în fiecare moment și, în eventualitatea apelării lui de către un alt utilizator, determinarea poziției lui ar însemna un consum mare de resurse de comunicație (trebuind a fi căutat, practic, pe întreaga arie a rețelei). În același timp, se induce și un anume grad de insatisfacție utilizatorului chemător prin timpul mare de așteptare pentru stabilirea legăturii de comunicație. Procesul de localizare constă în transmiterea periodică a unui mesaj dinspre utilizatori către MTSO, chiar dacă aceștia nu se află în comunicație. MTSO memorează în baze de date speciale pozițiile utilizatorilor (de fapt, celulele în care aceștia se află) în urma fiecărei acțiuni de localizare și transmite, când este nevoie, apelul de comunicație către acea celulă. Dacă intervalul de timp dintre localizări este scurt, aceasta este și celula în care se află realmente utilizatorul chemat.

1.4. Definirea și distribuția seturilor de canale

Calitatetea comunicației, costul rețelei și adaptarea ei la creșterile de trafic ulterioare implementării, depind esențial de modul în care sunt alcătuite grupele (seturile) de canale și cum sunt ele distribuite celulelor. Obiectivul principal în această fază este reducerea interferenței cu canalul adiacent. În principiu, acest tip de interferență este redus prin selectivitatea filtrului de frecvență intermediară (FI) din receptor. Dacă însă semnalul perturbator pe canalul adiacent este cu mult mai mare ca semnalul util de pe canalul propriu, cerințele de selectivitate impuse filtrului de FI devin prea severe și acesta nu le poate îndeplini. De exemplu, dacă un mobil se află la o distanță față de stația de bază de 10 ori mai mare ca un altul ce comunică cu aceeași stație de bază pe un canal adiacent, atunci raportul semnal / interferență pentru primul mobil este de – 40 dB (admițând că mobilele emit puteri egale și că atenuarea de propagare este proporțională cu puterea a patra a distanței). În aceste condiții filtrul de FI nu poate elimina practic perturbația șicomunicația este compromisă. De aceea, se evită alocarea a două canale adiacente aceleiași celule.

În definirea seturilor de canale pentru fiecare celulă se urmărește ca diferența de frecvență dintre canale să fie cât mai mare. De exemplu, pentru celula i din clusterul cu N celule se aleg canalele:

i, i+N, i+2N, i+3N, …. 1 ≤ i ≤ N.

Figura 1.8. – Exemplu de distribuție a canalelor fără canale adiacente în celule vecine

Tot pentru micșorarea interferenței cu canalul adiacent se evită, pe cât posibil, utilizarea canalelor adiacente în celule vecine. În figura 1.6. este prezentată o posibilă repartiție a celor 12 seturi de canale în celulele clusterului. Fiecare set i conține canale cu numerele în conformitate cu relația anterioară. Se observă că nu există două celule vecine care să aibă canale adiacente (seturile 12 și 1 conțin canale adiacente deoarece în setul 1 sunt incluse canalele 1, 13, 25…).

De notat că neutilizarea canalelor adiacente în celule vecine nu este o condiție obligatorie, ci doar o posibilitate de a micșora nivelul perturbațiilor. Această condiție este respectată în toate rețelele analogice de comunicații mobile din prima generație. În rețelele digitale ale generației a doua, filtrele de canal sunt suficient de performante pentru a folosi simultan canale adiacente în celule vecine, iar în rețelele mobile din a treia generație se poate chiar aloca simultan același canal către doi utilizatori aflați pe aria aceleiași celule prin utilizarea de sisteme adaptative de antene (antene inteligente).

1.5. Calitatea serviciului de comunicație

Parametrul global princare se caracterizează un serviciu de comunicație este calitatea comunicației (GOS Grade Of Service sau QoS – Quality of Service), care reprezintă gradul de satisfacție a utilizatorului servit și este o mărime subiectivă. Tehnic, calitatea comunicației este exprimată prin probabilitatea ca un anumit indicator să nu depășească un prag prestabilit, pentru un anumit procent de timp, într-un anumit procent din aria acoperită (arie de serviciu).

De exemplu, calitatea unei transmisii de date este apreciată ca satisfăcătoare dacă viteza medie a erorii pe bit (BER – Bit Error Rate) este mai mică de 10-5 sau dacă viteza medie a erorii pe bit este mai mică de 10-2 în fiecare pachet sau dacă viteza medie de eroare pe bitul de control este mai mică de 10-3 în fiecare pachet, fiecare dintre acestea pentru cel puțin 90% din aria de serviciu și pentru cel puțin 90% timpul de funcționare. Însă nu numai viteza medie a erorii pe bit afectează calitatea transmisiei. Mai este necesar ca timpul de procesare a unui pachet de date să fie cât mai mic posibil (de exemplu, sub 10 milisecunde), probabilitatea de coliziune în cazul accesului multiplu să fie minimă (de exemplu, sub 20%), probabilitățile de alertă falsă, de pierdere a unei legături sau de blocare a unui apel să fie, de asemenea, minime.

Pentru comunicații vocale, din punctul de vedere al furnizorului de servicii de comunicație, esențială este calitatea comunicației percepută de utilizatori, motiv pentru care este necesar a se stabili corespondența dintre parametrii tehnici obiectivi de măsurare a calității comunicației și efectul subiectiv asupra utilizatorilor. S-au făcut, de aceea, un șir de experimente asupra unor grupuri arbitrare de persoane. Fiecare persoană a trebuit să aprecieze calitatea sunetului recepționat prin cinci atribute: proastă (0), slabă (1), acceptabilă (2), bună (3) sau excelentă (4). Media notelor pe fiecare grup de test reprezintă opinia medie – MOS (Mean Opinion Score). Există o mare diferență între nivelurile raportului semnal / zgomot ce furnizează aceeași valoare a MOS pentru diverse rețele de comunicații. Astfel, în cazul rețelelor fixe de comunicații, pentru o valoare de 4 (excelent) a coeficientului MOS este nevoie de un raport semnal / zgomot mai mare de 45 dB. În cazul rețelelor de radiocomunicații mobile este nevoie de un raport semnal / zgomot de 25 dB pentru un calificativ excelent (4) și de numai 18 dB pentru un calificativ bun (3).

Această exigență mai scăzută a utilizatorilor față de primele rețele de comunicații mobile a fost interpretată ca un anume preț pe care înțeleg ei să îl plătească în schimbul mobilității. Datorită progreselor tehnologice foarte mari, calitatea comunicației ce poate fi realizată în rețelele mobile actuale este foarte apropiată de cea din rețelele fixe, motiv pentru care și exigența utilizatorilor mobili a crescut, ei așteptând aceeași calitate foarte bună a comunicației, chiar dacă sunt în mișcare.

1.6. – Capacitatea unei rețele celulare

Capacitatea maximă teoretică a unei rețele celulare este produsul dintre numărul total M de canale definite în rețea și numărul de clustere Nk definite pe aria rețelei. Această limită nu poate fi atinsă practic deoarece, dacă la un moment dat toate canalele din toate celulele rețelei ar fi ocupate, interferențele pe anumite canale în unele celule să fie prea mari și comunicațiile respective să fie de calitate slabă sau chiar imposibil de susținut. De aceea, o măsură mai adecvată a capacității unei rețele celulare o reprezintă numărul maxim de comunicații simultan susținute pe aria rețelei, cu condiția ca fiecare comunicație să aibă un nivel al calității superior unui prag minim prestabilit, acesta fiind totdeuna mai mic decât produsul

M x Nk.

Principalul fenomen care limitează superior capacitatea de trafic în rețelele celulare este interferența. Aceasta se poate datora influenței reciproce dintre comunicațiile din aceeași celulă sau din celule apropiate geografic (interferențe proprii sau interne) sau interacțiunii cu alte rețele de comunicații ce lucrează pe aceeași arie geografică (interferențe externe). Dintre interferențele externe, cele mai importante apar din partea rețelelor celulare concurente din zona geografică respectivă, deoarece lucrează în benzi de frecvență adiacente sau chiar suprapuse. Interferențele externe se pot limita la valori de prag prestabilite prin amplasarea adecvată a emițătoarelor rețelelor și coordonarea frecvențelor și puterilor de emisie. Interferențele proprii sunt cele mai importante și pot fi menținute sub un prag prestabilit numai printr-o proiectare judicioasă a rețelei celulare și o administrare eficientă a acesteia.

Interferențele proprii ale unei rețele celulare includ, în principal, inteferențele izocanal – adică între comunicații desfășurate pe canale identice, dar în celule diferite, și inteferențe între canale adiacente – adică între comunicații desfășurate pe canale alăturate în frecvență, utilizatorii respectivi aflându-se în aceeași celulă sau în celule vecine. În rețelele mobile digitale de astăzi interferența cu canalul adiacent este rejectată în principal de filtrele de canal ale emițătorului și receptorului, filtre ce limitează spectrul semnalului emis și, respectiv, recepționat numai la banda de frecvență a canalului de lucru, puterea emisă (recepționată) în (din) afara benzii fiind neglijabil de mică. Numai în rețelele analogice din prima generație caracteristica de frecvență a filtrelor de canal avea pantă prea mică pentru a rejecta eficient canalul adiacent, astfel că utilizarea de canale adiacente în aceeași celulă sau în celule vecine geografic era imposibilă din cauza scăderii dramatice a calității comunicațiilor.

Celulele cărora le-a fost repartizat același set de canale se numesc celule izocanal. Limitarea interferenței reciproce (interferență izocanal) se realizează numai prin menținerea unei distanțe suficient de mari între celulele izocanal. Creșterea puterii de emisie nu are nici un efect asupra raportului semnal / interferență deoarece puterea utilă și puterile de interferență cresc în aceeași proporție. Pentru o rețea plană cu celule hexagonale identice și distribuție uniformă a canalelor pe aria rețelei, separarea necesară a celulelor izocanal revine la a alege o valoare adecvată pentru distanța de reutilizare. Din modul în care se determină pozițiile celulelor izocanal folosind parametrii de deplasare rezultă că pentru fiecare celulă există șase celule izocanal aflate la odistanță egală cu distanța D de reutilizare (figura 1.7.). Considerând legătura directă (stație de bază →unitate mobilă), în cazul cel mai defavorabil, semnalele de interferență ajung în fază și cu aceeași amplitudine la mobilul aflat la marginea celulei preoprii și, ca urmare, raportul semnal / interferență la intrarea în receptor are valoarea minimă posibilă dată de relația:

=

De introdus figura

Figura 1.9. . Primul inele de celule izocanal

1.7. – Creșterea capacității rețelelor celulare

Dimensiunea unui cluster având un număr N de celule în componența sa este determinată de valoarea minimă impusa raportului C/I și nu de aria geografică pe care o acoperă acesta. Celule de arie mică vor forma clustere de dimensiuni mici care se vor repeta de un număr mare de ori pe aria de serviciu și, de aici, o capacitate mare a rețelei prin reutilizarea mai intensă a canalelor acesteia. Această proprietate conferă rețelelor celulare de comunicație caracterul de adaptabilitate la trafic. În faza inițială de implementare a rețelei celulare numărul utilizatorilor este mic și se poate alege un număr mic de celule de arie mare care pot susține comunicațiile acestora cu respectarea condiției de calitate. Costul investițional inițial este, astfel, minimizat. În momentul în care numărul utilizatorilor crește prea mult și, din această cauză, scade calitatea cominicațiilor, se poate defini un număr mai mare de celule de arie mai mică ce permit formarea unui număr mai mare de clustere, deci creșterea capacității rețelei. Rețeaua celulară își ajustează capacitatea de trafic în funcție de numărul de utilizatori și este, deci, adaptativă. Procesul de micșoarea a ariei celulelor se realizează prin trei tehnici fundamentale: divizare (cell splitting), sectorizare și zonare.

Divizarea

Divizarea celulelor constă în înlocuirea unei celule cu un număr de celule de arie mai mică (denumite microcelule) prin înființarea de noi sedii de celule și desființarea celor existente anterior. Este o tehnică pur teoretică prin care se susține afirmația anterioară de adaptibilitate a rețelelor celulare. Costurile implementării practice sunt mult mai mari decât în cazul celorlalte două metode, motiv pentru care acestea din urmă sunt preferate.

Principiul divizării celulelor este prezentat in figura 1.10. în care celulele de rază R ale unui cluster de dimensiune N=7 sunt înlocuite cu microcelule de rază R/2. Rezultă un număr de 24 de microcelule plus un număr de 12 arii (hașurate în figură) de valoarea a 1/3 din aria unei microcelule ce participă la alcătuirea unor noi microcelule cu arii similare din clusterele vecine. În concluzie, în locul celor 7 celule inițiale (denumite macrocelule) au fost definite 28 de microcelule ce pot forma 4 clustere de dimensiune 7. Rezultă că prin reducerea la jumătate a razei celulelor, numărul total de clustere crește de 4 ori și tot de atâtea ori crește, teoretic, și capacitatea rețelei.

Datorită micșorării razei celulelor, va scădea și puterea de emisie a emițătoarelor acestora.

Figura 1.10 Formarea de microcelule prin divizare [1]

Sectorizarea

Sectorizarea este un procedeu mai economic de definire a microcelulelor într-o rețea macrocelulară și constă în înlocuirea antenei omnidirecționale a macrocelulei cu trei, patru sau șase antene directive, fiecare acoperind numai un sector unghiular al macrocelulei. Fiecare microcelulă astfel definită primește o parte din canalele vechii macrocelule. Creșterea de capacitate a rețelei se datorează atât micșorării ariei celulelor și, deci, formării a mai multor clustere, cât și micșorării distanței de reutilizare în urma reducerii numărului de celule izocanal, deci, micșorării dimensiunii clusterelor. Economicitatea sectorizării provine din faptul că sediile microcelulelor coincid cu sediul macrocelulei și nu mai sunt necesare investiții suplimentare pentru înfiițarea de noi sedii de celule și a infrastructurii fixe asociate.

Sectorizarea are două dezavantaje principale: creșterea numărului de transferuri în rețea (deoarece sunt necesare transferuri ale comunicațiilor la trecerea mobilelor dintr-un sector în altul al macrocelulei) și scăderea eficienței de acces multiplu (urmare a micșorării numărului de canale aflat la dispoziția sectoarelor în raport cu cel al macrocelulei inițiale

Zonarea

Zonarea este un procedeu modern de definire a microcelulelor care are ca scop principal creșterea raportului C/I în zonele aflate la marginile macrocelulei. În plus, nu sunt necesare transferuri la trecerea dintr-o macrocelulă în alta dacă acestea provin din aceeași macrocelulă. Prețul plătit pentru aceasta este costul mai ridicat necesar implementării.

Tehnica zonării constă în introducerea a trei noi stații de emisie / recepție de putere mică, conectate cu sediul celulei prin cablu, fibră optică sau linii radioreleu și acoperind fiecare câte o „zonă” a celulei (figura 1.12.). Semnalul transmis de mobil este recepționat de toate echipamentele de zonă, amplificat, convertit pe o frecvență superioară și transmis prin fibră optică sau pe linie radioreleu către sediul celulei unde este reconverit în banda RF a rețelei. Semnalul de la stația de bază este transmis, de asemenea, prin fibră optică sau linie radioreleu, dar numai către zona ce recepționează cel mai puternic semnal de la mobil, este reconvertit în banda RF a rețelei, amplificat și transmis către mobil.

În sediul celulei se instalează un selector de zonă pentru comutarea canalelor de la o zonă la alta, în funcție de deplasarea mobilului. La trecerea mobilului în altă zonă se modifică emițătorul zonal prin care se face transmisia către mobil fără a mai fi necesar transferul comunicației de pe un canal pe altul.

Figura 1.11. – Divizarea celulelor prin zonare

Echipamentul zonal, compus din receptor de zgomot redus, amplificator de putere și convertor, poate fi amplasat în centrul zonei (ca în figura 1.12.) folosind antene omnidirecționale sau la extremitatea zonei ce coincide cu granița celulei, caz în care se folosesc antene directive cu deschiderea lobului de aproximativ 160 de grade.

1.8 Rețele celulare cu organizare ierarhică

Rețelele celulare moderne sunt proiectate pentru a oferi o gamă largă de servicii de comunicații unui ansamblu de utilizatori cu mobilități extreme de variate și cu necesități de comunicație foarte diverse. Organizarea celulară clasică nu poate răspunde satisfăcător unor cerințe contradictorii impuse de această varietate de servicii și mobilități. Astfel, celulele ar trebui să fie mari (macrocelule) pentru a acoperi cu costuri minime o arie geografică mare și pentru a micșora numărul de transferuri pentru utilizatorii de mobilitate mare

Aceste cerințe vor putea fi îndeplinite simultan în mod eficient de către o rețea unică de comunicații numai dacă rețeaua celulară se organizează pe niveluri ierahice (fig. 1.13.). Astfel, zonele dens locuite cu intensități mari ale traficului oferit sunt acoperite de microcelule cu raze de ordinul sutelor de metri și stații de bază de putere mică amplasate la nivelul lămpilor de iluminat stradal. Clădirile mari sunt acoperite de celule cu raza de ordinul zecilor de metri (picocelule), centrul de coordonare al rețelei fiind conectat la cel de control al rețelei microcelulare pentru a permite comunicații între utilizatorii celor două tipuri de rețele. Fiecare rețea picocelulară este tratată de cea microcelulară ca o celulă a sa. Zonele rurale cu trafic scăzut sunt acoperite de macrocelule cu raze de ordinul kilometrilor sau zecilor de kilometri, cu stații de bază de putere mare și amplasate la distanță mare de sol. Macrocelula poate include și zone acoperite de microcelule (funcționând ca celulă umbrelă) și poate prelua o parte din traficul acestora atunci când toate resursele lor sunt ocupate.

Peste toate aceste nivele se poate introduce nivelul satelitar cu celule având raze de sute de kilometri și care asigură acoperirea globală cu servicii de comunicație. Rețelele de comunicații mobile cu sateliți acoperă zonele nelocuite sau extreme de puțin locuite și pot prelua apelurile de comunicații suplimentare de la nivele inferioare.

În gestionarea rețelelor cu organizare ierarhică se aplică principiul ca orice apel trebuie servit de nivelul ierarhic cel mai mic posibil și numai cele care depășesc posibilitățile acestuia să fie transferate către nivele ierarhice superioare. De asemenea, utilizatorii de mobilitate mare trebuie serviți cu prioritate de nivele ierarhice superioare pentru a micșora numărul de transferuri ale comunicațiilor lor.

a

Filgura nr. 1.12. Celule cu arii diferite în rețele cu organizare ierahică