Bölüm B. Demir Öner 7.0.05. HÜCRESEL TELSİZ ĞLR (CELLULR WIRELESS NETWORKS) Hücresel ağ kavramı ( cellular network concept) frekans spektrumunu verimli kullanmak amacıyla ortaya atılmıştır. Hücresel ağlar telsiz ve mobil iletişimin temelini oluşturur. Hücresel ağ ile kapsanacak olan alan genellikle altıgen (hexagonal) şeklinde kabul edilen hücrelere bölünür. Hücre şeklinin altıgen olarak kabul edilmesinin nedeni, hücrelerin yan yana konulması ile örtüşme yaratmadan tüm alanı kaplayabilmesi ve şeklinin daireye çok yakın olmasıdır. Hücreler bitişik daireler şeklinde olsaydı daireler arasında boşluklar olacaktı; bitişik kareler şeklinde olsaydı karenin orta noktasından kenarlara olan mesafe ile köşelere olan mesafe farklı olacaktı. Bu nedenlerle, hücreler altıgen şeklinde kabul edilmiştir. ltıgen şeklinde düşünülen her hücrenin merkezinde bir baz istasyonu (Base Station BS) bulunur.. Hücresel ğların Nesilleri Hücresel ağların günümüze kadar olan gelişimi dört nesil altında açıklanabilir:. Birinci nesil (G: First Generation): nalog iletişim yöntemleri ile sadece ses iletişimi için kullanıldı. FDM (Frequency Division Multiple ccess) yöntemi uygulandı.. İkinci nesil (G: Second Generation): Sayısal iletişim yöntemleri ile hem ses hem veri iletişimi için kullanılmaktadır. TDM ( Time Division Multiple ccess), CDM (Code Division Multiplexing), veri sıkıştırma, kriptolama ve hata düzeltme yöntemleri uygulandı. Örnek olarak, TDM ve yavaş FHSS (slow Frequency Hopping Spread Spectrum) kullanan GSM (Global System for Mobile Communications) sistemini, Kuzey merika da kullanılan ve CDM uygulayan IS-95 (Interim Standard-95) sistemi gösterilebilir.. Üçüncü nesil (G: Third Generation): Sayısal iletişim yöntemleri ile ses, yüksek hızda veri ve çoklu ortam (multimedia) iletişimi için kullanılmaktadır.. Dördüncü nesil (G: Fourth Generation): Sayısal iletişim yöntemleri ile ses, yüksek hızlarda veri ve çoklu ortam ( multimedia) iletişimi için kullanılmaktadır. Tüm servisler için (ses, veri, video) IP-tabanlı tümleşik çekirdek ağ (integrated core network) hizmet vermektedir. İletim hızının 00 Mbps ve Gbps olması hedeflenmektedir.. Hücresel ğ Yapısı (Cellular Network Structure) Küme ( custer): Belirli bir frekans bandını kullanan, belirli sayıda hücreden oluşan, belirli bir örüntüye sahip olan ve hücresel ağ ile kapsanacak alan içinde kendini tekrar hücreler grubudur. Bir küme içindeki hücre sayısı küme büyüklüğü (cluster size) ya da tekrar kullanım çarpanı (reuse factor) ve N ile gösterilir. ltıgen hücrelerden oluşan bir küme için aşağıdaki küme büyüklükleri elde edilebilir: N I J I J, I, J 0,,,,... (.) Böylece, N =,,, 7, 9,,,, 9,, değerlerini alabilir. Şekil. de 7 hücrelik kümelerden oluşan bir hücresel ağ yapısı gösterilmiştir. Bu yapı içinde, her kümenin aynı numaralı hücreleri aynı frekans bandını kullanır. Örneğin, Şekil. de, bir kümedeki ile gösterilen numaralı hücre ile komşu kümedeki C ile gösterilen numaralı hücre aynı frekans bandını kullanırlar ( co-channels). ynı frekansı kullanan hücreler arasındaki girişime ortak kanal girişimi (co-channel interference) denir. /8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 MU BS 7 7 C BS : Base Station MU : Mobile Unit d 5 R Küme (cluster) Hücre (cell) 7 5 d D 5 0 o B d Şekil. Hücresel ağ yapısı (küme büyüklüğü N=7 için) Kümelerdeki hücreler arasındaki uzaklıkları tanımlamak için genellikle aşağıdaki parametreler kullanılır: D = Tekrar kullanım mesafesi (reuse distance) R = Hücre çapı d = Bitişik hücrelerin merkezleri arasındaki uzaklık N = Küme büyüklüğü (bir kümedeki hücre sayısı), cluster size or reuse factor. Şekil. de, aynı frekansı kullanan no.lu hücreler arasındaki uzaklık D ile gösterilmiştir. Bu uzaklığı d ve N türünden hesaplayabilmek için Şekil. de tekrar gösterilen BC üçgeninde kosinüs kuralını (cosine law) uygulayalım. Burada, üçgenin a, b ve c kenarları,sırasıyla, d, D ve d uzaklıklarını göstermektedir. C b a 0 B c Şekil. D nin hesaplanması /8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 a c b () d d D d d D cos() BCcos0 0,5.) ac ()() d d d 5d D d 0,5 ; 5d D d ; D 7d (.) D 7d (.) Birbirlerine en yakın iki baz istasyonu arasındaki uzaklık: İki baz istasyonu arasındaki uzaklık iki hücrenin merkezleri arasındaki uzaklığa ( d) eşittir ve Şekil. den yararlanarak hücre çapı türünden şekilde gösterilen dik üçgenden yararlanarak Eşitlik (.5) deki gibi elde edilir. R R/ d/ d/ d Şekil. d nin hesaplanması d R R R ; R R d R (.5) Eşitlik (.5) deki d R ilişkisini Eşitlik (.) de elde edilen D 7d ilişkisinde yerine koyarsak, D R 7 elde edilir. Bu formülü genelleştirirsek, tekrar kullanım uzaklığı (reuse distance) D, olarak ya da eşitlik (.5) ve (.) dan olarak elde edilir. D R N (.) D / d N (.7) Kenar uzunluğu R olan bir altıgen hücre alanı ( h ), kenar uzunlukları R olan bir eşkenar üçgen alanının katına eşit olduğundan, Eşitlik (.8) deki gibi elde edilir. d R R h R Rd,5R (.8) Şekil. de, hücre sayısı k=0 ve küme büyüklüğü N=, ve 5 olan hücresel ağlar gösterilmiştir. /8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 Yarıçapı D olan daireler 7 5 7 7 5 5 Hücre sayısı : k=0 Küme büyüklüğü : N= D R N R R Hücre sayısı : k=0 Küme büyüklüğü : N= D R N R, R Hücre sayısı : k=0 Küme büyüklüğü : N=7 D R N R 7,58R Şekil. Küme büyüklükleri N=, ve 7 için frekansın tekrar kullanım örüntüleri (Frequency reuse patterns for N=,, and 7). ynı Frekansları Kullanan Hücrelerin Yerleşimi (Location of Co-channel Cells) ynı frekansı kullanan hücrelerin yerleşimi küme büyüklüğü N yi belirleyen i ve j değerlerine göre yapılır (N = i + ij + j ). Örneğin, N = 7 için i= ve j= alınırsa (N = + + = 7), aynı frekansı kullanan hücrelerin yerleşimi Şekil.5 de gösterilmiştir. i = j = 0 o 7 7 5 5 Şekil.5 ynı frakansı kullanan hücrelerin göreli yerleşimi Şekil. da, küme büyüklüğü N= 9 hücre (i=, j=; N=i + ij + j = + + 9 = 9) olan bir hücresel ağda aynı frekansları kullanan hücrelerinin yerleşimi gösterilmiştir. j = 0 o i = Şekil. N=9 için aynı frekansları kullanan kanalların yerleşimi /8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 Şekil.7 de, N=9 için aynı frekansı kullanan hücreler,9 hücreli kümenin biçimi ve tekrar kullanım mesafesini gösteren D yarıçaplı dairelerden biri gösterilmiştir (D, aynı frekansları kullanan hücreler arasındaki en kısa mesafedir). Şekil.7 N=9 için aynı frekansları kullanan kanalların yerleşimi, küme biçimi ve D yarıçaplı dairelerden biri. Kapasite rttırımı (Increasing Capacity) Sistemdeki kullanıcı sayısı arttıkça, hücrelerdeki haberleşme kanalları yeterli olmamaya başlar. Sistemin artan çağrı trafiğini karşılayabilmesi için uygulanan başlıca yöntemler aşağıda tanımlanmıştır. () Yeni kanalların eklenmesi (adding new channels): Bir bölgede sistem yeni kurulduğunda, kanalların hepsi kullanılmaz; kullanıcı sayısı arttıkça kanal sayısı da arttırılır. () Frekans ödünç alma (frequency borrowing): Bir hücrede trafik tıkanması oluştuğunda, komşu hücrelerden frekans ödünç alınır. Frekanslar hücrelere dinamik olarak da atanabilir. () Hücre bölme (cell splitting): Uygulamada trafik dağılımı ve topoğrafik özellikler düzgün (bir biçimli) değildir. Bu durum kapasite artırımında bazı kolaylıklar sağlayabilir. Yüksek trafikli alanlarda hücreler daha küçük hücrelere bölünebilir. Genellikle, yarıçapı,5 ile km arasındaki hücreler uygulamada yarıçapı en az,5 km olan hücrelere bölünebilir. Küçük çaplı hücreler kullanıldığında, - Komşu hücrelerle girişim yaratmamak için verici gücünün düşük tutulması gerekir. - Gezgin birim ( mobile unit) bir hücreden diğer hücreye daha çabuk geçebileceğinden, çağrının bir baz istasyonundan diğer baz istasyonuna aktarılması (handoff) daha sık olur. Şekil.8 de kapasiteyi arttırmak için hücrelerin daha küçük hücrelere nasıl bölünebileceği gösterilmektedir. Şekil.8 Hücre bölme (cell splitting) 5/8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 Hücre yarıçapının bir F faktörüne bölünmesi, kapsama alanının F faktörü ile azaltır, gereksinim duyulan baz istasyonu sayısını F faktörü ile arttırır. Şekil.9 da farklı çağrı trafiği yoğunlukları için farklı boyutlarda ve farklı kanal kapasitelerinde hücrelerden oluşan bir hücresel ağ örneği gösterilmiştir. Çağrı trafiğinin yüksek değerlerde olduğu bölgelerde (şehir merkezi gibi) hücre çapı küçüktür kanal sayısı fazladır ve verici gücü azdır. Çağrı trafiğinin düşük olduğu bölgelerde (kırsal alan gibi) hücre çapı büyüktür, kana sayısı azdır ve verici gücü yüksektir. Şehir merkezi (town) Dış mahalller (suburb) Karayolu (highway) Kırsal alan (rural) Şekil.9 Çağrı trafiği yoğunluğuna göre hücre bölme (cell splitting) örneği () Hücre Dilimleme (Cell Sectoring) Hücre dilimleme, kapasite artırımı sağlamak ve ortak kanal girişimini azaltmak amacıyla yapılır. Hücre dilimlemede hücre, Şekil.0 da gösterildiği gibi, her biri farklı kanal frekanslarında çalışan ve yönlendirilmiş anten kullanan üçgen ya da parçaya bölünür. Bu parçalardan her biri yine hücre olarak adlandırılır. (a) 0 o dilimleme (b) 0 o dilimleme Şekil.0 Hücre dilimleme (cell sectoring) (5) Mikro Hücreler (Microcells) Hücre boyutları küçüldükçe, mikro hücre oluşturmak üzere, baz istasyonu antenleri tepelere ve yüksek binaların çatılarına yerleştirilmek yerine alçak binaların çatılarına, yüksek binaların yan duvarlarına ve lamba direklerinin üstüne monte edilir. Hücre boyutları küçüldüğü için gerek baz istasyonu gerekse mobil ünite verici gücü seviyeleri azaltılmaktadır. Mikro hücrelerin yarıçapları 00 000 m asında olup, çağrı trafiğinin yüksek olduğu büyük kamu binalarında, caddelerde ve şehirlerarası yollarda kullanılmaktadır. Çizelge. de macrocell ve microcell lerin tipik parametreleri verilmektedir. Burada, ortalama gecikme yayılması (avarage delay spread), işaretin çokyolluluktan kaynaklanan alıcıya ilk ulaşan kopyası ile en son ulaşan kopyası arasındaki zaman farkıdır. /8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 Çizelge. de macrocell ve microcell lerin tipik parametreleri Özellik Macrocell Microcell Hücre çapı (cell radius) 0 km 0, km Verici gücü (transmitter power) 0 W 0, W Ortalama gecikme yayılması (avarage delay spread) 0, 0 µs 0 00 ns Maksimum bit hızı (maksimum bit rate) 00 kbps Mbps.5 Hücresel ğ Sisteminde, İletişim Kanalı Sayılarının Hesaplanması B t : Tüm hücresel ağ sistemi için ayrılan toplam bantgenişliği B k : Bir haberleşme kanalı için gerekli bantgenişiliği N : Küme büyüklüğü (cluster size or reuse factor) k : Tüm hücresel ağ sistemindeki hücre sayısı n : ynı anda kullanılabilecek haberleşme kanalı sayısı Bir küme için Tüm hücresel ağ sistemi için B t (.9) ayrılan bantgenişliği ayrılan toplam bantgenişliği Bir kümede aynı anda kullanılabilecek nkk haberleşme kanalı sayısı Bt B k kanal / küme (.0) Bir hücrede aynı anda kullanılabilecek nkk nhk haberleşme kanalı sayısı N Bt B N k kanal / hücre (.) Tüm hücresel ağ sisteminde aynı anda kbt nsk knhk kanal / sistem kullanılabilecek haberleşme kanalı sayısı Bk N (.) Örnek. Bir hücresel ağ sistemi, yarıçapları, km olan hücreden oluşuyor ve haberleşme kanalına hizmet verebilecek bir bant genişliğine sahip. Sistemde N=7 küme büyüklüğü (reuse factor) kullanılıyor. a) Kapsama alanını hesaplayınız. b) Her küme için haberleşme kanalı sayısını bulunuz. c) Her hücre için haberleşme kanalı sayısını bulunuz. d) Tüm sistemde aynı anda yapılabilecek çağrı sayısını bulunuz. e) (a), (b) ve (c) şıklarını 0,8 km yarıçaplı 8 hücre için tekrarlayınız. Çözüm a) Yarıçapı R olan bir altıgen hücrenin alanı: hücrelik toplam alan: = h =,5 = km h,5r,5(, ), 5 km b) Küme başına haberleşme kanalı sayısı tüm sistem için ayrılan haberleşme kanalı sayısına eşittir. n kk = kanal/ küme c) Hücre başına haberleşme kanalı sayısı: n hk = n kk / N = / 7 = 8 kanal/hücre d) Tüm sistemde aynı anda yapılabilecek çağrı sayısı: n sk = kn hk = 8 = 5 kanal/sistem e) 0,8 km yarıçaplı 8 hücre için, 7/8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 Hücre alanı: h,5r,5(0,8), km 8 hücrelik toplam alan: = 8 h = 8, =,8 km Küme başına haberleşme kanalı sayısı: n kk = kanal/küme Hücre başına haberleşme kanalı sayısı: n hk = n kk / N = / 7 = 8 kanal/hücre Tüm sistemde aynı anda yapılabilecek çağrı sayısı: n sk = kn hk = 8 8 = kanal/sistem Yorum: Sistem için ayılan kanal sayısı sabit tutularak hücre yarıçapı, km den 0,8 km ye indirilip hücre sayısı den 8 e arttırıldığında, aynı kapsama alanı ( km ) için tüm sistemde aynı anda yapılabilecek çağrı sayısı 5 dan e artmaktadır. Örnek. 9000 km lik bir alanın hücresel ağ ile kapsandığını düşünelim. Bu sistem için ayrılan frekans bandı 00 MHz ve bir kullanıcının tam çift yönlü ( full-duplex) iletişim yapabilmesi için gerekli bantgenişliği 5 khz olsun. lanı 0 km olan hücrelerin kullanılması durumunda, küme büyüklüğünün (N: Cluster size or reuse factor) değeri için tüm hücresel ağ sisteminde aynı anda kullanılabilecek kanal sayısını hesaplayınız. Çözüm t = 9000 km ; h = 0 km ; B t = 00 MHz = 00 0 Hz; B k = 5 khz = 5 0 Hz. Bt 000 nkk 000 kanal/küme B 50 k nkk 000 nhk 000 kanal/hücre N t 9000 km Toplam hücre sayısı: k 50 0 km hücre n sk Örnek. kn 50000 50000 kanal/sistem hk h (Murthy and Manoy, dhoc Wireless Networks, rchitectures and Protocols, Prentice Hall, 00, p. 9, Problem ) Hücresel ağlarda, a) Frekansın tekrar kullanımı (frequency reuse) hücresel ağ kapasitesini nasıl etkiler? b) 000 km lik bir alanın hücresel ağ ile kapsandığını düşünelim. Bu sistem için ayrılan frekans bantgenişliği 50 MHz, her kullanıcı için gerekli iletişim bantgenişliği 5 khz olsun. () Frekansın tekrar kullanımı (frequency reuse) yönteminin uygulanmaması durumunda aynı anda kaç iletişim kanalının kullanılabileceğini hesaplayınız. () 50 km alanı olan hücrelerin kullanılması durumunda, küme büyüklüğünün (N: cluster size), ve 7 hücre olması durumları için tüm hücresel ağda (sistemde) aynı anda kaç iletişim kanalının kullanılabileceğini hesaplayınız. Elde edilen sonuçları yorumlayınız. c) Kullanıcı sayısı dışında, hangi önemli etken küme büyüklüğünün (cluster size) belirlenmesinde rol oynar? Çözüm Verilenler: t =000 km, h =50 km, B t =50 MHz, B k =5 khz a) Frekansın tekrar kullanımı (frequency reuse) yöntemi hücresel ağ kapasitesinin artmasını sağlar. Çünkü aynı frekans bandı aralarında belirli bir uzaklık olan farklı hücrelerdeki kullanıcılar tarafından, birbirleri arasında girişim olmadan kullanılabilmektedir. 8/8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 b) Frekansın tekrar kullanımı olmaksızın aynı anda kullanılabilecek kanal sayısı: Bt 500 n 000 kanal/sistem Bk 50 b) Frekansın tekrar kullanımı yöntemi ile: t 000 Toplam hücre sayısı: k 0 hücre 50 h Bt / Bk 500 / 50 N= için, nsk k 0 0, 7 0 0 kanal/sistem N Bt / Bk 500 / 50 N= için, nsk k 0 0500 0000 kanal/sistem N Bt / Bk 500 / 50 N=7 için, nsk k 0 0(85, 7) 0 85 5700 kanal/sistem N 7 Yorum: Küme büyüklüğü (N) arttıkça, aynı anda kullanılabilecek kanal sayısı azalır (N, n ). c) Kullanıcı sayısının dışında, farklı hücrelerde aynı frekans bandının kullanılması sonucunda ortaya çıkan ortak kanal girişimi ( cochannel interference) küme büyüklüğünün belirlenmesinde önemli bir etkendir.. Hücresel ğların Çalışması (Operation of Cellular Networks) Şekil. de hücresel ağ sistemini oluşturan ana birimler ve sistemin telefon ağı ile bağlantısı blok diyagram olarak gösterilmiştir. Kontrol kanalları ve trafik kanalları MU BS PSTN MU BS BSC MSC ISDN MU BS BSS PSPDN MU BS Telli ya da telsiz bağlantı MU BS BSC MU BS BSS BSC : Base Station Controller (baz istasyonu kontrol birimi) BSS : Base Station Subsystem (or Base Station BS: Baz istasyonu) BS : Base Sattion ya da BTS (Base Transceiver Station: Baz istasyonu alıcı-verici birimi) MSC : Mobile Switching Center ya da MTSO Mobile Telecommunication Switching Office (mobil haberleşme santralı) MU : Mobile Unit (mobil birim) PSPDN : Packet Switched Public Data Network (paket veri ağı) PSTN : Public Switched Telephone Network (telefon ağı) Şekil. Hücresel ağ sisteminin blok diyagramı 9/8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 Mobil birim (mobile unit or mobile station), alıcı, verci, anten ve abone kimliğini taşıyan SIM (Subscriber Identity Module) kartını içerir. Baz istasyonu (BS ya da BTS) yaklaşık olarak hücrenin ortasında bulunur; anten, kontrol birimi ve alıcı-vericileri ( trasceivers) içerir. Kontrol birimi mobil ünite ile ağ arasında çağrı kotarma ( call handling: Çağrı kurma ve çözme gibi işlemler) için kullanılır. Her baz istasyonu telli ya da telsiz ortam üzerinden bir mobil haberleşme santralına (MSC or MTSO) bağlıdır. Mobil haberleşme santralı (MSC or MTSO) mobil birimler arasında ve mobil birimler ile diğer ağlara bağlı aboneler arasında bağlantılar kurar, mobil birimin yer değiştirmesine göre baz istasyonları arsında aktarma (handoffs) yapar, ücretlendirme bilgilerini tutar. Mobil birim ile baz istasyonu arasında kontrol kanalları ve trafik kanalları olmak üzere iki tür kanal kullanılır. Kontrol kanalları, mobil birim ile en yakın baz istasyonu arasında çağrı kurma, tutma ve çözme işlemleri ile verici güç kontrolu işlemlerini yürütür. Trafik kanalları kullanıcılar arasında ses ve veri işaretlerini taşır. İki Mobil Kullanıcı rasında Çağrı Kurma şamaları Şekil. den.7 ye kadar, iki mobil kullanıcı arasında Mobil haberleşme santralı (MSC or MTSO) tarafından yapılan çağrı kurma aşamaları gösterilmiştir. (a) Mobil Birimin çılması (Mobile Unit Initialization) Her hücrenin baz istasyonu (BS), kendisine ayrılmış frekans bandındaki çağrı kurma kanalları ( setup channels) üzerinden periyodik olarak yayın yapar. Mobil birim açıldığında, tarama yaparak çevredeki baz istasyonlarından gelen sinyaller arasından en güçlüsünü seçer ve bu çağrı kurma kanalını gözlemeye başlar (monitors). Böylece, mobil birim haberleşme için bağlantı kuracağı baz istasyonunu seçmiş olur (Şekil.). Sonra mobil birim ile onun bulunduğu hücredeki baz istasyonunu kontrol eden MSC arasında bir tokalaşma ( handshake) işlemi yürütülür. seçilen baz istasyonu üzerinden MSC nin mobil kullanıcı kimliğini belirlemesi ve yerinin kaydedilmesi Tokalaşma, Şekil. En güçlü baz istasyonu işaretinin seçilmesi için yapılır. Mobil birim açık kaldığı sürece, mobil birimin yer değiştirebileceği hesaba katılarak bu tarama işlemi ( scanning procedure) periyodik olarak tekrarlanır. Mobil birim yeni bir hücreye girerse, yeni baz istasyonu seçilir. yrıca, mobil birim baz istasyonu üzerinden gelen aramaları (pages) da gözler. M S C (b) Mobil Birim Tarafından Başlatılan Çağrı (Mobile-originated Call) Çağrı başlatacak olan mobil birimin alıcısı ( receiver), önce seçmiş olduğu baz istasyonunun ileri yön kanalından ( forward channel: BS den mobile doğru iletişim kanalı) çağrı kurma kanalının (setup channel) boş olup olmadığını kontrol eder. Kanal boş (idle) ise, mobil ünitenin vericisi ters yön kanalı ( reverse channel: Mobilden BS ye doğru iletişim kanalı) üzerinden aranan birimin numaralarını gönderir. Baz istasyonu bu çağrı kurma talebini MSC ye iletir (Şekil.). Şekil. Bağlantı talebi yapılması M S C 0/8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 (c) rama (Paging) MSC aranan birime bağlantı kurmak için, çağrılan birimin numarasına göre bazı baz istasyonlarına arama mesajı ( paging message) gönderir (Şekil.). Bu mesajı alan baz istasyonları çağrı kurma kanallarında bu arama mesajını yayınlar. M S C Şekil. rama (d) Çağrının Kabul Edilmesi (Call ccepted) Çağrılan mobil birim, gözlemekte olduğu çağrı kurma kanalında kendi numarasını algılar ve baz istasyonuna yanıt verir. Baz istasyonu bu yanıtı MSC ye iletir. MSC, çağıran ve çağrılan baz istasyonları arasında bağlantı kurar. ynı zamanda, MSC her iki baz istasyonunun bulunduğu hücrede uygun bir trafik kanalı seçer ve bu kanalları baz istasyonlarına ve onlar arcılığıyla mobil birimlere bildirir (Şekil.5). Her iki mobil birim de alıcı ve vericileri bu kanallar üzerinden haberleşme yapacak şekilde ayarlar. M S C (e) Devam Eden Çağrı (Ongoing Call) Bağlantı devam ettiği sürece, mobil birimler kendi baz istasyonları ve MSC üzerinden ses ya da veri haberleşmesi yapabilirler (Şekil.). (f) Baz İstasyonu Değiştirme (Handoff) Şekil.5 Çağrının kabulü Bağlantı sırasında, bir mobil ünite bağlı olduğu baz istasyonunun kapsama alanından çıkar ve başka bir baz istasyonunun kapsama alanına girerse, haberleşme yeni hücredeki baz istasyona atanan trafik kanalı üzerinden devam eder (Şekil.7). Sistem bu değişikliği haberleşmede bir kesinti yapmadan ve kullanıcıları uyarmadan yapar. M S C M S C Şekil. Devam eden çağrı Şekil.7 Baz istasyonu aktarma /8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 Sistemin Diğer Görevleri () Çağrı Tıkanması (Call Blocking) Mobil birimin çağrı başlatması aşamasında, en yakın baz istasyonun bütün trafik kanalları meşgul ise, mobil birim önceden belirlenmiş sayıda çağrı başlatma işlemini tekrarlar. Belirli sayıda başarısız denemeden sonra, kullanıcıya meşul tonu (busy tone) gönderilir. () Çağrının Sonlandırılması (Call Termination) İki kullanıcıdan biri çağrı sonlandırma tuşuna bastığında ya da telefon ahizesini yerine koyduğunda (hang up), MSC bunu algılar ve her iki baz istasyonunda kullanılan trafik kanallarının çözülmesini sağlar. () Çağrının Kesilmesi (Call Drop) Bağlantı sırasında, bazı alanlarda gürültünün ya da girişimin güçlü olması ya da sinyalin çok zayıf olması nedeniyle, baz istasyonu belirli bir süre minimum sinyal seviyesini koruyamazsa, kullanıcıya ayrılmış olan trafik kanalı kesilir (call drops) ve MSC ye bilgi verilir. () Uzaktaki Mobil boneler rasında ya da Mobil bonelerle ile Sabit Telefon boneleri rasında Çağrı Kurma (Calls to/from Fixed and Remote Mobile Subscriber) MSC ler telefon ağına ve diğer ağlara (ISDN ve paket anahtarlamalı veri a ğlarına PSPDN gibi) bağlı olduklarından, uzaktaki mobil aboneler arasında ya da mobil abonelerle sabit telefon aboneleri arasında telefon ağı ya da tahsis edilmiş hatlar (dedicated lines) üzerinden çağrı kurulabilir..7 Mobil Haberleşmede Yayılma Etkileri (Mobile Radio Propagation Effects) Mobil haberleşmede, telli haberleşmeye ve telsiz sabit haberleşmeye göre daha fazla önem kazanan iki konu vardır: () Sinyal gücü ve () Yayılmadaki olumsuz etkiler. () Sinyal Gücü (Signal Strength) Baz istasyonu ile mobil birim arasındaki sinyal gücü, kaliteli bir iletişim için yeteri kadar yüksek olmalı, fakat aynı frekans bandını kullanan komşu kümelerdeki hücrelerde ortak kanal girişimi (co-channel interference) yaratacak kadar yüksek olmamalıdır. yrıca, çeşitli dış gürültü kaynakların, örneğin, taşıtlardaki buji ateşlemelerinin oluşturduğu gürültü, kırsal alana göre şehirlerde daha fazladır. Sinyal gücü, mobil birimin baz istasyonuna olan uzaklığına ve mobil birimin hareketine göre değişir. () Yayılmadaki İstemeyen Etkiler (Unwanted Effects of Propagation) Mobil haberleşmede çokyollu yayılma (multipath propagation), analog iletişimde sönümlenmeye (fading), sayısal iletişimde ise sembolerarası girişime (intersymbolinterference) neden olarak, sinyal seviyesi yeterli olsa bile, sinyali bozan ve sayısal iletişimde hatalarla sebep olan olumsuz bir etkendir. Hücresel ğ Tasarımında Hesaba Katılması Gereken Yayılma Etkileri: - Baz istasyonundaki ve mobil birimdeki maksimum verici güçleri. - Baz istasyonu anteninin uygulanabilir yüksekliği ve mobil birim anteninin tipik yüksekliği. Bu etkenler hücre büyüklüğünü belirlemekte önemlidir. ncak, olumsuz yayılma etkileri dinamik olarak değişmektedir ve önceden kestirilemez. Bu durumda, uygulanabilecek en iyi yöntem, deneysel verilere dayanan modeller kullanarak hücre büyüklüğü hakkında yönlendirici bilgiler edinmektir. Bu modellerden en yaygın kullanılan Okumura tarafından geliştirilmiş ve Hata tarafından yeniden düzenlenmiş bir modeldir. Okumura-Hata modeline göre, kentsel alan ( urban), dış mahalleler (suburban) ve açık alanlar (open areas) için yol kaybı (path loss) aşağıdaki formüllerle verilmiştir. /8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 L db (kentsel) = 9,55 +, log 0 f c,8 log 0 h t (h r ) + (,9,55 log 0 h t ) log 0 d (.) Burada, f c : Taşıyıcı frekansı (MHz türünden, 50 500 MHz) h t : Baz istasyonu verici anten yüksekliği (m türünden, 0 00 m) h r : Mobil birim alıcı anten yüksekliği (m türünden, 0 m) d : ntenler arasındaki yayılma uzaklığı (km türünden, 0 km) (h r ) : Mobil birim anten yüksekliği için düzeltme çarpanı Küçük ya da orta boy şehirler için düzeltme çarpanı Eşitlik (.) de verilmektedir. (h r ) = (, log 0 f c 0,7) h r (,5 log 0 f c 0,8) db (.) Büyük şehirler için düzeltme çarpanı Eşitlik (.5 ve.) da verilmektedir. (h r ) = 8,9 [log 0 (,5 h r )], db, f c 00 MHz için (.5) (h r ) =, [log 0 (,75 h r )],97 db, f c 00 MHz için (.) Dış mahalleler ve açık alanlar için yol kaybı formülleri Eşitlik (.7) ve (.8) de verilmiştir. L db (dış mahalle) = L db (kentsel) [log 0 (f c / 8)] 5, (.7) L db (açık alan) = L db (kentsel),78 (log 0 f c ) 8,7 (log 0 f c ) 0,98 (.8) Eşitlik (,7 ve (. 8) de kullanulan L db (kentsel) değeri küçük ve orta boyutta kentsel alan için hesaplanan (h r ) düzeltme çarpanı değeridir. Örnek. Bir mobil haberleşmede, taşıyıcı frekansı f c = 900 MHz, baz istasyonu verici anteni yüksekliği h t = 0 m, mobil birim alıcı anteni yüksekliği h r = 5 m ve antenler arasındaki uzaklık d = 0 km olarak veriliyor. a) Verilen taşıyıcı frekansı ve antenler arasındaki uzaklık için izotropik serbest uzay kaybını hesaplayınız. b) Orta büyüklükte bir şehir için yol kaybını (path loss) Okumura-Hata modeline göre hesaplayınız. c) (a) ve (b) deki sonuçları yorumlayınız. Çözüm a) 8 c 0 0, L 0000 si d, 50 f 9000 0, L 0 log(, 5 0), db si() db 0 m ; b) Orta büyüklükte bir şehir için mobil anten yüksekliği düzeltme çarpanı (h r ): (h r ) = (, log 0 f c 0,7) h r (,5 log 0 f c 0,8) db = (, log 0 900 0,7) 5 (,5 log 0 900 0,8) = 8,95 db L db (kentsel) = 9,55 +, log 0 f c,8 log 0 h t (h r ) + (,9,55 log 0 h t ) log 0 d L db (kentsel) = 9,55 +, log 0 900,8 log 0 0 8,95 + (,9,55 log 0 0) log 0 0 =9,55 + 77,8. 8,95 +. = 50, db c) (a) daki sonuç sadece izotropik serbest uzay kaybıdır. (b) deki sonuç hem izotropik serbest uzay kaybını hem de şehir ortamında oluşan çokyolluluk gibi olumsuz etkileri de içermektedir. /8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05.8 El Değiştirme (Handoff or Handover) Bir mobil birimin konuşma sırasında bağlı olduğu baz istasyonunun kapsama alanından çıkıp başka bir baz istasyonunun kapsama alanına girmesi durumunda, mobil ünite ile hedef baz istasyonu BS ya da BTS) arasında yeni bir bağlantı kurulması ve eski baz istasyonu ile olan bağlantısının çözülmesi el değiştirme olarak tanımlanır..8. El Değiştirme Kararında Kullanılan Performans Ölçütleri () Hücre Tıkanma Olasılığı (Cell Blocking Probability) Baz istasyonu trafik kapasitesinin dolu olması neniyle, başlatılan yeni bir çağrının engellenmesi (başarısız olması) olasılığıdır. Bu durumda, mobil birim sinyal kalitesinin iyi olmasına rağmen komşu hücredeki baz istasyonuna aktarılır. () Çağrının Kesilmesi Olasılığı (Call Dropping Probability) Devam eden bir çağrının el değiştirme sırasında kesilme olasılığıdır. () Çağrının Tamamlanma Olasılığı (Call Completion Probability) Devam eden bir çağrının kesilmemesi olasılığıdır. () Başarısız El Değiştirme Olasılığı (Probability of Unsuccessful Handoff) El değiştirme işleminin yetersiz sinyal alma durumunda yapılma olasılığıdır. (5) El Değiştirmenin Engellenme Olasılığı (Handoff Blocking Probability) El değiştirme işleminin başarısız olma olasılığıdır. () El Değiştirme Olasılığı (Handoff Probability) Çağrının sonlandırılmasından önce el değiştirme yapılması olasılığıdır. (7) El Değiştirme Oranı (Handoff Rate) Birim zamanda yapılan el değiştirmelerinin sayısıdır. (8) Kesilme Süresi (Interruption Duration) El değiştirme sırasında, mobil birimin her iki baz istasyonuna da bağlı olamadığı süredir. (9) El Değiştirme Gecikmesi (Handoff Delay) Mobil birim hareket halindeyken, el değiştirme yapılması gereken nokta ile el değiştirmenin gerçekleştiği nokta arasındaki uzaklıktır..8. El Değiştirme Yapılmasının Nedenleri El değiştirme yapılması için iki neden vardır: () Ölçümlere bağlı el değiştirme () Trafik değerlerine bağlı el değiştirme Ölçümlere Bağlı El Değiştirme Radyo sinyalinin gücünün ya da kalitesinin BSC tarafından belirlenen değerlerin altına düşmesi durumunda, bağlantı daha güçlü sinyale sahip baz istasyonuna aktarılır. Sinyaldeki zayıflama, hem mobil birim (MU) hem de baz istasyonu (BS ) tarafından yapılan ölçümlerle belirlenir. Bu tür el değiştirmelere BSC karar verir. Trafik değerlerine Bağlı El Değiştirme Mobil birimin servis aldığı hücrenin trafik kapasitesinin dolması durumunda, hücre sınırlarında bulunan mobil birim trafiğin daha az olduğu komşu hücreye aktarılır. Bu tür el değiştirmelere MSC karar verir. /8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05.8. El Değiştirme Çeşitleri Dört tür el değiştirme vardır: () Hücre içi BSC içi el değiştirme () Hücre dışı BSC içi el değiştirme () Hücre dışı BSC dışı el değiştirme () MSC içi el değiştirme () Hücre İçi BSC İçi El Değiştirme ynı hücre içinde abonenin başka bir trafik kanalına aktarılmasıdır. En basit el değiştirme olup BSC tarafından gerçekleştirilir. () Hücre Dışı BSC İçi El Değiştirme Mobil birim, aynı BSC ye bağlı başka bir hücreye girdiğinde, yeni hücredeki baz istasyonu (BS ) ile bağlantı kurulduktan sonra eski baz istasyonu (BS ) ile bağlantısı kesilir. El değiştirme BSC tarafından kontrol edilir (Şekil.8). BS BSC MSC () Hücre Dışı BSC Dışı El Değiştirme Bu el değiştirme, mobil birim başka bir BSC ile kontrol edilen bir hücreye girdiğinde gerçekleşir. Mobil birimin, yeni hücreye servis veren BSC ve BS ile bağlantısı başarıyla kurulduktan sonra eski hücreye servis veren BSC ve BS ile bağlantısı kesilir. Bu tür el değiştirmeler, BSC tarafından verilen karar üzerine MSC tarafından gerçekleştirilir (Şekil.9). BS BS BSC BSC Şekil.8 MSC BS Şekil.9 () MSC İçi El Değiştirme Mobil birim, başka bir MSC in kontrolu altındaki bir hücreye girdiğinde, servis alınmakta olan MSC yeni hücreye (hedef hücre) hizmet veren MSC ile iletişim kurar ve bağlantı MSC ye aktarılır. (Şekil.0). Sürdürülmekte olan iletişimin MSC den MSC ye aktarılabilmesi için hedef santral (MSC ) yi tanımlayan El Değiştirme Numarasına (HON: Handoff Number) ihtiyaç duyulur Ücretlendirme bilgileri ilk MSC tarafından tutulmaya devem eder. BSC MSC BS BSC MSC PSTN BS Şekil.0.8. lınan Sinyal Gücüne Göre El Değiştirme Karar Yöntemleri (Handoff Decision Methods ccording to the Recieved Signal Power) Bir mobil birimin L noktasında bulunan Baz İstasyonu dan (BS ) L B noktasında bulunan Baz İstasyonu B ye (BS B ) doğru hareket ederken, baz istasyonu değiştirme kararı ( handoff decision), baz istasyonlarının belirli bir süre içinde mobil birimden aldıkları ortalama sinyal gücüne ve/veya buna ek ölçütlere göre baz istasyonları tarafından alınır. BS nın aldığı sinyal gücünü P ile, BS B nın aldığı sinyal gücünü ise P B ile gösterebiliriz. Baz istasyonun aldığı sinyal gücüne göre el değiştirme karar yöntemleri beş başlık altında toplanabilir. Bu yöntemler Şekil. de grafik olarak gösterilmiştir. 5/8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 ) Göreli sinyal gücü (relative signal strength): Bu yöntemde, P B > P olduğu anda mobil birimin BS ile bağlantısı kesilir ve BS B ye bağlanır; yani handoff olur. Bu nokta Şekil.9a da L ile gösterilmiştir. Bu noktada BS nın ve BS B nin aldıkları sinyal güçleri eşit olmasına karşın P azalmaktadır. Eğer daha sonra P > P B olursa, mobil birimin BS B ile bağlantısı kesilir ve tekrar BS ya bağlanır. Çokyolluluk etkisi (multipath effect) nedeniyle, BS ler tarafından alınan sinyalin ortalama seviyesinde de dalgalanmalar olacağından, bu yöntem tek başına kullanıldığında pinpon etkisi (ping-pong effect) yaratabilir. ) Göreli sinyal gücü ve eşik seviyesi ( relative signal strength with threshold): Eğer yüksek eşik seviyesi kullanılıyorsa (Şekil.a da gösterilen E eşik seviyesi), BS nin aldığı sinyal seviyesi eşik seviyesinin altına düştüğünde ve BS nın aldığı sinyal seviyesi BS B nin aldığı sinyal seviyesinin altına düştüğünde (P < E ve P < P B durumunda) L de handoff yapılır. Yüksek eşik seviyesi kullanılması durumunda bu yöntem, göreli sinyal gücü yöntemine benzer şekilde çalışır. Eşik seviyesi, Şekil.a da gösterilen E ya da E gibi, sinyal güçlerinin kesişme noktasının (P =P B olduğu nokta) altında seçilirse, E için L de, E için L de handoff yapılır. Eğer eşik seviyesi, sinyal güçlerinin kesişme noktasının (P =P B olduğu nokta) çok altında seçilirse, iletişim kalitesi düşer ve bağlantının kesilme ihtimali artar. ) Göreli sinyal gücü ve histeresis (relative signal strength with hysteresis): Bu yöntemde, eğer bir baz istasyonunun aldığı sinyal seviyesi diğerinden yeterince fazla ise ( Şekil.a ve b de gösterildiği gibi aralarında H kadar fark varsa), handoff yapılır (L noktası). Bu yöntem pinpon etkisinin oluşmasını önler. Bu yöntemin tek dezavantajı, P iletişim için yeterli seviyede olmasına rağmen, P B den H kadar az oluğu için gereksiz yere handoff yapılmasıdır. ) Göreli sinyal gücü, histeresis ve eşik seviyesi ( relative signal strength with hysteresis and threshold): Bu yöntemde, P nın (P B H) dan küçük ve aynı zamanda seçilen eşik seviyesinin de altında olası durumunda handoff yapılır. Şekil a da, eşik seviyesinin E veya E olarak seçilmesi durumunda, L de handoff olur, eşik seviyesinin E seçilmesi durumunda, L de handoff olur. 5) Kestirim Teknikleri ( prediction techniques): Handoff kararı, baz istasyonların yaptığı kestirim sonucunda almayı bekledikleri sinyal gücüne göre verilir. Baz istasyonu E E E L H Baz istasyonu nın aldığı sinyal gücü (P ) H Sinyal güçlerinin eşit olduğu durum Baz istasyonu B nin aldığı sinyal gücü (P B ) (a) Yönteme göre karar verme noktaları Baz istasyonu B L L L L L B Uygulanan Yönteme Göre Handoff Noktaları L : Göreli sinyal gücüne göre veya göreli sinyal gücü ve E e göre; L : Göreli sinyal gücü ve E ye göre; L : Göreli sinyal gücü ve histeresis H ya göre; L : Göreli sinyal gücü ve E e göre veya Göreli sinyal gücü, histeresis H ya ve E e göre. Şekil. Baz istasyonu değiştirme (handoff) karar verme yöntemleri /8 ya atanır (assigned to ) ya geçer (handoff to) tama (assignment) B ye atanır (assigned to B) B ye geçer (handoff to B) -H 0 H Göreli sinyal gücü (P B P ) (b) Histeresis Mekanizması
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05.9 Hücresel ğlarda Güç Kontrolü (Power Control in Cellular Networks) Hücresel ğlarda Dinamik Güç Kontrolüne İhtiyaç Duyulmasının Nedenleri. Etkili bir iletişim için, gerek baz istasyonu alıcısına gelen sinyalin gerekse mobil birim (MU) alıcısına gelen sinyal güç seviyeleri ortamdaki elektriksel gürültü seviyesinin yeteri kadar üstünde olmalıdır.. ynı zamanda, mobil birimin yayınladığı sinyal gücü, ortak kanal girişimini (cochannel interference), muhtemel sağlık sorunlarını ve bataryadan çekilen gücü azaltmak için en az seviyede tutulmalıdır ( ortak kanal girişimi, aynı frekans bandını kullanan hücrelerin iletişim kanalları arasındaki girişimdir).. CDM (C ode Division Multile ccess) yöntemi kullanan yayılı izge (spread spectrum SS) sistemlerde, tüm kullanıcılar aynı frekans bandını kullandıklarından, sistem performansının düşmemesi için mobil birimlerden baz istasyonuna gelen sinyallerin aynı güçte olmaları istenir. Hücresel ğlarda Güç Kontrol Yöntemleri. çık döngü güç kontrolü (open-loop power control). Kapalı döngü güç kontrolü (closed-loop power control) () çık döngü güç kontrolü (Şekil.), Sadece mobil birim (MU) tarafından yapılan kontrol işlemleri içerir Baz istasyonundan herhangi bir geri besleme almaz Bazı SS sistemlerde kullanılır. SS sistemlerde, baz istasyonu (BS) sürekli olarak pilot adı verilen modüle edilmemiş bir sinyal (unmodulated signal: carrier) gönderir. Bu sinyal, mobil birimin BS den gönderilen CDM kanalına ait zamanlama (timing) bilgilerini ve demodülasyon için gerekli faz referanslarını almasını sağlar. Pilot, aynı zamanda, güç kontrolü için de kullanılır. Mobil birim gelen pilotun güç seviyesini gözlemler ve mobil birimden BS ye gönderilen sinyalin seviyesini pilot seviyesiyle ters orantılı olarak ayarlar. BS den mobil birime gönderilen sinyaller için kullanılan kanala ileri yön kanalı (forward channel), mobil birimden BS ye giden sinyaller için kullanılan kanala ters yön kanalı (reverse channel) adı verilir. çık döngü güç kontrol yönteminde, ileri yön ve ters yön kanallarındaki sinyal güçlerinin yakın ilişkili ( closely correladed) olduğunu varsayılır ki uygulamada genellikle öyledir. çık döngü kontrolü, kapalı döngü kontrolü kadar hassas değildir. Fakat açık döngü kontrol yöntemi sinyal gücündeki ani dalgalanmalara daha çabuk cevap verir. Örneğin, mobil birimin büyük bir binanın arkasından ortaya çıkması durumunda, mobil birime gelen pilot seviyesi ani olarak yükseleceğinden, mobil birim BS ye gönderdiği sinyal gücünü (ters yön kanalındaki sinyal gücünü) ani olarak azaltabilir. BS ye gelen diğer CDM kullanıcı kanallarının aşırı güçlü bir sinyalle bastırılmasını engellemek için böyle hızlı bir güç seviyesi kontrolü gerekmektedir. BS Pilot gönderir Baz istasyonu (BS) Ters yön kanalı (reverse channel) İleri yön kanalı (forward channel) Mobil Birim (MU) MU pilota göre sinyal gücünü kontrol eder Şekil. çık döngü güç kontrolü 7/8
Bölüm B. Demir Öner 7.0.05 () Kapalı Döngü Güç Kontrolü (Şekil.) Baz istasyonu (BS) mobil birimden gelen sinyal üzerinde performans ölçümleri yapar: - lınan sinyal seviyesi ölçümü; - lınan sinyalin SNR oranı (Signal-to-Noise Ratio: Sinyal-gürültü oranı) ölçümü; - lınan sinyalin BER (Bit Error Rate: Bit hata oranı) ölçümü. Performans ölçüm sonuçlarına göre BS, kontrol kanalı üzerinden mobil birime kullanması gereken güç seviyesini bildirir (bkz. Çizelge.). Mobil birimden gelen sinyal kalitesi bilgilerine göre BS, göndereceği sinyal gücü seviyesini ayarlar (ileri yön kanalındaki sinyal gücünü ayarlar). Baz istasyonu, () Performans öçümü yapar, MU ya güç seviyesi bildirir; () MU dan gelen sinyal kalitesi bilgisine göre sinyal gücünü ayarlar. İleri yön kanalı (forward channel) Ters yön kanalı (reverse channel) Mobil birim, () BS den gelen bilgiye göre güç seviyesini ayarlar; () ldığı sinyal kalitesi BS ye bildirir. Baz istasyonu (BS) Mobil Birim (MU) Şekil. Kapalı döngü güç kontrolü Çizelge. Güç Seviyesi Sınıfları Güç Sınıfı Baz İstasyonu (BS) (watt) Mobil Birim (MU) (watt) 0 0 0 8 80 5 0 5 0 0,8 0 7 5 8,5 8/8