Algoritmo Nazionale MB

Algoritmo Nazionale per il GSM
Dipartimento di Elettronica
Informatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
Storia (1)
•
Esistono numerosi metodi per la pianificazione e la copertura dei
sistemi di telefonia cellulare.
– Ogni operatore sceglie quello che ritiene più opportuno anche in base
all’esperienza.
•
L’Algoritmo Nazionale è frutto di un’azione condivisa tra gli operatori:
– è utilizzato per certificare le coperture in Italia;
– deve essere un algoritmo chiaro e trasparente dato che viene utilizzato
esternamente a organizzazioni/operatori.
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Storia (2)
•
Le convenzioni tra Ministero delle Poste e Telecomunicazioni e i
gestori del servizio radiomobile GSM (OPI e TIM) furono pubblicate
sulla Gazzetta ufficiale del 31/01/1995:
– La società dovrà dare inizio al servizio entro 18 mesi dal rilascio della
concessione, assicurando la copertura di almeno il 40% del territorio
nazionale e comunque della totalità dei capoluogo di regione
•
Per iniziare la fornitura del servizio le società hanno fornito al Ministero
P.T. lo stato di copertura, che questi doveva verificare  Algoritmo
Nazionale.
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Storia (3)
•
La prima fase è stata effettuata tramite lettura ottica, con mezzi
informatici, delle carte geografiche con l’indicazione della zona coperta.
•
Per le successive percentuali di copertura (50% e 70%) il Ministero
P.T. ha deciso di ricorrere ad uno strumento più adeguato.
– Venne istituito presso l’ISPT un Gruppo di Lavoro per la definizione di un
modello di predizione nazionale (OPI, TIM, Fondazione Ugo Bordoni e
successivamente Wind).
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Pianificazione di un sistema radiomobile (1)
ELENCO SITI CON
POSIZIONE
GEOGRAFICA
CARATTERISTICHE
TERRITORIALI
CARATTERISTICHE
RADIO BS
ALGORITMO DI
COPERTURA
VERIFICA
PRESTAZIONI CON
SIMULAZIONI
COPERTURE EM
VALUTAZIONE BEST SERVER
VALUTAZIONE C/I
MATRICE
INTERFERENZA
ASSEGNAZIONE
FREQUENZE
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Pianificazione di un sistema radiomobile (2)
•
•
Caratteristiche radio
delle BS
Posizione delle BS
•
•
Morfologia del territorio
Caratteristiche EM
Valutazione delle perdite di
propagazione
Campo EM per ogni
elemento di territorio (area
di copertura )
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Studio del modello (1)
•
Per la stesura del modello si sono presi come riferimento le Raccolte
dell’ITU-R e le specifiche dell’ETSI.
•
OPI e TIM hanno poi compiuto diverse campagne di misura per
acquisire indicazioni operative sull’algoritmo.
•
Applicando sia l’Algoritmo Nazionale sia algoritmi proprietari degli
operatori alle basi di dati, la differenza nei valori di copertura risultò
molto piccola.
– causa di variazioni consistenti dei risultati sono la completezza e
l’accuratezza delle basi di dati.
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Studio del modello (2)
•
Basi di dati: file contenenti informazioni (in forma numerica) sulle
caratteristiche orografiche e morfologiche del territorio e i fattori
correttivi associati al modello utilizzato.
•
Ciascuna società aveva un suo database e aveva fatto le sue scelte
ambientali e di uso del suolo.
– È proprio in queste classi morfologiche in cui è stato suddiviso il territorio
che si ha una differenza sostanziale tra Algoritmo Nazionale e algoritmo
privato (a parità di database).
•
Vanno concordate delle opportune definizioni.
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Definizioni
•
Area di copertura e relativi parametri per quanto riguarda le applicazioni ai
sistemi radiomobili cellulari.
•
Struttura di base del modello di calcolo utilizzato nella previsione del valore
dell’intensità di campo.
•
Metodologia di valutazione delle perdite per diffrazione dovute alla presenza
di ostacoli lungo il cammino di propagazione (cioè all’orografia del terreno).
•
Diverse tipologie ambientali del territorio nazionale (dette classi morfologiche
o clutter ambientali) e relativi coefficienti correttivi da utilizzare nel modello.
• In questo caso non si è dovuto modificare il modello per applicarlo a
1800 MHz, ma i fattori correttivi vanno riverificati, essendo la loro
validità testata solo per 900 MHz (GSM e TACS).
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Tipi di Algoritmo
•
Esistono due tipologie fondamentali:
1.
Algoritmi di verifica e progetto preliminare:
a questi appartiene l’Algoritmo Nazionale; forniscono indicazioni
globali (area coperta da un certo numero di BS o, viceversa,
numero di BS necessario per la copertura). Non interessa che
abbiano una precisione elevata sui valori relativi ad una singola
cella, ma che l’errore sull’intera area sia non polarizzato.
2.
Algoritmi di progetto dettagliato:
Sono più precisi, in quanto la precisione va massimizzata per la
singola area di copertura, ma per ottenere tale precisione è
necessario effettuare un riallineamento dei parametri iniziali,
tramite dati sperimentali ottenuti da misure sul territorio.
Tale operazione, di tipo empirico, non è presente nel tipo 1, i cui
algoritmi si prestano così ad una verifica imparziale dei risultati.
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Modello Nazionale
•
Pertanto, in base a quanto detto, l’Algoritmo Nazionale:
– è un algoritmo di calcolo per la previsione dell’intensità di campo EM;
– è un algoritmo di verifica e non necessita di calibrazioni o aggiustamenti basati
su misure;
– minimizza l’errore percentuale rispetto all’intera area considerata, non alla
singola stazione radiobase;
•
I parametri che influenzano il campo EM in un punto sono:
•
•
•
•
distanza
altezza antenna fissa e mobile
frequenza
parametri ambientali, tra cui:
– orografia
– densità di edificazione
– vegetazione
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Algoritmo - Area di copertura (1)
•
Limitandosi ad una sola BS, l’area di copertura ad essa associata è la
zona geografica all’interno della quale è possibile instaurare una
comunicazione bidirezionale con le specifiche di qualità richieste.
•
La condizione necessaria perché ciò sia valido è che siano
contemporaneamente valide le due seguenti espressioni:
PBS " ATOT + GMS ! S MS
PMS " ATOT + GBS ! S BS
ove PBS è l’EIRP della BS, PMS la potenza trasmessa dalla MS, SBS
e SMS le sensibilità di BS e MS rispettivamente e GBS e GMS i
guadagni (di antenna della stazione radiobase e del mobile).
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Algoritmo - Area di copertura (2)
•
ETSI GSM 03.30: si considera coperta un’area se il valore della
componente lentamente variabile del segnale al suo interno supera la
sensibilità del ricevitore nel 90% dell’area stessa.
•
L’area di copertura del sistema radiomobile è poi data dall’unione, in
senso insiemistico, di tutte le aree di copertura delle BS installate sul
territorio in analisi.
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Informatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
Algoritmo – Struttura di base
•
•
Il calcolo avviene considerando il piano verticale tra trasmettitore e
ricevitore.
L’attenuazione tra antenne isotrope si riconduce a tre diversi contributi:
ATOT = ABASE + ADIFF ! FAMB
in cui:
– ABASE è l’attenuazione di spazio libero;
– ADIFF quella dovuta alle perdite di diffrazione introdotte dagli ostacoli;
– FAMB è la correzione da apportare per considerare le differenze tra
ambiente di riferimento e ambiente del quale si calcola l’attenuazione
(Fattore Correttivo Ambientale).
Dipartimento di Elettronica
Informatica e Sistemistica
Marina Barbiroli – Propagazione M
Algoritmo – Attenuazione di spazio libero (1)
•
Per il calcolo di ABASE si utilizza la formula di Hata come proposta nella
Raccomandazione ITU-R PN.529-1.
– La formula fornisce valori che possono essere considerati
rappresentativi dei valori mediani di campo prevedibili entro le aree
elementari.
– L’area di copertura viene suddivisa in pixel elementari (250 m di
lato) e si considera il valore mediano di ognuno di questi, valutando
se supera o meno la soglia prestabilita.
ABASE = 69.55 + 26.16 log( f )! 13.82 log(hebs )! a(hm )+
( )
+ [44.9 ! 6.55 log(hebs )]log d n
Dipartimento di Elettronica
Università degli
Studi di Bologna
- DEIS
Informatica
e Sistemistica
[dB]
Marina Barbiroli – Propagazione M
Valeria Petrini - Propagazione M
Algoritmo – Attenuazione di spazio libero (2)
•
hebs
L’altezza equivalente dell’antenna della BS è pari a (COST 207):
$hbs + hob % hom , hob > hom
!
= #hbs ,
hob & hom & hob + hbs
!h % h ,
hom > hob + hbs
" om ob
•
Mentre a(hm) è un fattore correttivo per l’altezza del terminale mobile
rispetto al terreno (trascurabile per valori di alcuni metri) e n è dato da:
%'1,
d " 20km
n =&
0.8
'(1 + (0.14 + 1.87# 10 $4 # f + 1.07# 10 $3 # hebs ) # [log( d / 20)] , 20km < d " 35km
Dipartimento di Elettronica
Informatica e Sistemistica
!
Marina Barbiroli – Propagazione M
Algoritmo – Attenuazione da diffrazione (1)
•
Si estraggono gli ostacoli dal profilo altimetrico (ricavato da un database
territoriale) e si correggono i valori ottenuti per considerare la curvatura terrestre.
• Si considera un raggio terrestre equivalente di 8495 km (k=4/3).
•
Il calcolo procede secondo il metodo della corda tesa (Raccomandazione ITU-R
PN.526-3) leggermente modificato:
• si identificano i punti del profilo toccati dalla corda tesa ideale;
• si riduce il numero di ostacoli raggruppando quelli separati da non più di
500 m e sostituendoli con un ostacolo equivalente;
• se il numero di ostacoli è superiore a 5 si opera una ulteriore riduzione
trascurando quelli con la minore intercetta rispetto al sottocammino
individuato dagli ostacoli precedente e successivo.
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Algoritmo – Attenuazione da diffrazione (2)
•
A questo punto si procede col calcolo dell’attenuazione con il metodo
di Epstein-Peterson (ITU-R PN.526-3).
– Ogni ostacolo è considerato perfettamente assorbente e la sua
altezza è quella ricavata dal database (indipendentemente dalla
morfologia relativa).
– Al valore ottenuto si sottrae un fattore correttivo in relazione al
numero di ostacoli residui dopo aver applicato la corda tesa.
Dipartimento di Elettronica
Informatica e Sistemistica
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Algoritmo – Fattore Correttivo Ambientale (1)
•
La valutazione di FAMB è molto delicata ed è la principale causa di errori
nella previsione del valore mediano di campo EM.
•
Per effettuare il calcolo si fa ricorso a banche dati morfologiche, che
contengono informazioni sull’utilizzo del suolo:
– nei casi più semplici viene memorizzata la percentuale di area edificata in
ciascun elemento di territorio; il vantaggio di tale approccio, oltre alla semplicità,
è la possibilità di definire un fattore correttivo che vari con continuità in funzione
della densità di edificato;
– altre banche hanno informazioni più articolate e dettagliate, come zone con
vegetazione ad alto fusto, acque interne, etc.; sulla base di tali informazioni
vengono definite un certo numero di classi morfologiche, a ciascuna delle
quali corrisponde un proprio fattore correttivo. In tal caso la discretizzazione
operata causa delle discontinuità nei valori di campo previsto, laddove si
incontrano zone di classi morfologiche diverse.
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Algoritmo – Fattore Correttivo Ambientale (2)
•
Le classi morfologiche devono descrivere correttamente e in modo
esaustivo le diverse tipologie di ambiente presenti nel territorio:
• va ridotta al minimo l’arbitrarietà di associazione di una porzione
di territorio ad una certa classe;
• lo si ottiene descrivendo le tipologie ambientali tramite dei
parametri di rapida valutazione;
• la caratterizzazione di un elemento di territorio può risentire della
dimensione stabilita del pixel.
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Marina Barbiroli – Propagazione M
•
•
Esempio di classi morfologiche
ITU-R PN. 1058: definisce un insieme di categorie di uso comune nei vari Paesi e
i relativi parametri aggiuntivi da utilizzare per caratterizzare in modo dettagliato
l’area.
Le categorie indicate nella Raccomandazione sono:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
urbano
urbano denso
industriale
suburbano
suburbano denso
centro di un villaggio
conifere
alberi misti
aree coltivate
sparso (senza caratteristiche particolari)
pianure fangose
acqua di mare
acqua dolce
I parametri da caratterizzare sono altezza degli edifici (media e massima), degli
alberi e le relative densità sul territorio considerato.
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Algoritmo - Schema a blocchi
Input
database
altimetrico
Accesso database
altimetrico
Estrazione profilo
Accesso database
morfologico
Calcolo
attenuazione di
spazio libero
database
morfologico
Calcolo fattore
correttivo
ambientale
Analisi profilo
Operazione ripetute per
ciascuna locazione del
ricevitore
Calcolo
attenuazione per
diffrazione
Calcolo campo ricevuto
Calcolo area di copertura e
presentazione risultati
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Riallineamento dei risultati
– Riallineamento basato sull’algoritmo:
• interviene sull’algoritmo di previsione moltiplicando i singoli termini per
dei coefficienti che vengono tarati in modo da ridurre il valor medio
dell’errore o l’errore quadratico medio;
• richiede che si calcoli di nuovo la copertura con i nuovi parametri, ma
non necessita di misure sull’intero territorio.
ATOT = ABASE ! C1 + ADIFF ! C2 " FAMB ! C3
– Riallineamento basato sulle coperture calcolate:
• è possibile adattare i valori previsti alle misure effettuate, minimizzando
gli scostamenti esistenti;
• richiede necessariamente misure estese a tutta l’area interessata.
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Algoritmo – Precisione (1)
•
È condizionata dalla risoluzione (pixel 250 m x 250 m) e dalla
precisione del database.
•
La discretizzazione del territorio deve possedere scostamenti tra dati
reali e dati memorizzati (sempre considerando i pixel elementi di
territorio) tali che:
punti con "q > 250m = 0%
valor medio "q < 12m
valor medio "q < 18m
punti con "q < 40m ! > 60%
punti con "q > 95m ! < 1%
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Algoritmo – Precisione (2)
•
Per la precisione in uscita, invece, si può dire che l’errore quadratico
medio atteso tra valori previsti e valori reali, con un numero limitato di
tipologie ambientali può giungere fino a circa 10 dB.
– Per ridurre questo valore sarebbe necessario dare descrizioni morfologiche più
dettagliate, con una conseguente maggiore complessità del database.
•
Si tenga presente comunque che l’errore medio delle previsioni tende
statisticamente ad annullarsi.
– Ciò comporta che lo scostamento tra l’area di copertura prevista e quella reale
potrà essere significativo solo per una BS, ma tende ad annullarsi al crescere
del numero di trasmettitori (ovvero del numero di osservazioni effettuate).
– In particolare se le osservazioni sono n, l’incertezza si riduce
proporzionalmente a n2.
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Principali cause d’errore nella previsione
•
Errori nelle basi di dati territoriali.
•
Errori nell’algoritmo di previsione:
– approssimazione bidimensionale
– curve di propagazione inadeguate
– discretizzazione del profilo
– inadeguatezza degli algoritmi per il calcolo della diffrazione
– nessun uso delle informazioni morfologiche lungo il percorso
– discretizzazione delle classi morfologiche
•
Errori nella descrizione delle caratteristiche delle antenne.
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