Il Sistema Radiomobile Cellulare:
Concetti Generali e GSM
1
Introduzione
 Il termine “cellulare” proviene dalla suddivisione
dell’area di copertura del sistema in celle
 Una cella è formalmente definita come l’area nella
quale l’uso delle risorse di comunicazione radio di una
Mobile Station (MS) è controllato da una singola Base
Station (BS)
 La dimensione e la forma della cella e le risorse
allocate per ogni cella dettano la performance del
sistema

Dato il numero di utenti, la frequenza media delle chiamate,
la durata media del tempo di chiamata
2
Sistema Radiomobile
3
Sistema Radiomobile connesso
Switch
4
Sistema Cellulare Semplice
PSTN/ISDN
Switch
5
Copertura Radio (non-cellulare)
 Gli operatori di sistemi convenzionali
radiomobili, radio e TV e di servizi di
localizzazione puntano a massimizzare l’area
di copertura.
 La copertura di un segnale radio è
proporzionale a:
Altezza dell’antenna trasmittente
 Potenza del trasmettitore
 Sensibilità del ricevitore al rapporto segnalerumore

 L’altezza dell’antenna è la più importante
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Copertura Radio (cellulare)
 Filosofia opposta a quella dei sistemi non-
cellulari
 L’antenna è resa più bassa possibile per
coprire solo l’area della cella (e permettere il
riuso delle frequenze)
 La potenza del segnale è bassa al punto
giusto da permettere una qualità accettabile
del segnale
 La sensibilità del ricevitore è da relazionare
alla dimensione della cella
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Dimensione di una cella radio
S5
S4
S3
S2
S1
Tx
R
Contorni dell’intensità di campo
Se la soglia di Rx è
S5, e Rx è il
ricevitore standard
per il sistema allora
Rx il raggio R definisce
la dimensione della
cella.
La dimensione della cella
quindi è controllata da:
potenza Tx, altezza antenna
Tx, e soglia Rx.
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Area di copertura di una cella
 Idealmente l’area coperta da una cella è di
forma circolare
 Molti fattori ne influenzano la forma reale

Riflessione, rifrazione dei segnali, presenza di una
collina o di una valle o di un edificio molto alto e la
presenza di particelle nell’aria
 La forma reale della cella è determinata dalla
intensità del segnale ricevuto nell’area
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Area di copertura ideale
Base Station
10
Area di copertura modellata
Base Station
11
Area di copertura reale
Base Station
12
Cluster
N=3
N=4
2
2
N=7
1
1
3
4
3
6
3
1
4
7
2
5
13
Riuso delle frequenze con
cluster N = 7
2
1
5
4
3
2
7
6
5
1
4
7
3
6
14
Geometria della cella
R
D
R
R
15
Distanza
R
R
D
16
Riuso delle frequenze
 In un sistema mobile, un canale radio consiste di una




coppia di frequenze (full-duplex, uplink e downlink)
Il riuso delle frequenze è il concetto chiave dei sistemi
cellulari
Un canale radio A radio che usa una frequenza f1 in
una cella con raggio R può essere riusata a distanza D.
Gli utenti in celle diverse possono usare la stessa
frequenza contemporaneamente.
Una progettazione del sistema impropria può causare un
livello di Interferenza Co-Canale inaccettabile.
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Concetto di riuso delle frequenze
f1
Segnale indesiderato
Interferenza co-canale
f1
Segnale
desiderato
D
R
R
Dal concetto di “Riuso delle Frequenze” arriva il
termine “Interferenza Co-canale”
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Indice di riuso
Ipotizzando celle esagonali di uguale grandezza
D
 q  3N
R
dove:
D:
R:
q:
N:
Distanza tra i centri delle celle
Raggio della cella
Indice di riuso
Dimensione del cluster
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R
D
2
4
3
4
1
2
1
2
3
4
3
4
4
1
2
1
2
20
Esempio 1
per N = 4 e R = 5 km
D  3N R
D  3 4  5
D  3.464  5  17.32
La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la
stessa frequenza è approsimativamente 3.5 volte R, in
questo caso 17.32 km
21
R
3
6
3
6
7
7
5
6
1
7
1
4
1
7
4
7
2
3
6
3
6
4
2
5
2
3
1
4
1
4
D
2
2
5
5
5
22
Esempio 2
per N = 7 e R = 5 km
D  3N R
D  3 7  5
D  4.583  5  22.91
La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la stessa
frequenza è approsimativamente 4.6 volte R, in questo caso
22.91 km
23
Distanza della frequenza di riuso
Dipende da:
 Il numero di co-canali in vicinanza della cella
centrale,
 Il tipo di scenario geografico,
 Altezza dell’antenna, e
 Potenza trasmessa in ogni cella.
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Relazione N-D
 Ipotizzando che le celle trasmettano tutte alla
stessa potenza.
 D in termini di R per un dato N:
N
N
N
N

=
=
=
=
4
7
12
19
D
D
D
D
=
=
=
=
3.46R
4.6R
6R
7.55R
 Aumentare N corrisponde ad aumentare D
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La sfida
 Ridurre l’interferenza co-canale ad un livello
accettabile.
 Più è grande N più grande sarà D.
 Aumentare la distanza significa ridurre
l’interferenza co-canale.
 Un sistema con N grande porta ad inefficienza
nella gestione.
 La sfida è ottenere il più piccolo N che realizza le
performance richieste.
26
Interferenza co-canale
 Il riuso delle frequenze è limitato
dall’interferenza co-canale.
 La dimensione della cella è determinata
dall’intensità del segnale.
 Il livello di soglia del ricevitore è settato alla
dimensione della cella.
 Per una fissata dimensione della cella,
l’interferenza co-canale è una funzione del
parametro q = D/R.
27
1
1
R
Second tier
First tier
1
Interfering Cell
D
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
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Disposizione tipica su un’antenna
Rx
Tx
Rx
two Rx antennas
for diversity
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Intensità del segnale e parametri della
cella
 Quando una MS si muove allontanandosi dalla
BS della cella, l’intensità del segnale si
indebolisce, e ad un certo punto entra in
azione un meccanismo noto come
 Handover

Handoff, hand-off, or hand off in Nord America
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Contorni di intensità del segnale
31
Intensità del segnale ricevuto
32
Variazione nella potenza ricevuta
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Handover
 Per ricevere e interpretare i segnali
correttamente, la MS deve ricevere una minima
intensità di potenza Pmin.
 La MS tra i punti X3 e X4 può essere servita sia
da BSi che BSj.
 Se la MS ha un link radio con BSi e si sta
muovendo con continuità verso BSj, allora il
cambio di link da BSi a BSj è conosciuto come
handoff
34
Handover region
35
Handover area
 Regione tra
X3 e X4
 Dove realizzare un handover dipende da molti
fattori
Una opzione è di fare handoff a X5, dove le due BSs
hanno uguale intensità
 Una considerazione critica è che l’handoff non
dovrebbe essere realizzato troppo presto per evitare
che la MS debba tornare a collegarsi alla cella
precedente, essendosi mossa avanti e indietro

36
Per evitare l’effetto ‘ping-pong’
 Alla MS è concesso rimanere connessa all’attuale
link radio con BSi finchè il segnale di BSj supera
quello di BSi di una certa soglia specificata E
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Altri fattori che influenzano l’handover
 Area e forma della cella
 In una situazione ideale la configurazione della
cella deve coincidere con la velocità delle MSs e
avere confini più ampi dove il rate di handover è
minimo
La mobilità di un MS è difficile da predire
 Ogni MS ha uno schema di mobilità differente

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Stazione Radio Base
Elementi radianti
Struttura porta antenne
Locale apparati
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