GSM

Effetto nell’area di copertura cellulare

Nelle celle con copertura limitata il salto di frequenza può aumentare l’area di copertura della cella a causa del guadagno della diversità di frequenza, ma poiché la fascia oraria BCCH non salta, l’area di copertura aumentata è rilevante solo per le chiamate in corso che sono state stabilite con successo e viene loro assegnato un TCH saltante.

Secondo le simulazioni, il canale di segnalazione senza salto (BCCH / SDCCH) ha prestazioni migliori di un TCH senza salto ma prestazioni peggiori di un canale TCH con salto. Pertanto, l’area di copertura della cella potrebbe essere aumentata, ma non in base al guadagno FH completo, ma considerando le prestazioni della fascia oraria BCCH.

Nel caso RF FH, l’intera portante BCCH non è hopping. Pertanto, il guadagno della diversità di frequenza dovrebbe essere considerato come un guadagno di qualità nell’area del confine della cella piuttosto che come un guadagno che aumenta l’area di servizio della cella.

Effetto della velocità mobile

Il guadagno della diversità di frequenza per i cellulari in rapido movimento non è significativo. Il movimento in sé provoca lo stesso guadagno che viene perso dal guadagno della diversità di frequenza. Pertanto, i cellulari che si muovono velocemente ottengono lo stesso guadagno di quelli che si muovono lentamente, il guadagno deriva semplicemente più o meno dal movimento stesso.

Nel GSM, la velocità del Power Control (PC) è lenta. Quando si muove velocemente, il PC non riesce più a seguire i cali di dissolvenza lenti in modo così efficiente. Pertanto, i cellulari in rapido movimento potrebbero perdere guadagno nel PC. Anche le prestazioni di Handover (HO) potrebbero peggiorare con l’alta velocità.

Sequenze di hopping cicliche e casuali

Sia la modalità di hopping ciclico che quella casuale sono disponibili nel GSM.

• Nelciclicomodalità le frequenze vengono cambiate in sequenza dalla frequenza più bassa a quella più alta come definito nell’elenco MA.
• Incasualemodalità la frequenza da utilizzare per ciascun burst viene selezionata dall’elenco MA mediante una sequenza pseudo casuale predefinita. Ciò significa che la stessa frequenza può essere utilizzata per un paio di burst consecutivi e le frequenze non vengono utilizzate uniformemente in un breve periodo di tempo.

Quindi, ilguadagno ottimale della diversità di frequenzaè possibile ottenere solo se ilsalto ciclicosi usa. Man mano che il numero di frequenze aumenta, la differenza tra la modalità ciclica e quella casuale diventa piccola.

Guadagni di diversità di frequenza simulati

Le simulazioni mostrano un guadagno molto significativo per il canale FLAT3 rispetto al canale TU3. Ciò accade perché il canale TU3 include diversi percorsi di propagazione aventi condizioni di fading statisticamente indipendenti e fornisce quindi una diversità di percorso che aiuta a raggiungere gli obiettivi prestazionali anche nel caso senza salto.

I risultati di questa simulazione rappresentano il miglior caso possibile, poiché si presuppone che il fading sui canali di frequenza utilizzati non sia correlato e viene utilizzata la modalità di salto ciclico. Nella vita reale, le frequenze non sono necessariamente incorrelate eil salto casuale viene utilizzato per massimizzare il guadagno della diversità di interferenza. Inoltre, i guadagni presentati non sono ottenibili nella direzione del collegamento in salita se un metodo di ricezione in diversità appropriato (guadagno di circa 4 dB) è già in uso nelle stazioni base.

Secondo le simulazioni, le prestazioni di SACCH / SDCCH e TCH per i casi di non hopping e FH ideale in funzione di C/I (secondo le condizioni di test 05.05 e TU3) sono presentate come segue:

Il guadagno in diversità di frequenza del SACCH / SDCCH rispetto a TCH per i casi di non hopping e FH ideale in funzione di C/I, con 2%FER.

Nella modalità senza salto, il SACCH è più robusto del TCH/FS, mentre nella modalità FH hanno prestazioni uguali.

Effetto dell’interleaving

Nel GSM il frame vocale viene trasmesso in otto burst consecutivi. La rapida dissolvenza provoca errori di bit che degradano l’efficienza della codifica convoluzionale. L’interleaving è progettato per distribuire questi errori su un periodo di tempo più lungo. Tuttavia, le prestazioni di decodifica non migliorano significativamente se burst consecutivi vengono esposti al canale radio simile.

Se il cellulare si muove abbastanza velocemente, la dissolvenza delle raffiche successive non è correlata a causa del movimento spaziale. Il salto di frequenza fa sì che vengano trasmessi burst consecutivi su frequenze diverse. Se queste frequenze hanno una separazione sufficiente, l’attenuazione dei burst successivi non è correlata.

Poiché la profondità di interleaving è otto, il guadagno della diversità di frequenza del salto ciclico non migliora in modo significativo se vengono utilizzate più di otto frequenze in una sequenza di salto.

Nelle chiamate dati, la lunghezza dell’interlacciamento è 19. Pertanto, il guadagno per le chiamate dati rispetto alle chiamate vocali potrebbe essere maggiore quando vengono utilizzate più di 8 frequenze in una sequenza di salto.

I canali di segnalazione hanno una profondità di interlacciamento pari a quattro. Il guadagno della diversità di frequenza per i canali di segnalazione è quindi inferiore.

Diversità di frequenza

Il rapido sbiadimento è un problema significativo soprattutto nella direzione del downlink poiché i cellulari non utilizzano la diversità dell’antenna, che è comunemente usata nelle stazioni base. Le fluttuazioni della potenza del segnale ricevuto sono particolarmente dannose per i cellulari che si muovono lentamente perché tendono a rimanere in un calo in dissolvenza molto più a lungo rispetto ai cellulari che si muovono più velocemente. Il salto di frequenza fa sì che i burst consecutivi vengano trasmessi su frequenze diverse. Se la separazione tra queste frequenze è sufficiente, le caratteristiche di attenuazione di queste frequenze sono diverse.

Per i cellulari in rapido movimento, i burst consecutivi hanno diverse caratteristiche di dissolvenza anche senza salto di frequenza, perché il movimento spaziale tra i burst consecutivi è significativo e le posizioni dei cali di dissolvenza sono relativamente costanti nella maggior parte degli ambienti. Pertanto il guadagno della diversità di frequenza per i cellulari in rapido movimento non è significativo.

Lavoro di MA, HSN e MAIO nel GSM

Assegnazione mobile

Il MA è un elenco di frequenze di salto trasmesse a un cellulare ogni volta che viene assegnato a un canale fisico di salto. L’elenco MA è un sottoinsieme dell’elenco CA. L’elenco MA viene generato automaticamente se viene utilizzato il salto di banda base. Se la rete utilizza l’hopping RF, gli elenchi MA devono essere generati per ciascuna cella dal pianificatore della rete.

La lista MA è in grado di puntare a 64 delle frequenze definite nella lista CA. Tuttavia, anche la frequenza BCCH è inclusa nell’elenco CA, quindi il numero massimo pratico di frequenze nell’elenco MA è 63. Le frequenze nell’elenco MA devono essere in ordine crescente a causa del tipo di segnalazione utilizzata per trasferisci la lista MA.

Numero sequenza salto

Il Numero sequenza di salto (HSN) indica quale sequenza di salto tra le 64 disponibili è selezionata. La sequenza di salto determina l’ordine in cui devono essere utilizzate le frequenze nell’elenco MA. Gli HSN 1 – 63 sono sequenze pseudo casuali utilizzate nel salto casuale mentre l’HSN 0 è riservato per una sequenza sequenziale utilizzata nel salto ciclico.

L’algoritmo della sequenza di salto prende HSN e FN come input e l’output della generazione della sequenza di salto è un Mobile Allocation Index (MAI) che è un numero compreso tra 0 e il numero di frequenze nel MA- lista sottratta per uno. L’HSN è un parametro specifico della cella. Per il baseband hopping esistono due HSN. Gli intervalli di tempo zero in una cella con salto BB utilizzano l’HSN1 e il resto degli intervalli di tempo segue l’HSN2.

Compensazione dell’indice di allocazione mobile

Quando c’è più di un TRX nel BTS che utilizza la stessa lista MA, il Mobile Allocation Index Offset (MAIO) viene utilizzato per garantire che ciascun TRX utilizzi sempre una frequenza univoca. Ad ogni TRX saltellante viene assegnato un MAIO diverso. MAIO viene aggiunto a MAI quando la frequenza da utilizzare viene determinata dall’elenco MA. MAIO e HSN vengono trasmessi al cellulare insieme alla lista MA.

MAIOoffset è un parametro specifico della cella che definisce il MAIOTRX per il primo TRX saltante in una cella. I MAIO per gli altri TRX saltanti vengono allocati automaticamente in base al MAIOstep.

Il requisito che il BCCH TRX debba trasmettere continuamente in tutte le fasce orarie impone rigide limitazioni su come il salto di frequenza può essere realizzato in una cella. Le soluzioni attuali sono il Salto di frequenza in banda base (BB FH) e il Salto di frequenza sintetizzato (RF FH).

Nel frequency hopping in banda base i TRX operano a frequenze fisse. Il salto di frequenza viene generato commutando burst consecutivi in ​​ogni intervallo di tempo attraverso diversi TRX in base alla sequenza di salto assegnata. Il numero di frequenze su cui saltare è determinato dal numero di TRX. Poiché al primo slot temporale del BCCH TRX non è consentito saltare, deve essere escluso dalla sequenza di salto. Ciò porta a tre diversi gruppi di salto. Il primo gruppo non salta e comprende solo la fascia oraria BCCH. Il secondo gruppo è costituito dalle prime fasce orarie dei TRX non BCCH. Il terzo gruppo comprende le fasce orarie da una a sette per ogni TRX. Ciò è illustrato nella figura seguente.

Nel salto di frequenza sintetizzato tutti i TRX tranne il BCCH TRX cambiano la loro frequenza per ogni frame TDMA secondo la sequenza di salto. Pertanto il BCCH TRX non salta. Il numero di frequenze su cui effettuare il salto è limitato a 63, che è il numero massimo di frequenze nell’elenco Mobile Allocation (MA) trattato nella Sezione 1.4. Il salto sintetizzato è illustrato nella Figura seguente.

La più grande limitazione nel salto di banda base è che il numero delle frequenze di salto è uguale al numero di TRX. Nell’hopping sintetizzato il numero delle frequenze di hopping può essere qualsiasi compreso tra il numero di TRX hopping e 63. Tuttavia nell’hopping sintetizzato il BCCH TRX viene lasciato completamente fuori dalla sequenza di hopping.

La Cell Allocation (CA) è un elenco di tutte le frequenze assegnate a una cella. La CA viene trasmessa regolarmente sul BCCH. Di solito è incluso anche nei messaggi di segnalazione che comandano al cellulare di iniziare a utilizzare un canale logico di salto di frequenza. L’allocazione delle celle può essere diversa per ciascuna cella.

Nel GSM 900 l’elenco delle CA può comprendere tutte le 124 frequenze disponibili. Tuttavia, il limite pratico è 64, poiché l’elenco MA può puntare solo a 64 frequenze incluse nell’elenco CA presentato nella sezione successiva. L’unico metodo di segnalazione consentito nei sistemi GSM 900 per trasmettere l’elenco CA è il metodo “bit map 0” presentato nella tabella seguente.

Nei sistemi GSM 1800 e GSM 1900 la banda di frequenza è così ampia che l’elenco delle CA non può includere tutte le frequenze disponibili in un sistema. In questi sistemi non è disponibile il metodo “bit map 0”, ma si possono utilizzare altri cinque metodi. Ciascuno di questi metodi presenta limitazioni diverse che limitano la gamma di frequenza massima e il numero massimo di frequenze. L’elenco CA viene sempre generato automaticamente e include la frequenza BCCH e le frequenze definite per l’elenco MA.

Salto di frequenza lento e veloce nel GSM

Il salto di frequenza può essere brevemente definito come un cambiamento sequenziale della frequenza portante sul collegamento radio tra il cellulare e la stazione base.

Nel GSM, una frequenza portante è divisa in otto fasce orarie. Ogni fascia oraria fornisce un canale fisico, che può essere assegnato a un collegamento tra una stazione mobile e una stazione base.

La comunicazione tra il cellulare e la stazione base avviene a raffiche all’interno della fascia oraria assegnata. Ogni burst dura circa 577 ms.

Quando si utilizza il salto di frequenza, la frequenza portante può essere modificata tra ciascun frame TDMA consecutivo.

Ciò significa che per ogni connessione il cambiamento della frequenza può avvenire tra ogni burst.

Questo è chiamato Slow Frequency Hopping (SFH), perché più di un bit viene trasmesso utilizzando la stessa frequenza.

Nel Fast Frequency Hopping (FFH), la frequenza portante può cambiare più di una volta durante la durata del bit, ma questo non è implementato nel GSM Inizialmente, il salto di frequenza veniva utilizzato in applicazioni militari per migliorare la segretezza e per rendere il sistema più robusto contro i disturbi.

Nella rete cellulare, il salto di frequenza fornisce anche alcuni vantaggi aggiuntivi come la diversità di frequenza e la diversità di interferenza.

Il principio di base del salto di frequenza è presentato nella figura superiore.

Salto di frequenza lento nel GSM:

Il salto di frequenza lento è una caratteristica essenziale del GSM (sistema globale per le comunicazioni mobili) che migliora la resistenza del sistema alle interferenze e alle intercettazioni. Nel salto di frequenza lento, un dispositivo mobile o una stazione base cambia periodicamente la sua frequenza all’interno della banda di frequenza assegnata, tipicamente con una velocità di salto lenta. Questo cambiamento di frequenza deliberato e graduale è sincronizzato tra il trasmettitore e il ricevitore, garantendo che entrambe le parti siano consapevoli dello schema di salto.

Uno dei vantaggi principali del salto di frequenza lento è la sua capacità di combattere le interferenze selettive in frequenza. Cambiando lentamente le frequenze, il sistema può mitigare l’impatto delle fonti di interferenza a banda stretta. Ciò è particolarmente utile nel GSM, dove più utenti condividono la stessa banda di frequenza e le interferenze provenienti da canali adiacenti possono rappresentare un problema. Il salto di frequenza lento aiuta a garantire che il sistema mantenga una connessione affidabile e priva di interferenze, migliorando la qualità complessiva della trasmissione di voce e dati.

Salto di frequenza veloce nel GSM:

Il salto di frequenza veloce è un’altra tecnica di gestione della frequenza utilizzata nel GSM, ma funziona a una velocità considerevolmente più elevata rispetto al salto di frequenza lento. Nel salto di frequenza veloce, il trasmettitore cambia rapidamente le frequenze all’interno della banda allocata, spesso per burst o per slot. Lo schema di salto è predefinito e sincronizzato tra il trasmettitore e il ricevitore.

Il salto di frequenza veloce offre numerosi vantaggi nel GSM, principalmente legati alla sicurezza e alla resistenza alle interferenze. I suoi rapidi cambiamenti di frequenza rendono difficile per gli intercettatori e gli interferenti tracciare e interrompere la comunicazione. Inoltre, il salto di frequenza veloce può aiutare a combattere le interferenze flat, in cui un segnale di disturbo a banda larga colpisce simultaneamente l’intera banda di frequenza. Questa tecnica è particolarmente utile in scenari di comunicazione militare o sicura, dove la riservatezza e la robustezza contro i disturbi sono fondamentali.

In sintesi, le tecniche di salto di frequenza sia lente che veloci svolgono un ruolo essenziale nelle reti GSM. Il salto di frequenza lento migliora la resistenza alle interferenze a banda stretta, garantendo comunicazioni di alta qualità. Il salto di frequenza veloce, d’altro canto, offre sicurezza e resistenza alle interferenze superiori, rendendolo adatto per applicazioni di comunicazione sicure o mission-critical. La scelta tra queste tecniche dipende dai requisiti specifici del sistema di comunicazione.

Quando il cellulare è stato selezionato con successo, il cellulare inizierà le attività di riselezione.

Eseguire prima la misurazione della riselezione cellulare

Mobile effettuerà continuamente misurazioni sulle celle vicine (come indicato dall’elenco BA) per avviare la riselezione delle celle, se necessario. Sono necessari almeno 5 campioni di misurazione per cella vicina. Verrà mantenuta una media corrente del livello del segnale ricevuto per ciascuna portante nell’elenco BA.

Tutti i messaggi di informazioni di sistema inviati sul BCCH corrente sulla cella servente devono essere letti dal cellulare ogni 30 secondi per monitorare le modifiche nei parametri della cella (es: MsTxPwrMax).

Il cellulare deve anche leggere i 6 BCCH più forti ogni 5 minuti per ricevere i parametri della sua cella (es: MsTxPwrMax). I 6 più forti possono essere visti dall’elenco BA che ha la misurazione aggiornata della portante 32 BCCH.

L’elenco dei 6 migliori vicini viene aggiornato ogni 60 secondi, il che significa che il cellulare deve misurare ciascun vicino ogni 10 secondi.

Il cellulare deve anche leggere il BSIC dei 6 BCCH più forti ogni 30 secondi per confermare che sta ancora monitorando le stesse celle. Se viene rilevato un nuovo BSIC, verrà letto il BCCH di questo BSIC per ricevere i parametri della cella.

Criteri di riselezione delle celle:

Il cellulare verrà riselezionato e si accamperà su un’altra cella se uno dei seguenti criteri è soddisfatto:

1. La cella servente è sbarrata.
2. Il valore C1 nella cella corrente è inferiore a 0 per 5 secondi, il che indica che la perdita di percorso è elevata e il cellulare deve cambiare cella.
3. Il cellulare ha tentato senza successo di accedere alla rete come definito dal parametro MAXRET o MaxNumberRetransmissions.

MAXRET è il numero massimo di ritrasmissioni che un cellulare può eseguire quando accede al sistema. È definito per cella.

Supponendo che uno dei criteri di cui sopra sia soddisfatto, il cellulare selezionerà una cella con un C1 migliore. Tuttavia, se la cella appartiene a un’area di posizione diversa, il C1 per quella cella deve superare un parametro di isteresi di riselezione chiamato CRH o CellReselectHyseteris affinché la riselezione avvenga !!

Se il cellulare si sposta in un’area di confine tra le aree di localizzazione, potrebbe cambiare ripetutamente tra le aree di localizzazione. Ogni modifica richiede l’aggiornamento della posizione e causa un carico di segnalazione pesante e rischia di perdere il messaggio di cercapersone. Per evitare ciò, viene utilizzato il parametro di isteresi di riselezione della cella CRH.

La cella in un’area di posizione diversa verrà selezionata solo se il C1 di quella cella è superiore al C1 della cella correntemente servita del valore dell’isteresi di riseleziona. Poiché il valore di CRH può essere diverso per ciascuna cella, il CRH utilizzato per il confronto sarà quello trasmesso dalla cella servente.

Se il valore è impostato su un valore molto basso, il cellulare eseguirà il ping-pong tra le aree di localizzazione, aumentando il carico di segnalazione. Se il valore è impostato molto alto, il cellulare potrebbe rimanere nella cella sbagliata troppo a lungo.

RxLevAccessMin Il parametro viene deciso per consentire ai dispositivi mobili di accedere a Network. Viene utilizzato anche per ridurre l’accesso su qualsiasi BTS.

RxLevAccessMin = Sensibilità mobile + Perdita corporea + Perdita multipercorso + Margine di interferenza

Sensibilità mobile = -104 per GSM900 e -102 per DCS1800

Perdita del corpo:

= 3 dB consigliati da ETSI e 5 dB per GSM 900 da vari fornitori

= 3 dB consigliati da ETSI e 3 dB per DCS 1800 da vari fornitori

Perdita multipercorso = Perdita di segnale dalla stazione base dovuta alla riflessione da parte di edifici, ecc. prima di raggiungere il cellulare.

Normalmente la perdita multipercorso è di circa 3 dB, ma può essere superata dalla diversità dell’antenna, che ha anch’essa un guadagno di circa 3 dB.

(Diversità spaziale = 3 dB, diversità polarizzata a 90 gradi = 3 dB, diversità polarizzata obliqua a 45 gradi = 4,5 dB)

Margine di interferenza = Margine assegnato per superare C/I e C/N, il valore consigliato è 2 dB

RxLevAccessMin = Sensibilità mobile + Perdita corporea + Perdita multipercorso + Margine di interferenza

RxLevAccessMin = -104 + 3 + 0 + 2 (per GSM 900 con standard ETSI)

= – 99 dBm

RxLivAccessMin = -104 + 3 + 0 + 2 (per DCS 1800)

= – 99 dBm

CELLULARE INATTIVO

Quando il cellulare è inattivo, ascolta la cella migliore per accamparsi. Mobile decide di scegliere la cella da solo senza l’aiuto di BSC. Questo viene fatto confrontando la potenza del segnale di ciascuna frequenza BCCH e, se trovata la più forte, si accamperà una volta C1 > 0 (criterio di selezione della cella).

Se dopo essersi accampato in questa cella, scopre che una cella vicina è molto migliore, passerà a quella cella vicina. Se la nuova cella si trova nella stessa area di localizzazione, il cellulare non deve informare il BSC della sua nuova cella, ma se la nuova cella proviene da un’area di localizzazione diversa, il cellulare eseguirà un aggiornamento di posizione per informare il BSC.

CELLULARE OCCUPATO

Un cellulare è considerato occupato quando è in corso una chiamata (conversazione, dati o fax) o è nel mezzo di una configurazione di chiamata. In questa fase il cellulare non può decidere da solo se è necessario che il cellulare passi ad una cella migliore.

Solo BSC può determinare se un cellulare deve passare a un’altra cella diversa da quella servente. BSC prende la decisione sulla base dei rapporti di misurazione inviati sia da Mobile che da BTS. Questo processo decisionale si chiama localizzazione. In stato occupato, i cellulari possono ricevere brevi messaggi di testo (SMS) ma non possono ricevere messaggi Cell Broadcast.