(Chap10) Cellular Wireless Networks

Cellular networks

• Split a large service area (A) into many small areas (cells)
• Reuse the frequency bandwidth (channel) in two or more cells that are apart using many low-power short-range base stations.

Goal of cellular networks is to increase capacity and coverage

• Capacity : the number of channels (Mobile Users (MU) or Mobile Stations) used at the same time in A

1. The number of clusters (Ncs) X given resource (K)
2. The number of channels (users) per cell(=K/N) X total number of cells in A (Ncell)

• Coverage : service area with a given capacity

 

Why is a hexagonal cell better than a square cell?

 

• Every pair of two adjacent BS (or BTS) has the same distance and thus it is easy to estimate to which cell a MU is moving.
• Hexagonal is similar to a circle which is good for achieving a full range in a service area while minimizing the overlap of antenna power.

If we reduce D(reuse distance) keeping R(cell radius) the same in a certain cellular network, then what will happen to the capacity of the network? How about CCI?

• The Number of cells in a cluster (cluster size or N) decreases.
• It means there are more clusters in the service area and the capacity gets higher.
• In other words, the number of channels per cell increases and the capacity grows (R이 고정되었다고 했으므로 서비스 영역 A 안의 총 cell의 개수는 변함없음).
• However, the probability of CCI also gets higher due to reduced reuse distance (D).
• Thus, the antenna power and height should be adjusted lower.

If we reduce R(cell radius) keeping N(cluster size) the same in a certain cellular network, then what will happen to the capacity of the network? How about CCI? 

• The number of channels assigned per cell is not changed since N is fixed.
• The total number of cell in the service area, A increases. Thus the capacity grows. 
• In other words, the number of clusters increase since R decreases.
• However, the probability of CCI gets increased since D(reuse distance) reduces. 
• Thus, the antenna power and height should be adjusted lower.

Cell splitting vs. cell sectoring

 

• Cell splitting is to reduce R and increase the number of cells in the given (congested) area and consequently capacity rises.
• Cell sectoring is to reduce CCI and increase SIR and consequently capacity rises by increasing the number of clusters.
• Cell splitting and sectoring both require more antennas and handoffs.
• Cell splitting은 BS 개수가 늘어나므로 공공장소에 사설 장비(BS)를 세우는 승인 비용이 추가됨. 반면, Cell sectoring은 BS의 개수가 늘어나는 것은 아님.
• Cell sectoring은 기존의 하나의 셀에서 사용할 수 있는 channel을 세부적으로 (sector cell에) 나눠서 할당하므로 trunking efficiency 가 줄어듬

 

 

1. Trunking efficiency :  a measure of the number of users that can be offered a network access at the same time by sharing at a set of channels.

Cell types

• Macro call : R=  ~ 25 km (~수천명), H= ~ 50m or 50m~ (tower)
• Micro cell : R= ~ 2 km (~수백명), H= ~ 15m (아파트 6,7층 높이)
• Pico cell : R= ~ 200m (~수십명), H= ~ 6m (실내외벽)
• Femto cell : R= ~ 10m  (~10명), H= 1 ~ 2m (공유기 크기)
• Pico/Femto cell 같은 소형 셀들은 (실내에서) 음영지역을 없애는 목적 혹은 hot spot에서 트래픽을 분산시켜 data rate을 높이는 목적으로 사용됨.

 

Component of 2G cellular network: BTS -- BSC -- MTSO(MSC)

• BTS는 채널 할당을 하지 않음 (채널 할당은 MSC 혹은 BSC가 함)
• BSC는 MSC를 도와주는 역할로 가장 큰 효과는 작은 용량의 다중 링크를 큰 용량의 적은 개수의 링크로 통합하는 효과가 있음.

Change of Cellular network Architecture

• BTS (1G, 2G), = NodeB (3G) = eNB (4G) = GNodeB (5G) 
• 4G 망 부터 Packet switching과 Circuit switching으로 연결되는 cellular network이 통합됨.
• What steps are performed in a call between 2 mobile units (MU_S 가 MU_D에게 전화) in 2G GSM?

1. MU_S가 broadcast control channel을 통해 주변 BTS들 중 한 개의 (가장 신호 강도가 높은) BTS 와 연결된 후, MTSO 로부터 가입자 인증 및 현 위치 update를 한다.
2. MU_S가 자신이 속한 셀에서 free한 dedicated control channel 이 있는지 확인하고 없으면 대기한다.
3. MU_S가 dedicated control channel 을 통해 BTS에게 MU_D의 번호를 전송하고 그 BTS는 MU_D의 번호를 MTSO에게 전달한다.
4. MTSO 가 MU_D의 번호를 기반으로 라우팅을 수행한다.
5. 현재 위치의 MU_D 가 속한 MTSO가 자신이 관할하는 모든 BTS들에게 paging한다.
6. BTS 가 MU_D에게 common control channel을 통해 paging 신호를 보낸다.
7. Common control channel을 listen하고 있던 MU_D가 paging 신호를 받고 자신의 번호를 확인한후 BTS에게 응답하면 그 BTS가 자신의 상위 MTSO에게 MU_D의 paging 응답을 전달한다.
8. MU_D를 관할하는 MTSO 와 MU_S를 관할하는 MTSO 사이의 circuit이 할당되고, MU_S, MU_D 각각이 사용할 traffic channel 이 할당된다.
9. 양쪽 BTS 들은 MTSO가 할당한 traffic channel을 MU_S와 MU_D에게 알려(nofity)준다.
10. MU_S와 MU_D는 BTS가 알려준 채널로 맞춰 통신을 시작한다.

There are control/traffic channels used between MU and BTS for control and data traffic.

• 각 BTS 마다 서로다른 Broadcast / Common / Dedicated control channel을 사용.
• Broadcast control channel : 해당 cell 안의 MU들이 공유하는 채널, simplex 통신 (BTS-->MUs).
• Common control channel : 해당 cell 안의 MU들이 공유하는 채널, half duplex (BTS --> MUs or MU --> BTS)
• Dedicated control channel : BTS와 MU 사이에 1:1 채널, full duplex 통신 (BTS <--> MU)
• Traffic channel 은 통화를 위한 full duplex 데이터 채널; MTSO(혹은 BSC)가 관리/할당하며 BTS를 통해 MU 에게 전달됨.

Handover (or Handoff) in cellular networks

• Why is handoff (HO) needed ?

1. 이동 중인 MU 에게 끊김없는 통신을 제공하기 위해
2.  ISP 가 capacity를 높일  목적으로 콜이 붐비는 cell에서 덜 붐비는 cell로 이동시킬 때 (load balancing)

• Inter-cell / Inter-BSC / Inter-MSC HO
• Intra-cell handover : 특정 주파수가 (외부환경 등 다양한 이유로) 노이즈로 간섭이 심할때 혹은 효과적인 채널 사용을 위해 한 cell 안에서 기사용 중인 채널을 변경하는 inter-frequency handover.