Ingénierie et concept cellulaire - Sylvain...

Chapitre 6

Ingnierie et concept cellulaire

Lingnierie radiolectrique dun rseau est sans doute lune des tches les plus importantes et les plus sensibles rencontres lors du dploiement dun systme cellulaire. Elle conditionne de faon importante la qualit de service offert aux utilisa- teurs. Loprateur doit dabord assurer une couverture en fonction de ses objectifs. Quels types de terminaux veut-il privilgier, portatifs ou tlphones de voiture de forte puissance ? Veut-il couvrir lintrieur des btiments ou seulement les rues ? En fonction des rponses, il fait un bilan de liaison pour en dterminer les paramtres fondamentaux (puissances, taille des cellules, types dantennes, seuils ding- nierie.. .).

Pour optimiser lutilisation des ressources radio alloues au service mobile et permettre une densit maximale dusagers par unit de surface, il doit rutiliser les mmes frquences sur des sites distants. Le concept cellulaire permet, thoriquement, datteindre des capacits illimites en densifiant le rseau des stations de base. Pour un dploiement fix, la rutilisation de frquences est limite par le rapport C/Z (Carrier/Znterference ou rapport porteuse/interfrences). Il faut donc trouver un compromis entre ce rapport (pour garder une qualit de service minimum pour tous les usagers) et la capacit du systme (pour que le systme implant soit conomi- quement viable pour loprateur).

Diffrentes mthodes sont disponibles dans GSM pour optimiser lusage de la ressource radio : le saut de frquence, le contrle de puissance et la transmission discontinue permettent de mieux rutiliser les ressources radio.

6.1. Schma gnral dune liaison radiomobile

6.1.1. Prsentation

On considre une liaison radio qui permet un terminal mobile de recevoir un signal mis par la station de base. Cette liaison comprend les principaux lments reprsents dans la figure 6.1.

130 Rseaux GSM

- Un des metteurs de la station de base gnre une onde lectromagntique

- Un > permet de superposer les ondes produites par les diffrents

- Un cble transmet les ondes produites et se comporte comme un guide dondes. - Un

Ingnierie et concept cellulaire 13 1

Chaque lment de ce schma de liaison introduit des pertes : seule une fraction de la puissance arrive lquipement suivant.

De faon classique, les puissances et les pertes sont exprimes en dB. Dans cette partie (de 6.1 6.3), nous utiliserons de prfrence les lettres minuscules pour rf- rencer les valeurs exprimes en chelles linaires et les lettres majuscules pour les grandeurs en dB ; ainsi A=lOLog(a) o Log est le logarithme en base 10. Les nota- tions classiques C A et EJNo sont cependant conserves : elles sont mixtes. Le rapport c/I exprim en dB correspondrait bien sr lOLog(cli) et non lOLog(c)llOLog(i) si c et i sont les valeurs en linaire (non utiliss dans ce qui suit).

Lensemble des pertes est alors la somme de la perte introduite par chaque qui- pement. Pour les antennes, il sagit plutt dun gain que nous dfinirons au para- graphe 6.2.1.1. Lquation gnrale liant la puissance reue P, par la station mobile en fonction de la puissance mise P, par la station de base est :

P, = P, - L,b - L, - Ld + Gb - L + G, - L,, (6.1) o L,b, L, et Ld sont les pertes respectives introduites par le cble de la station de

base, le coupleur mission et le duplexeur ; Gb et G, dsignent le gain des antennes station de base et mobile, L lattnuation dans lespace et L,, est la perte due au cble dans le mobile.

6.1.2. Sensibilit dun rcepteur

Un metteur est caractris par sa puissance, un rcepteur par sa sensibilit. Pour assurer une rception correcte, le rapport signalhuit C/N du signal, mesur un certain point de ltage de rception (aprs dmodulation), doit tre suprieur un seuil donn. Ce rapport sexprime frquemment comme un rapport dnergie EJNo o le paramtre E, est lnergie dun bit transmis, appel quelquefois > S est le niveau de puissance minimale C pour lequel le rapport EJNo est suprieur au seuil de fonctionnement. Dans une chelle logarithmique on a donc :

132 Rseaux GSM

Dans le cas du systme GSM, le seuil Ec/No est de 8 dB en prsence dvanouissement slectif (fading). La largeur de la modulation est de 271 kHz, ce qui donne un bruit thermique de 1,l 10-l2 mW soit -120 dBm 290 K.

Outre le bruit thermique, le premier tage damplification de puissance dans le dispositif de rception augmente le bruit dun facteur typique de 8 10 dB. En considrant une valeur de 10 dB, on obtient un bruit de fond de -110 dBm et une sensibilit minimale de -102 dBm pour un portatif. Des contraintes diffrentes sur les facteurs de bruit des stations de bases expliquent les diffrentes sensibilits minimales exiges par les recommandations (cf. chapitre 3). Les constructeurs peuvent videmment concevoir des matriels ayant une meilleure sensibilit mais loprateur doit toujours prvoir son rseau pour des mobiles respectant la norme au plus juste.

6.1.3. Attnuations apportes par les cbles et les coupleurs

Un cble introduit une attnuation proportionnelle sa longueur et fonction de ses caractristiques physiques (son diamtre). Dans les stations de base, les valeurs typiques se situent entre 2 et 3 dB par centaine de mtres.

Diffrents types de couplage dmission existent. Les couplages hybrides apportent une perte de 3 dB chaque couplage de deux voies (pour 8 voies, on a donc 9 dB de perte). Les couplages par cavit limitent les pertes mais sont plus encom- brants et imposent des contraintes supplmentaires : cart minimal entre les frquences utilises, accord fin sur les frquences. Aujourdhui, il est possible de raliser cet accord distance par

Ingnierie et concept cellulaire 133

Ces deux dernires classes de paramtres dfinissent la faon dont lantenne rayonne dans les diffrentes directions ; elles sont particulirement importantes.

6.2.1. Antenne en mission

6.2.1.1. Gain et diagramme de rayonnement

Une antenne produit un champ lectromagntique dinduction et de rayonnement. Aux distances habituellement considres, seul le champ rayonnant subsiste. Il est compos dun champ lectrique 2 et un champ magntique h orthogonal z. La densit de puis_sance transporte par unit de surface sexprime par le vecteur de Poynting 2 A h .

On caractrise une antenne en comparant son rayonnement par rapport une antenne de rfrence. La rfrence classique est une antenne isotrope idale qui rayonne de la mme faon dans toutes les directions, bien quune telle antenne soit irralisable dans la pratique. Une antenne particulire est dfinie par deux principales caractristiques :

- le rapport entre la puissance maximale rayonne (qui correspond une direction privilgie) et la puissance rayonne par lantenne isotrope de rfrence alimente par la mme nergie, appel > de lantenne,

- lvolution du rapport entre la puissance rayonne dans une direction et la puissance maximale, appele > ou c diagramme de directivit .

Le gain de lantenne est exprim en dB mais, pour signifier que lantenne de rfrence utilise est isotrope, il est dusage de parler de dBi (pour dB isotrope). Plus lantenne est directive, plus le rayonnement est concentr dans une direction et, par consquent, plus le gain est fort.

Un diagramme de rayonnement correspond une surface dans lespace. Pour simplifier les reprsentations, on indique la coupe du diagramme suivant un plan vertical et suivant un plan horizontal conformment aux coordonnes polaires classiques 8 et 4. Les angles 8 et 41 sont couramment appels azimut et lvation (cf. figure 6.2). Un exemple de diagramme de rayonnement est donn la figure 6.3.

/ azimut

Figure 6.2. Azimut et lvation

134 Rseaux GSM

Le diagramme de rayonnement permet de dterminer louverture 3 dB, cest-- dire langle lintrieur duquel la puissance est attnue dau plus 3 dB par rapport la direction principale dans le plan considr. De faon trs synthtique, il est possible de caractriser une antenne par louverture 3 dB, louverture 10 dB et le rapport avant-arrire, cest--dire le rapport en dB entre la puissance rayonne dans la direction oppose la direction principale et la puissance rayonne dans la direction principale.

dB dB

Diagramme horizontal Diagramme vertical ( variable,@ =n/2+tilt) (=O,$ variable)

Les cercles sont gradus en dB. Lantenne reprsente possde une ouverture horizontale de 65 3 dB, de 120 rapport avant-arrire suprieur 25 dB. Lantenne prsente un tilt lectrique de 6 (voir 6.2.1.4).

10 dB et un

Source : daprs catalogue Kathrein, antenne no 732691

Figure 6.3. Diagramme de rayonnement

6.2.1.2. Puissance Isotrope Rayonne Equivalente

La puissance rayonne par une antenne est appele > (PIRE) ou Eflective Isotropic Radiated Power (EIRP). Elle correspond la puissance quil faudrait fournir une antenne isotrope pour obtenir le mme champ la mme distance [RGS 921.

Pour dterminer la puissance rayonne PE(,$) dans une direction dfinie par ( O , @ ) , on dcompose le calcul en deux tapes en utilisant les paramtres prcdents.

- On considre une antenne isotrope fictive dont le gain G est celui de lantenne tudie.

- On applique une perte supplmentaire Lr(,@) dans la direction considre en utilisant le diagramme de rayonnement donn par le constructeur.


La PIRE est donc donne en dB par :

o P est la puissance fournie lentre de lantenne. PE(8, $1 = p + G - Lr(8, 0)

Pour tudier la porte dune station de base, on considre la direction principale de lantenne o le rayonnement est maximal (Le. L,(8, 0) = O dB). En labsence de prcision explicite (ce qui est le plus souvent le cas), la PIRE est donc :

P E = P + G . (6.3)

Soit, par exemple, une antenne de gain 16 dBi et de diagramme de rayonnement conforme la figure 6.3, et un metteur de 2 W suppos branch sans perte sur lantenne. Il fournit ainsi une puissance de 33 dBm. La PIRE est donc de 33 + 16 = 49 dBm. Dans une direction de 32,5 par rapport lazimut, la puissance rayonne est de 46 dBm suivant le diagramme reprsent.

6.2.1.3. Cas du diple lmentaire

Lantenne la plus simple raliser consiste en un conducteur de longueur dl, plac verticalement, appel (PAR) ou EfSective Radiated Power (ERP). Le gain est exprim en dBd (d pour diple). Le gain en dBd est li au gain en dBi par :

GaindBd = GaindBi - 2,15 dB.

La PAR se dduit donc simplement de la PIRE : PAR = PIRE - 215 dB.

Il est plus facile de raisonner en PIRE quen PAR. Dans tout le chapitre, tous les gains sont exprims en dBi et tous les raisonnements se font en utilisant la PIRE.

6.2.1.4. Antennes des terminaux GSM/DCS

Les antennes des mobiles et des portatifs sont gnralement des diples de longueur h/4 appels

136 Rseaux GSM

horizontal, les antennes sont omnidirectionnelles. Le gain thorique est alors de 3 dBd soit 515 dBi. En pratique le support nest pas un rflecteur parfait et le gain considr est O dBi la fois pour les portatifs et pour les antennes sur vhicules [RGS 921.

Pour les antennes montes sur un vhicule, il est possible de disposer dantennes colinaires constitues de deux brins h/2 qui prsentent un gain typique de 5 dBi. Ces antennes sont dites


Les antennes sont en gnral adaptes une bande de frquence particulire. Il existe cependant des antennes dintrieur multi-bandes qui peuvent tre utilises la fois pour GSM 900 et pour DCS 1800.

6.2.2. Antenne en rception

Une antenne de rception recueille lnergie dune onde lectromagntique plane incidente pour alimenter une ligne aboutissant au rcepteur. La puissance recueillie est proportionnelle la densit surfacique de puissance au point de lantenne avec un coefficient appel > (et parfois >). Par dfinition, on a donc :

p y = s a(e40 (6.4) i

avec 3: = 2 A h le vecteur de Poynting des champs lectriques et magntiques et @,$) les angles dincidence de londe.

Une antenne est donc caractrise par son gain en mission et son aire quivalente en rception. La mme antenne peut tre utilise soit lmission soit la rception. Gain g et aire quivalente a sont lis, daprs le principe de rciprocit de llectromagntisme, par la relation suivante que nous admettons [EYR 731 :

(6.5) g(,$) / a(,$) = 4n; 1 h2 o h est la longueur de londe rayonne.

Lantenne isotrope de rfrence a un gain g=1 et donc une aire quivalente a=h214n;.

6.2.3. Propagation en espace libre

Etudions dabord lantenne isotrope branche sur un metteur dune puissance p crant une onde sphrique dans le vide complet. Lensemble de lnergie mise serait rcupr par une sphre centre autour de lmetteur. La densit surfacique s de puissance une distance d est donne par :

s = pl(4n;d2). (6.6)

La puissance p y capte par lantenne isotrope de rfrence se dduit de (6.4) et (6.5) :

2 P -s -=P(&) h2 4n; r -

Cette quation permet de calculer la puissance reue en fonction de la puissance mise et de la distance entre les antennes isotropes.

Si on considre deux antennes de gain respectif g, et g r diriges de faon prsenter le gain maximal, la puissance reue par lantenne de rception peut tre calcule par le mme raisonnement (c tant la vitesse de la lumire) :

138 Rseaux GSM

Dans cette quation de propagation dans le vide, le dnominateur est indpendant des antennes et correspond un affaiblissement fonction de la distance seule pourf fix. Dans le cas dune propagation dans un milieu comportant des obstacles et des rflecteurs, on essaye de se ramener une formule similaire avec un facteur dattnuation 1, obtenue partir de formules empiriques :

Pr = Pg,g$l* (6.9)

Le facteur 1 dpend de paramtres plus ou moins nombreux suivant la sophistication du modle de propagation utilis. On fait de plus lhypothse que le rayonnement des antennes nest pas perturb par lenvironnement.

Lquation (6.9) peut sexprimer en dB et devient : P r = P + G e + G r -L .

Pour la propagation dans le vide, on peut calculer partir de (6.8) :

avec d exprim en km etfen MHz. L = 324 + 20Logo + 2OLog(d) (6.

Pour que cette quation de propagation dans le vide soit applicable, il est ncessaire non seulement quil ny ait aucun obstacle sur le segment de droite reliant lmetteur situ au point A au rcepteur situ au point B, mais il faut un environnement dgag. Plus prcisment, il faut que lellipsode dont les points focaux sont A et B et dont le


Le signal est donc affect par de nombreuses distorsions possibles : - de frquence (effet Doppler : mouvement des metteurs-rcepteurs et des

- damplitude (vanouissement de Rayleigh ou fading d aux trajets multiples), - de phase (dispersion des temps de propagation sur les trajets multiples).

diffrents rflecteurs),

Ces phnomnes sont dterministes si les diffrents trajets sont bien identifis. Cependant, ils fluctuent dans le temps et dpendent dune multitude de paramtres qui ne sont pas matrisables : lenvironnement urbain volue (construction ou destructions dimmeubles), les vhicules et les personnes en dplacement ont galement une influence, de mme que les saisons et les feuilles mortes qui se ramassent la pelle.. . Il nest donc pas possible, connaissant la place et la puissance de lmetteur, de prdire avec prcision le niveau de champ reu en un point donn. Les quations de propagation utilisent donc des lois de probabilit pour intgrer une incertitude sur les prdictions.

6.3.1. Modle gnral trois tages

Dans les cas les plus courants, le rcepteur et lmetteur ne sont pas en visibilit directe. On approxime frquemment lattnuation du canal par un modle 3 tages : une attnuation mdiane due la distance, un terme alatoire prenant en compte les effets de masque (prsence dobstacles) et un autre terme alatoire dcrivant les vanouissements.

Lattnuation 1, exprime comme un rapport de puissance, scrit alors : 1

= [-)asaf Pl(fd) (6.12)

Affaiblissement de parcours

Lattnuation mdiane pl est appele affaiblissement de parcours ou Path Loss. Elle est fonction de la frquence et de la distance. Pour une gamme de frquence donne, le facteur pl est proportionnel dyavec y=3,5.

Effet de masque

Leffet de masque as est modlis une loi log-normale (en dB, la loi est donc normale). Il reprsente une variation sur les conditions de propagation, tantt favorable (par exemple visibilit directe), tantt dfavorable (par exemple lors de la prsence dun obstacle important entre lmetteur et le rcepteur). En environnement urbain, lcart type de la loi a une valeur typique de 6 dB. En rsum, la fonction de rpartition de as exprim en dB est donne par :

220du avec (r = 6 dB et A, = 10Log(a,) P(A, > xdB) = ___ e- (6.13) l M O L i .y

140 Rseaux GSM

Evanouissement

Lvanouissement est d la rception simultane de signaux damplitudes alatoires et de phase alatoire correspondant aux diffrents trajets dun mme signal. Lenveloppe v du signal reu (i.e. lamplitude du champ) est modlise par une loi de Rayleigh :

P(v < x) = 1-e -x2n4vm2 avec v, la valeur moyenne de v. (6.14)

De ce fait, lvanouissement est appel couramment vanouissement de Rayleigh, fading de Rayleigh ou bien vanouissement rapide. Si la largeur de bande du canal utile est infrieure la bande de cohrence du canal de propagation alors lvanouissement est plat, sinon il est slectif. Le coefficient a exprim comme un rapport de puissance, vrifie une loi exponentielle [PAR 921. f

Lvanouissement slectif peut conduire des variations du signal reu de lordre de plusieurs dizaines de dB et dpend de multiples facteurs tels que la modulation utilise, la vitesse du mobile.. . En gnral, son effet est attnu par lutilisation de la diversit despace ou de frquence, le codage de canal et lentrelacement. Lors des prvisions de couverture, lvanouissement nest pas analys en dtail par les modles statistiques de propagation. Il est pris en compte en ajoutant une marge aux niveaux de champs ncessaires.

6.3.2. Modles macrocellulaires

A partir de nombreuses mesures effectues dans les environs de Tokyo diffrentes frquences, Y. Okumura a calcul laffaiblissement mdian en fonction de la distance et en a dduit des graphiques permettant des prvisions en fonction de divers paramtres [OKU 681. M. Hata a tabli, partir de ces courbes, des formules empiriques qui ont t reprises dans le rapport 567-4 du CCIR [HATA 801. Ces formules ont t compltes par le COST 23 1 (european COoperation in the field of Scientific and Technical research, ensemble de comits runissant des constructeurs et oprateurs europens travaillant sur des questions spcifiques parmi lesquels le 231 tudie la propagation). Ce modle est souvent dsign sous le terme de formule dokumura-Hata et sert de base une grande varit de modles plus affins.

Les modles de Hata et du COST 231-Hata sappliquent pour des tailles de cellules relativement grandes (de rayon suprieur ou gal 1 km) et surtout lorsque lantenne de la station de base est situe au-dessus des niveaux des toits avoisinants.

Les conditions dapplications du modle sont les suivantes : - hauteur de lantenne de la station de base hb (en mtres) comprise entre 30 et

- hauteur de lantenne du mobile h, (en mtres) comprise entre 1 et 10 m, - distance entre le mobile et la station de base d (en kilomtres) entre 1 et 20 km, - frquence exprime en MHz.

200 m,


6.3.2.1. Modle de Hata

Le modle de Hata sapplique aux frquences comprises entre 150 et 1 O00 MHz. En milieu urbain, laffaiblissement en dB appel ici Lu est donn par

Lu = 6955 + 26,16Log(f) - 13,82Log(hb) - ~(h , ) + [ 44,9-6,5 5L0g( hb)] Log( d) . (6.15)

Le paramtre a(h,) est un facteur de correction dpendant de la hauteur de

a(h,) = [ 1,l LogV)-0,7]h, - [ 156 LogV)-O,8] pour une ville de taille moyenne, u(h,) = 32 [Log(11,75 h,)I2 - 4,97 pour une grande ville (et au-dessus de 400 MHz).

lantenne de la station mobile et de lenvironnement dont la valeur est :

Dans le cas dun utilisateur au sol, cest--dire pour une hauteur de 15 m, le coefficient u(h,) est tout fait ngligeable.

En milieu suburbain, laffaiblissement L,, exprim en dB est donn en appliquant

L,, = Lu - 2 [LogCf/28)l2 - 5,4. (6.16) la formule du milieu urbain (6.15) affecte dune correction :

En milieu rural, on distingue le cas o lenvironnement est totalement dgag comme dans un dsert (affaiblissement Lyo) ou bien semi-dgag comme dans une campagne sympathique (Lyqo) :

L,= Lu - 4,78 [LogV)I2 + 1833 Log@ - 40,94 Lyqo= Lu - 4,78 [LogV)12 + 18,33 L o g o - 3594.

(6.17) (6.18)

6.3.2.2. Modle COST 231 -Hutu

Le modle COST 231-Hata sapplique aux frquences comprises entre 1 500 et 2 O00 MHz. En milieu urbain, laffaiblissement Lu exprim en dB est donn par

Lu = 4633 + 339 Log@ - 13,82 Log(hb) - ~ ( h , ) + [44,9 - 655 Log(hb)] Log(d) + Cm (6.19)

avec u(h,) = [ 1,l LogV)-0,7]h, - [ 1,56 Log(f)-O,8] pour une ville de taille moyenne, Cm = O dB pour les villes de taille moyenne et les banlieues, C, = 3 dB pour les grands centres mtropolitains.

Les corrections donnes par 6.17 et 6.18 peuvent tre appliques a la formule 6.19 pour la propagation en milieu rural.

Le tableau 6.4 illustre lapplication des formules prcdentes dans le cas de GSM et de DCS 1800 pour une antenne mobile 15 m.

142 Rseaux GSM

Environnement

Hauteur antenne BS

Attnuation 925 MHz

Attnuation 1795 MHz

Rural dgag Rural semi-dgag Urbain (ville moyenne)

1 O0 1 O0 50

90,9 + 31,8Log(d) 95,9 + 31,8Log(d) 123,6 + 33,8Log(d)

970 + 31,8Log(d) 102,O + 31,8Log(d) 133,l + 33,8Log(d)

La distance d est exprime en kilomtres. Les frquences choisies correspondent au milieu de la bande de chaque systme. Laffaiblissement est donc plus fort denviron 6 dB lorsquon passe de 900 MHz 1 800 MHz en milieu rural et de 10 dB en milieu urbain.

Figure 6.4. Aflaiblissement moyen en fonction de la distance

6.3.2.3. Modle de Walfish-Ikegami

Les formules dokumura-Hata sappliquent pour des distances suprieures 1 km. Le modle de Walfish-Ikegami repris par le COST 231 est valide, pour des distances suprieures 20 m, lorsque lantenne de station de base est situe au-dessus du toit mais ct de btiments plus levs [LAG 001. Il permet destimer laffaiblissement de parcours en fonction de multiples paramtres : largeur des rues, hauteur et longueur des immeubles entre deux rues, angle de la rue par rapport au trajet direct, etc. (cf. [GSM 03.301).

6.3.3. Modle microcellulaire

En milieu urbain, lorsque lantenne de la station de base est situe en dessous du niveau des toits et que les puissances dmission sont faibles, la zone couverte est appele 002 km. Elle est pertinente pour des frquences de 800 2 O00 MHz, une antenne mobile

entre 1 et 3 m et une antenne de station de base entre 4 et 50 m.

Un modle simple, lorsque le mobile ne se trouve plus dans la mme rue que la station de base consiste considrer que les ondes se propagent le long des rues comme dans un guide donde, et compter la distance suivant les rues. Il est possible dutiliser alors la formule 6.20 et dajouter 20 dB de perte supplmentaire par coin de rue. De nombreux autres modles microcellulaires plus sophistiqus existent.


6.3.4. Propagation a 1 intrieur des btiments

Lattnuation supplmentaire apporte par la N traverse >> de btiment dpend de la nature des murs (brique, btons arms, etc.) et de leur paisseur. Des mesures ont t faites a 900 MHz et 1 800 MHz dans des conditions diffrentes par des quipes diffrentes. Les rsultats sont divers et varis (voir [AGU 941, [GAH 941, [TAN 931 et [COST 2311). Il ny a pas dtude publique disponible permettant une relle comparaison.

Il est cependant possible de souligner les phnomnes gnraux suivants : - la pntration dune onde nest pas possible lorsque lpaisseur de lobstacle est

- une onde pntre via une ouverture dont la taille est au moins de lordre de la

- les phnomnes dvanouissement sont beaucoup plus svres lintrieur des

bien suprieure la longueur donde,

longueur donde,

btiments.

Plus la frquence est haute, moins la pntration (par rfraction) est importante et par consquent plus les rflexions sont grandes. Leffet guide donde est donc plus important 1800 MHz qu 900 MHz et peut avoir tendance favoriser la propagation lintrieur dun btiment. Cependant, si lmetteur est lextrieur du btiment, la bande des 900 MHz est favorise grce une pntration plus facile.

Des tudes 900 MHz font apparatre une perte supplmentaire de 12 dB moins de 1 mtre dune fentre et une perte moyenne de 18 dB lintrieur des btiments avec des variations allant de - 8 dB 37 dB. Des tudes 1800 MHz font apparatre des pertes de 12 17 dB avec une valeur typique de 15 dB pour des btiments en bton.

En conclusion, il est difficile de dire avec certitude quune gamme de frquence est plus adapte que lautre la couverture de lintrieur des btiments avec des stations de base extrieures.

6.3.5. Analyse des lois de propagation

Les diffrentes lois de propagation font apparatre un affaiblissement de parcours en lldy o y varie de 2 (espace libre) prs de 4 dans un environnement urbain dense [MAL 901. Elles induisent donc des trs grandes dynamiques. Par exemple, un mobile GSM 900 subira une attnuation denviron 96 dB 1 km de la station de base et de 137 dB 20 km. La diffrence denviron 40 dB signifie que, puissance dmission gale, un mobile 1 km de la station de base reoit une nergie 10 O00 fois suprieure celle reue 20 km.

Un affaiblissement typique supportable dans G S M D C S est de 143 dB. Un tel affaiblissement correspond, daprs le tableau 6.4, une porte de 30 km en zone male semi-dgage pour GSM 900 et 20 km pour DCS 1800. Ladaptation de

144 Rseaux GSM

GSM 1 800 MHz provoque une rduction de porte, dfavorable aux couvertures des zones rurales. Cest pourquoi DCS 1800 est plus cibl pour les systmes urbains.

Les hautes frquences sont dfavorises de la mme faon en milieu urbain micro-cellulaire. Daprs lquation 6.16, un mobile GSM 900, une distance de 500 mtres de lantenne dmission, subit une attnuation de 94 dB. En DCS 1800, la mme attnuation se produit une distance de 300 mtres. Ceci nest cependant pas rellement pnalisant lorsque lenjeu est la capacit (la charge couler) et non la couverture et quon utilise des petites cellules. De plus, pour un mme gain, les antennes sont plus petites 1800 MHz. Il est donc possible de compenser le supplment dattnuation 1 800 MHz par lutilisation dantenne fort gain. Cependant, plus le gain est fort, moins louverture verticale est importante. Il y a donc une limite laugmentation du gain si lon veut conserver une bonne couverture de la cellule. La limite de gain est du mme ordre pour 900 et 1 800 MHz.

6.4. Prvision de couverture et quilibrage de liaison

Loprateur doit dabord choisir les sites sur lesquels placer les stations de base. Le choix se fait en fonction des prvisions de propagation mais aussi en fonction de contraintes administratives ou autres (disponibilit de toits et cot de location des emplacements !).

6.4.. Rappel sur les relations entre champ lectrique et puissance

Les outils de prdiction de couverture permettent, partir dune localisation de la station de base, de la PIRE et du diagramme de rayonnement, de calculer le champ lectrique en un point. Ils utilisent pour cela des modles de propagation sophistiqus. En toute rigueur, il nest pas possible de calculer la puissance reue par un mobile car celle-ci dpend de lantenne utilise. Les niveaux de champs sont frquemment exprims en dBpV/m. Il est utile de rappeler les relations entre champs, niveau de tension et puissances et de donner quelques formules simples de transformation pour 1 antenne isotrope.

Rappelons dabord que le dB permet dexprimer laccroissement (ou la rduction) de niveau par rapport un niveau de rfrence implicite suivant une chelle logarithmique. En rfrence une unit u de puissance, une valeur de X dBu quivaut lduiO u. Pour une unit v de tension, une valeur de X dBv quivaut l d V 2 O v. De cette faon un accroissement de tension de N dB provoque un accroissement de puissance de N dB.

Les niveaux de rfrences classiques en contexte radiomobile sont 1 mW ou 1 W pour les puissances, 1 pV pour les tensions et 1 pV / m pour les champs. On a donc, pour une puissance p exprime en W, des niveaux respectifs P exprim en dBm et P exprim en dBW :

A

,

9


P = 10 Log (p/l) P = 10 Log (pl0,OOl) = P + 30.

(6.21) (6.22)

Un niveau V exprim en dBpV est li une tension v exprime en Volts: v = 20 Log (v/10-6) = 20 Log(v) + 120. (6.23) On sait quune tension (efficace) v applique aux bornes dune impdance z

p = v * / z (6.24) produit une puissance p telle que :

Il est donc possible de relier les niveaux de puissance aux niveaux de tension si limpdance utilise est connue. Suivant le contexte, cette impdance varie : elle est de 600 SZ en tlphonie mais gnralement de 50 SZ en radio. On peut dduire de (6.24) et (6.23) la relation (pour une rfrence de 50 SZ) :

(6.25) V= P + 107 o Vest en dBpV et P en dBm

Le champ lectrique est li au champ magntique , dans le vide ou lair, par la

e / h = 120n; (6.26) relation suivante dduite des quations de Maxwell [VAS 801 :

La valeur 12On; reprsente limpdance donde du vide (la valeur 71; na pas ici de signification gomtrique). Les deux vecteurs sont orthogonaux loin de lantenne d mis sion.

Soit une antenne de gain g r captant une onde lectromagntique, la puissance p reue est donne par lgalit suivante dduite de (6.26) (6.4) et (6.5) :

?L2 2 h2 (6.27) 4n; 480n2

p = (eh)g, - = e gr ~

En notant respectivement par P et E les puissances et champs exprims en dBm et dBpV / m et en exprimant la relation avec la frquencefen MHz, on peut tablir :

(6.28)

Pour une antenne isotrope, on a donc :

E = P + 20Log(f) + 772 ofest en MHz, E en dBpV/m et P en dBm (6.29)

146 Rseaux GSM

Frquence Puissance Tension (Pl ( v) (v>

Lensemble des rsultats peut se rsumer dans le tableau de la figure 6.5.

Champ (0

MHz

900

1800

dB W dBm P dBpV dBpV 1 m

-1 30 -1 O0 2,24 7 36

-1 30 -1 O0 2,24 7 42

Il arrive frquemment quon crive des puissances en dB et non dBW en sous-entendant que le niveau de rfrence est de 1 W. Calculs faits pour une impdance de 50 R et une antenne isotrope.

Figure 6.5. Conversion champ lectrique/puissance

6.4.2. Dtermination du seuil de couverture

Loprateur doit vrifier partir des modles de propagation que les zones sur lesquelles il veut offrir le service sont couvertes avec une qualit suffisante. Il faut sassurer que sur la zone de service, la puissance reue est au minimum suprieure la sensibilit du rcepteur. Le seuil choisi par loprateur doit intgrer plusieurs marges : en zone urbaine, une marge due la rutilisation des frquences (cf. 6.5.2.4) et de faon gnrale, une marge due leffet de masque.

Les modles de propagation permettent de prvoir laffaiblissement mdian mais nintgrent pas leffet de masque. On ralise en gnral une couverture avec un certain niveau de qualit en intgrant une certaine marge. Par exemple, on veut que sur 90 % de la zone de service, le champ reu soit suprieur un seuil donn (-102 dBm pour le systme GSM). En supposant une attnuation conforme au modle 3 tages prsent plus haut et en ngligeant les vanouissements, il est possible de convertir la fonction de rpartition du signal reu sur un disque de rayon R en une fonction de rpartition sur un cercle de rayon R. Pour un effet de masque dcart type 7 dB et un affaiblissement en l/@, si 75 % des chantillons sont au-del dun seuil sur le primtre, alors 90 % des chantillons sur toute la surface lintrieur de ce primtre se trouvent au-dessus du seuil [JAKES 741.

Or, pour une distribution normale, 75 % des chantillons sont suprieurs la valeur rn-0,70 o rn est la moyenne et O lcart-type de la distribution. Pour assurer le niveau requis, on intgre une marge de 0,70 soit 5 dB sur le champ moyen la priphrie.

Le cumul de toutes les marges permet de dterminer le seuil de couverture. Avec la configuration de la figure 6.6, le seuil ncessaire est de -94 dBm pour une sensibilit de -102 dBm. Loprateur considrera que la couverture est assure


partout o les modles de propagation donneront une puissance mdiane suprieure -94 dBm ou de faon quivalente un champ de 42 dBpV/m. Sil veut assurer une couverture a lintrieur des btiments, il doit considrer un seuil de -79 dBm lextrieur, soit un champ mdian de 57 dBpV/m.

Pour couvrir certaines zones particulires (sous-sols de btiments, tunnel, autoroute), loprateur peut utiliser des techniques spcifiques : installation de rpteurs, utilisation de cbles rayonnants pour les tunnels, utilisation dantennes directives pour les couvertures dautoroute.

6.4.3. Equilibrage de la liaison

A partir du seuil intgrant les diffrentes marges, loprateur peut dterminer la couverture obtenue en fonction de la puissance des metteurs. La couverture se calcule partir des modles de propagation et intgre le gain des antennes et les pertes dues aux cbles et aux couplages. La puissance des metteurs peut ainsi tre ajuste pour assurer une bonne couverture.

Lusager du rseau a une indication du champ reu sur son portatif (li au RXLEV dcrit en 7.9.3) et qui lui permet davoir lassurance que la liaison descendante est de bonne qualit. Sans quilibrage pralable, il nest pas vident que la liaison montante soit de qualit quivalente. Si une station de base transmet trs forte puissance, un portatif (metteur de faible puissance) peut recevoir un signal trs important et ne pas tre reu par la station de base lorsquil transmet. Lquilibrage de la liaison consiste choisir des gains dantenne et ventuellement placer des attnuateurs pour que la puissance du signal reu sur la voie montante soit voisine de celle reue sur la voie descendante lorsque le terminal est en limite de porte. La qualit perue par les deux intervenants dune communication est alors voisine.

Pour disposer de terminaux qui soient conomiques et de dimensions rduites, on admet de faibles puissances et une sensibilit moyenne. Dans un rseau macro- cellulaire, les cellules sont de grande taille et en nombre moyen, on optimise donc lmission et la rception des BTS en choisissant des antennes de fort gain et en utilisant la diversit spatiale (cf. 6.4.4). En contexte urbain trs dense, loprateur dploie un grand nombre de BTS couvrant des micro-cellules, les caractristiques des mobiles et des BTS sont alors voisines.

6.4.4. Bilan de liaison

Lensemble des paramtres introduits dans lquation 6.1 est habituellement repris sous forme dun tableau synthtique permettant de vrifier lquilibrage de la liaison et dindiquer les seuils de couverture et de puissance fixer.

Des exemples de bilan de liaison sont donns aux figures 6.6 et 6.7 pour des liaisons quilibres. Les diffrents seuils et marges pris en compte sont proposs par la norme. Les oprateurs adaptent ce schma de base en le raffinant suivant les

148 Rseaux GSM

Puissance dmission (classes 2 et 7) Perte de couplage + isolateurs Perte totale cbles et connecteurs Gain dantenne

environnements en fonction de leur exprience : une grande part du savoir-faire des oprateurs repose sur cette connaissance des paramtres prendre en compte pour que la couverture relle soit proche des prvisions thoriques.

33 dBm O dB O dB

O dBi

Les deux bilans de liaison supposent que les mobiles mettent la puissance nominale mais la norme admet une tolrance de k2 dB sur les valeurs annonces : cette tolrance peut dsquilibrer la liaison et rduire de 2 dB laffaiblissement maximal supportable ; la porte est rduite denviron 230 mtres en extrieur et de 100 mtres en intrieur. On voit sur cet exemple lattention extrme porter dans le choix des paramtres.

Affaiblissement maximal Perte due au corps humain Affaiblissement de parcours Porte en extrieure Porte intrieure (marge de 15 dB)

l Sens de la liaison

137 dB 137 dB 3 dB 3 dB

134 dB 134 dB 2 k m

07 km

~~ 1 Partie rception Sensibilit Marge de protection (cf. 6.5.2.4) Perte totale cble et connecteur Gain dantenne Marge de masque (90 % de la surface) Puissance mdiane ncessaire

Mon tan te BTS

- 104 dBm 3 dB 4 dB

12 dBi 5 dB

- 104 dBm

Descendan te MS

- 102 dBm 3 dB O dB

O dBi 5 dB

- 94 dBm

1 Partie mission I MS I BTS 38 dBm

3 dB 4 dB

12 dBi PIRE 1 33dBm 1 43dBm Bilan de liaison

C D E F G H=C+D+E-F+G

1 K L M N=I-K-L+M

O=N-H P O-P

On considre un cble de perte 2 dB/100m dune longueur de 120 mtres dans la station de base, un mobile de puissance 2W. La porte est calcule sur la valeur O-P en considrant la loi dOkumura Hata pour une zone urbaine (figure 6.4). Daprs [GSM 03.30 Annexe A.11.

Figure 6.6. Exemple de bilan de liaison pour GSM 900


Sens de la liaison partie rception

Marge de protection (cf. 6.5.2.4) Perte totale cble et connecteur Gain dantenne Gain de diversit Marge de masque (90 % de la surface) Puissance mdiane ncessaire

1

Mon tante Descendan te BTS MS

~ _ _ _ _ _ _ _ _ -104dBm -102dBm C

3 dB 3 d B D 2 dB OdB E

18 dBi OdBi F 5 dB OdB F 6 dB 6 d B G

- 116 dBm - 91 dBm H=C+D+E-F-F+G

Affaiblissement de parcours 1 143 dB 1 143 dB 1 O-P

Partie mission MS BTS Puissance dmission (classes 1 et 2) 30 dBm 42dBm Perte de couplage + isolateurs O dB 3 d B Perte totale cbles et connecteurs O dB 2 d B Gain dantenne O dBi 18 dBi PIRE 30 dBm 55 dBm Bilan de liaison

Perte due au corps humain 3 dB 3 d B Affaiblissement maximal 146 dB 146 dB

I 1 1 I

1 K L M N=I-K-L+M

O=N-H P

Porte en extrieure Porte intrieure (marge de 15 dB)

I 1 1

2 k m 07 km

On considre un mobile de puissance 1 W. La porte est calcule en considrant la loi dHata pour une zone urbaine. Noter lutilisation de la diversit dans la station de base et lutilisation dantennes fort gain pour supporter des affaiblissements plus importants que pour le bilan de liaison GSM 900 (ces techniques peuvent tre aussi employes pour GSM 900). Daprs [GSM 03.30 Annexe A.31.

Figure 6.7. Exemple de bilan de liaison pour DCS 1800

6.4.5. Utilisation de la diversit

La liaison montante est gnralement plus difficile assurer que la liaison descendante, car la puissance des terminaux est limite. Lvanouissement slectif en frquence peut provoquer des affaiblissements trs svres. Il a t exprimentalement dtermin [LEE 891 quen deux points distants de dix vingt longueurs donde sur un mme plan horizontal, les rceptions dun mme signal sont corrles avec un coefficient gal 0,7.

11 est intressant dutiliser, la station de base, plusieurs antennes de rception de faon recevoir le mme signal avec des multitrajets diffrents. Cette technique est

150 Rseaux GSM

appele N diversit spatiale . Il y a plusieurs mthodes de combinaisons des signaux reus sur les diffrentes antennes [HESS 931 [GIB 961 :

- slection du meilleur signal (switching combining), - combinaison des signaux avec le mme poids (equal gain combining), - combinaison des signaux affects de poids proportionnels leurs niveaux

(maximal ratio combining).

Lutilisation de la diversit spatiale permet damliorer le rapport E,J du signal reu denviron 5 dB. Elle est couramment utilise avec des distances typiques entre antennes de 3 6 mtres.

6.5. Rutilisation des ressources

Loprateur dispose dune zone couvrir et dune bande de frquences. Dans les systmes tels que GSM, cette bande est partage en deux sous-bandes dont lune est utilise pour les liaisons mobiles vers infrastructure (liaison montante) et lautre pour le sens infrastructure vers mobiles (liaison descendante). Chaque sous-bande est ensuite partage en un certain nombre de porteuses. Un porteuse peut couler une ou plusieurs communications simultanment.

Dautre part, la zone couvrir est dcoupe en

Ingnierie et concept cellulaire 15 1

Soit un large territoire homogne couvrir par des cellules de mme dimension. Sur lensemble de ce territoire, la mme loi de propagation sapplique et la puissance de tous les quipements (Station de Base et Station Mobile) est constante. La demande en trafic est uniformment rpartie, le mme nombre de porteuses est donc affect chaque station de base.

On appelle

152 Rseaux GSM

Les premiers entiers qui vrifient une telle relation sont 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, 25, 27, etc., et correspondent des tailles de motifs possibles.

@ 4 @ 4 @ 4 @ 4

4 Q 4 Q 4 @ 4 1

2 3 2 3 2 3 2

3 2 3 2 3 2 3

@ 4 @ 4 @ 4 ( 9 4

Figure 6.8. Exemple de motif cellulaire ( K = 4 )

Considrons une cellule particulire. Les centres des cellules utilisant la mme frquence sont situs sur un ensemble de cercles autour de cette cellule. Ces cercles sont appels


Les motifs rguliers les plus courants comprennent 3, 4, 7, 9, 12, 21 ou 27 cellules. Il est possible dutiliser des motifs non rguliers mais la distance de rutilisation ne peut tre plus grande que celle du motif rgulier de taille immdiatement infrieure.

6.5.1.2. Systmes limits par le bruit

Considrons dabord le cas dune zone tendue avec une trs faible demande en trafic. Loprateur peut, en premire approche, utiliser une seule cellule pour lensemble de la zone. Dans ce cas, les interfrences Co-canal et canaux adjacents sont ngligeables devant le bruit : k d V .

Le rapport C/(I+N) est donc ici un rapport signal sur bruit C/N gal au EJN0 (cf. 6.1.2.). Il suffit quen tout point de la cellule, le signal reu ait une puissance suprieure la sensibilit du rcepteur pour que la qualit des signaux reus soit acceptable. La taille de la zone couvrir dtermine la puissance ncessaire sur les metteurs. Mais cette puissance est limite. Le dcoupage en cellules est ralis pour des questions de couverture et non par la mise en uvre de la rutilisation de ressources. La taille des cellules est dtermine par lensemble des points pour lequel le signal est suprieur avec une certaine marge au bruit du rcepteur N. On dsigne un tel systme par le terme c systme limit par le bruit >> (noise-limited system). Cest le cas typique des zones rurales qui sont faiblement peuples. Les mmes frquences peuvent tre rutilises sur des sites trs loigns ce qui revient utiliser des motifs de grande taille.

6.5.1.3. Systmes limits par les interfrences

Si loprateur veut disposer de beaucoup de canaux sur chaque station de base, il va rutiliser au maximum les frquences. Linterfrence Co-canal va tre prpondrante par rapport tous les autres brouillages : N

154 Rseaux GSM

On a donc : C = a P, R-Y

1, = a P, Dk-Yo Dk est la distance entre le mobile et la kime station de base interfrente et a un coefficient de proportionnalit.

Il est possible de considrer seulement les six stations de base de la premire couronne et de ngliger linterfrence cre par les autres cellules. Pour ces six cellules, la distance Dk peut de plus tre approxime par la distance D. Linterfrence totale peut donc tre approxime par :

Ainsi, le rapport C/Z a la forme : C/I = l/b(D/R)Y.

A A \

\

/

/

\ /

/

\ ,

/

\ /

/ \

/ / 15 \

\ 6 \

/

/

\

/

\

\

Figure 6.10. Interfreurs sur la premire couronne

Le rapport C/Z sexprime donc uniquement en fonction de D/R et ne dpend pas des puissances utilises. Cest pourquoi D/R est parfois appel


6.5.2. Etude du modle classique

6.5.2.1. Cas des systmes TDMMFDMA

Le calcul prcdent a t ralis en raisonnant sur laffectation des frquences aux stations de base. Il sapplique donc directement sur les systmes FDMA purs. La majorit des systmes numriques sont des systmes FDMNTDMA. En gnral, on ralise la planification en affectant les frquences aux sites : le calcul prcdent sapplique donc galement ce cas.

Il est a priori difficile de raliser la planification canal radio par canal radio (i.e. un intervalle de temps sur une frquence radio) dans un systme FDMA/TDMA. Si lon considre la liaison montante, les trames ne sont pas forcment synchronises entre cellules diffrentes. De plus, le dlai de propagation intervient de sorte quun mobile peut tre brouill par des mobiles diffrents au cours dune mme mission car les dots de cellules diffrentes peuvent se chevaucher. Il nest donc plus possible de dire quune mission est interfre par exactement six missions sur le mme canal.

6.5.2.2. Utilisation dantennes directives

La location et la maintenance des sites reprsente une part non ngligeable du cot de fonctionnement du rseau pour loprateur. Ce dernier a intrt limiter le plus possible le nombre des sites installs. Dans ce but, les oprateurs utilisent en gnral des antennes dont le diagramme de rayonnement est celui de la figure 6.3. La couverture assure sapproche alors de lhexagone dont un des coins est la station de base. Il est alors possible sur un mme site dassurer la couverture de 3 cellules. Dans les ouvrages amricains, lensemble de la zone couverte par un site est appel une cellule et la surface couverte par une antenne est appele un

1

156 Rseaux GSM

Pour une mme taille de motif, une analyse de la distribution du C/Z montre que la sectorisation introduit une lgre dgradation de qualit par rapport une couverture ominidirectionnelle. Cependant, il est plus facile de > les antennes. Loprateur, par lajustement prcis des directions de vise, peut ainsi mieux matriser la couverture. De plus, la dgradation de qualit est ngligeable par rapport la rduction des cots provoque par la rduction du nombre de sites. Le motif minimal souvent considr dans GSM est donn en figure 6.11. Il est de taille 12 mais parfois not 4/12 pour montrer quil est rparti sur quatre sites.

6.5.2.3. Prise en compte de leffet de masque

Le calcul prcdent suppose un affaiblissement uniquement fonction de la distance. Dans la ralit, il faut prendre en compte leffet de masque, approxim par une loi log normale. De ce fait, il nest plus possible de calculer une borne infrieure pour le C l .

En revanche, on peut tracer la fonction de rpartition du C/I pour lensemble des mobiles uniformment rpartis sur la cellule [STJ 851. La figure 6.12. donne cette fonction de rpartition pour diffrentes taille de motifs dans le cas dun rseau tri- sectoris. Un rseau est planifi pour limiter le nombre de mobiles qui recoivent un signal infrieur au seuil de fonctionnement du systme. Typiquement, on accepte un taux de 5 % 10 %.

Y V s !s

-10 -5 O 5 10 15 20 25 30 x dB

Simulation effectue en considrant la liaison descendante. Cas dun rseau tri-sectoris avec des antennes conforme la figure 6.3. Propagation suivant une loi en 1/r315 avec un effet de masque dcart-type 7dB et sans corrlation entre les interfreurs. On constate avec ce graphique que 90 % des usagers ont un C/I suprieur 12 dB avec un motif 12.

Figure 6.12. Rpartition du C/I suivant la taille de motif


Les spcifications de GSM prvoient un fonctionnement correct au dessus dun niveau C/Z de 9 dB. La taille du motif de rutilisation minimal est donc K = 9 (contre 21 pour les systmes analogiques).

6.5.2.4. Prise en compte du bruit et des inte$rences

Les deux calculs prcdents (6.5.1.2 et 6.5.1.3) reposent sur les hypothses Z

158 Rseaux GSM

Interfrence Co-canal WO)

certaine marge sur les seuils, il est commode de considrer le rapport de suppression sur le canal adjacent (ACS, Adjacent Channel Suppression) dfini comme Za/Zq: De faon quivalente, on peut dfinir des rapports ACS pour les deuxime et troisieme canaux adjacents comme Za2/Zc et Za3/Zc. Loprateur se fixe un seuil de qualit de C/Z, et en dduit tous les autres seuils en fonction du seuil ACS.

Cl& 9 dB

Interfrence 1 er canal adjacent (fo5200kH~)

c4l1

Interfrence ler canal adjacent cILL2 (fok400kH~)

Interfrence ler canal adjacent 1 CiZa3 1 -49dB 1 ACS3=58dB (f0~600kHz)

~~~

-9 dB ACS1=18 dB

-41 dB ACS2=50 dB

Figure 6.13. Seuil de protection sur les canaux adjacents

Il est impossible dutiliser deux canaux adjacents sur le mme site. En revanche il est thoriquement possible dutiliser deux canaux adjacents sur deux sites adjacents de mme puissance [GSM 3.301. En effet, les puissances reues des stations de base, la frontire de deux cellules, sont gales (dans le modle thorique simple), Si on considre deux canaux adjacents, le rapport C/Z est donc gal O dB (en ngligeant toutes les interfrences lointaines) et vrifie largement la contrainte impose.

a!

Pour assurer un transfert intercellulaire correct, les cellules se chevauchent et il est frquent quun mobile reste un moment sur une frquence alors que la puissance reue sur une autre frquence est suprieure. En considrant un systme planifi avec une marge de 3 dB par rapport au tableau 6.13 (pour lensemble des seuils), le signal interfrant sur le canal adjacent peut tre suprieur de 6 dB par rapport au signal utile tout en respectant la contrainte (la valeur du paramtre HO-MARGIN dcrite dans lannexe 4 peut prendre une valeur de 6 dB). De la mme faon sur la voie montante, deux mobiles peuvent se trouver sur une zone commune deux cellules mais rattachs des stations de base diffrentes. Un mobile interfrant sur le canal adjacent peut bnficier dun affaiblissement plus faible de 6 dB par rapport au mobile transmettant le signal utile sans perturber le systme. En conclusion, il est possible que deux cellules utilisant des canaux adjacents se chevauchent largement.

Il nest pas possible, cependant, dutiliser des canaux adjacents sur des cellules dpendant du mme site cause de la voie montante. En effet, la zone de recouvrement se situe autour dune radiale passant par la station de base. Si deux mobiles se trouvent sur la zone de recouvrement et utilisent des frquences adjacentes, le rapport C/Za peut tre trs infrieur 9 dB (cf. figure 6.14).


Cet exemple illustre limpossibilit dutiliser 2 canaux adjacents sur 2 cellules dun mme site. La voie montante est considre. Le mobile B est reu sur la frquence 2, adjacente 1, avec une puissance forte C2. Le mobile A est reu sur la frquence 1 avec une puissance faible C1 (par exemple 40 dB en dessous du niveau C2). Surfi, le rapport C/Za=C11C2 = -40 dB soit une valeur trs infrieure au seuil de -9 dB exig par la norme.

Figure 6.14. Inteqrence canaux adjacents sur la voie montante

Pour les mmes raisons que prcdemment, il nest pas possible dutiliser dans tous les cas, le deuxime canal adjacent un canal donn sur la mme cellule. Cependant, le contrle de puissance et le handover intracellulaire (cf. chapitre 10) permettent dviter des dynamiques importantes entre signaux reus de mobiles diffrents et dassurer le respect de la contrainte C/Zaz > -41 dB.

En gnral, on simpose un cart minimal de 600 kHz entre frquences dun mme site et on vite dutiliser deux canaux adjacents sur deux sites adjacents. Un des intrts du motif 12 est de permettre le respect dune telle contrainte (cf. figure 6.11). Nous laissons aux lecteurs le soin de le vrifier.

6.5.3. Aspects pratiques de la planification cellulaire

La planification et le dimensionnement des cellules ncessitent de prvoir lvolution en trafic (trafic global que doit couler le systme et trafic local par zone) et laffectation des cellules en fonction du motif retenu. On considre alors chaque cellule comme un ensemble de circuits et son dimensionnement est dtermin de faon couler le trafic prvu.

160 Rseaux GSM

Dans lestimation de la demande en trafic et service, plusieurs paramtres sont

- la densit de population et le pouvoir dachat des habitants dune rgion qui

- lactivit conomique (heures de pointe et localisation des centres daffaires)

considrs dont :

permettent destimer le taux de pntration du service,

qui dtermine les heures, lieux et densits de trafic.

Selon la zone gographique, les objectifs de planification du rseau seront diffrents : en ville il sagit doffrir une capacit en trafic leve alors quen milieu rural lobjectif est avant tout dassurer une couverture la plus complte possible et la moins coteuse en quipements. Par exemple, les taux de blocage admissibles seront plus levs en zone urbaine dense ( 5 %) quen zone rurale (2 %) o les problmes de capacit sont moins importants.

Le dimensionnement du rseau est ralis en ayant recours aux rsultats de la thorie du trafic (formules dErlang principalement) [LEE 931 [YAC 931. Ce type de dimensionnement thorique est cependant limit par les effets dirrgularits du trafic en fonction du temps et de la zone. De plus, le recouvrement entre cellules fait que les lois dErlang ne sont plus directement applicables. Les ingnieurs suivent en gnral la dmarche suivante : ils planifient afin de couvrir le mieux possible toutes les zones pour satisfaire les besoins en trafic prvu, en conomisant au maximum les ressources spectrales. Ensuite, en fonction de lobservation du comportement des abonns (en fonction du temps et des lieux) et en fonction des qualits de service observes (coupures de communication dues au trous de couverture, saturation de cellules dues au manque de capacit, etc.), loptimisation et ladaptation du plan de frquence initial sont ralises et la couverture est ajuste progressivement.

6.6. Paramtres influenant la capacit

6.6.1. Saut de frquence

A lorigine, le mcanisme de saut de frquence fut introduit dans les systmes militaires. Il consiste pour un metteur changer rgulirement de frquence de sorte obtenir une diversit de frquences et une diversit des brouilleurs. Il a pour consquence daugmenter lefficacit du codage et de lentrelacement dans GSM, et ce, pour les mobiles en arrt ou se dplaant lentement [GSM 05.011.

Dans la littrature, la distinction est souvent faite entre le saut de frquence lent (SFH, Slow Frequency Hopping), dont il est question ici, et le saut de frquence rapide (Fast Frequency Hopping), tel quil est mis en uvre dans des systmes talement de spectre (Spread Spectrurn). Le saut de frquence lent consiste changer de frquence chaque mission de message ou de burst par exemple, alors que le saut de frquence rapide consiste changer de frquence plusieurs fois lors de lmission dun message (saut de frquence au rythme symbole par exemple).


Le recours au mcanisme de saut de frquence offre les deux principaux avantages suivants : obtenir une diversit en frquences et une diversit de brouille u rs .

6.6.1.1. Protection contre les vanouissements slectifs

En gnral, les vanouissements sur un canal radio sont dcorrls dune frquence une autre ( condition quelles soient espaces dau moins un certain cart, plusieurs centaines de kHz par exemple), Ainsi, lutilisation de plusieurs frquences diffrentes pour une communication, diminue la probabilit de perte de messages par vanouissements. De cette faon, et grce en particulier la redondance introduite dans les diffrents messages (par utilisation de techniques de codages adquates), un message perdu pour cause dvanouissement sur une frquence donne, peut tre reconstitu au niveau du rcepteur grce aux informations transportes par les messages transmis sur les autres frquences. Le gain apport par la diversit de frquences est de lordre de quelques dB.

6.6.1.2. La diversit de brouilleurs

Le saut de frquence permet de crer une diversit de brouilleurs. Dans les zones urbaines, les systmes sont principalement limits par les interfrences. Ainsi, limplantation du mcanisme de saut de frquence a pour objectif de c moyenner >> le niveau dinterfrences global sur toutes les porteuses plutt que davoir un niveau de brouillage lev sur certaines porteuses uniquement.

Loprateur ralise une planification pour que le C/Z soit dans 95 % des cas suprieur au seuil de fonctionnement. La contrainte est donc impose par les 5 % des cas les plus dfavorables. La planification est donc ralise au pire cas. Considrons, sur le modle thorique rgulier prsent au 6.5, la voie montante et tudions le pire cas. Il intervient lorsque la station de base reoit un signal utile venant dun mobile situ en bordure de cellule et six signaux interfrents provenant de mobiles situs lextrmit de leur cellule sur le ct le plus proche de la station considre. Une telle configuration est reprsente la figure 6.14.a en ne considrant quune seule cellule interfrente. Ce cas se produit rarement mais lorsquil se produit, cest la communication entire qui est brouille, si lon suppose les terminaux peu mobiles.

Supposons maintenant que le mobile puisse utiliser lensemble des frquences dune station de base et que les squences de frquences utilises soient pseudo- alatoires : il change alors de frquence chaque mission. De cette faon, un mobile est brouill par des mobiles diffrents chaque mission. Le pire cas considr plus haut peut toujours se produire. Cependant, il ne se produira plus pendant toute une communication mais une fois de temps en temps. Grce aux techniques dentrelacement, cest--dire dtalement dans le temps et de codage protecteur par des redondances, on peut recevoir correctement le signal lorsque le niveau moyen est suprieur un seuil mme si le niveau de CI1 de certains chantillons est nettement infrieur ce seuil.

162 Rseaux GSM

Avec le saut de frquence, il est ainsi possible de considrer le cas moyen et non plus le pire cas. Le gain apport par le saut de frquence est dautant plus important que le nombre de frquences est grand. Pour obtenir un gain apprciable, il est ncessaire de disposer dau moins quatre frquences.

$ A 4. 1, - - .

- - _ - _

Y IY

Les mobiles A, B et D mettent un signal utile. Les mobiles Y, Z et T sont brouilleurs. Les mobiles (A,Y), (B,Z) et (D,T) utilisent respectivement les frquences f l , f2 et f3. On ne considre quun seul interfrent pour un mobile donn (Les mobiles metttent sur le mme dot mais sui- des frquences diffrentes).

Figure 6.14.a. Exemple de configuration de brouillage sans le saut de frquence

niveaux de signal en dB

Sans saut de frquence, le signal mis par A est seulement interfr par Y et le C/I est faible : la communication est brouille. De mme B est brouill par Z et D par T. Les CII dans ces deux cas sont acceptables.

Figure 6.14.b. Evolution du CII en labsence de saut de frquence


A (fl ,f2,f3)

- _ - _ - _ - _

IY

(fl ,f2,f3) D (fl,f2,f3)

Tous les mobiles sont sur les 3 frquences f l , f2 et f3 et sur le mme dot.

Figure 6.14.c. Exemple de configuration de brouillage avec le saut de frquence

niveaux de signal en dB

IY

1, ~ It

Avec le saut de frquence, le signal mis par A est interfr par Y, Z et T. Le C/Z moyen est suprieur au seuil et la communication n'est pas brouille. De mme pour B et C. Les 3 communications peuvent avoir lieu simultanment.

Figure 6.14.d. Evolution du C/I en prsence de saut de frquence

6.6.2. Contrle de puissance

Dans un rseau couvrant des environnements diffrents (ruraux, urbains), les cellules sont de taille varie. La puissance d'mission des stations de bases est donc paramtrable. Afin de ne pas entraner un dsquilibre entre la voie montante et la voie descendante, chaque station de base indique aux mobiles de la cellule la puissance nominale utiliser. On parle quelquefois de contrle de puissance statique. Cette fonctionnalit est prsente dans les systmes analogiques et dans GSM.

En milieu urbain de densit moyenne, les cellules sont dimensionnes pour des terminaux portatifs de 2 W pour GSM 900. Un terminal de classe 2 (8 W) n'met pas puissance nominale dans les zones urbaines : sa puissance est bride par le rseau 2w.

164 Rseaux GSM

Le mcanisme de contrle de puissance dynamique consiste ajuster la puissance dun metteur radio de faon minimiser la puissance requise par cet metteur tout en conservant la qualit de la communication. La consquence principale du recours cette technique est la diminution du niveau dinterfrence Co-canal. Lautre consquence est laugmentation de lautonomie des mobiles, due la diminution de la quantit dnergie ncessaire aux missions.

La puissance dmission varie ainsi dans une certaine marge. Le contrle est effectu soit uniquement pour les stations mobiles, soit pour les stations mobiles et les stations de bases. Le contrle de puissance est un mcanisme qui est gr un niveau centralis, cest--dire en pratique par une entit situe au niveau du rseau. La raison principale de cette situation est que le contrle de puissance est une dcision qui rsulte dune observation globale du systme, observation que seul le rseau peut raliser.

Les principales causes conduisant laugmentation ou la diminution de la puissance mise sont dune part lloignement ou le rapprochement dune MS de sa station de base, et dautre part, laugmentation ou la diminution du niveau dinterfrence sur le canal radio utilis.

6.6.3. Transmission discontinue

Dans les communications de parole, il est rare que les deux intervenants parlent en mme temps. De plus, les caractristiques de la parole font apparatre des silences trs courts entre les mots. Le taux dutilisation du canal de transmission usager est en moyenne de 40 %. Cest--dire que chaque canal (dans un sens comme dans lautre) est inutilis pendant 60 % du temps. La


6.7. Conclusions

Lingnierie cellulaire consiste organiser le dcoupage du rseau en cellules de faon satisfaire les contraintes de couverture et de trafic. Il faut, dune part assurer que les signaux changs entre les terminaux et le rseau soient reus avec une puissance et une qualit suffisante sur la zone de service dfinie par loprateur, et, dautre part que le trafic coul (en Erlang/Hertz/km2) par le rseau soit suffisant pour le nombre dabonns prvus.

Loprateur dfinit le seuil de couverture EJNo et le seuil C/Z pour un environnement donn. A partir du seuil de couverture, de la puissance dmission des terminaux et des marges de scurit, loprateur dtermine les valeurs minimales de champ lectromagntique B assurer pour quilibrer les sens montants et descendants de la liaison radio. 11 en dduit la puissance des stations de base utiliser.

Lutilisation doutils informatiques de planification cellulaires guide la recherche de sites. Ces outils utilisent des modles numriques de terrain et des modles de propagation. Il est gnralement ncessaire de valider les prvisions par un travail sur le terrain, cause des incertitudes des modles qui ne permettent pas de prdire avec une prcision suffisante la couverture radio.

Le seuil de CIZ conditionne la taille du motif de rutilisation des frquences. Plus ce rapport est lev, meilleure est la qualit des communications mais moins nombreux sont les abonns susceptibles dtre servis simultanment. A contrario, plus ce rapport est faible, moins bonne est la qualit des communications mais plus lev est le nombre potentiel des usagers susceptibles de se connecter simultanment au systme. Loprateur, partir du seuil C/Z choisi, affecte les frquences de faon couler le trafic attendu. Il doit vrifier statistiquement la qualit des signaux reus.

Dans les systmes o le trafic couler est faible, la taille des cellules est limite par la couverture assurer. Dans les zones o le trafic est lev, loprateur est conduit diminuer la taille des cellules pour augmenter la capacit du systme. En pratique, le cot des quipements conjugu la difficult de trouver des sites en milieu urbain impose une contrainte supplmentaire sur la diminution possible de la taille des cellules.

Les mcanismes de saut de frquence, de contrle de puissance et de transmission discontinue ont pour consquence de diminuer le niveau dinterfrence global du systme. La conjugaison de ces trois mcanismes mne potentiellement des gains importants de capacit. Cependant, un mcanisme tel que le contrle de puissance doit tre introduit avec prcaution compte tenu des risques dinstabilit que son utilisation peut entraner. De la mme manire, lutilisation du mcanisme de saut de frquence ncessite lutilisation dun nombre consquent de porteuses au niveau de chaque station de base. Son introduction au niveau dun systme en cours de fonctionnement ncessite aussi une replanification des frquences si lon veut profiter du gain de capacit.

Rseaux et Tlcommunications Rseaux GSMChapitre 6 Ingnierie et concept cellulaire1. Schma gnral dune liaison radiomobile1. Prsentation2. Sensibilit dun rcepteur3. Attnuations apportes par les cbles et les coupleurs

2. Paramtres fondamentaux dune antenne1. Antenne en mission2. Antenne en rception3. Propagation en espace libre

3. Modles de propagation1. Modle gnral trois tages2. Modles macrocellulaires3. Modle microcellulaire4. Propagation lintrieur des btiments5. Analyse des lois de propagation

4. Prvision de couverture et quilibrage de liaison1. Rappel sur les relations entre champ lectrique et puissance2. Dtermination du seuil de couverture3. Equilibrage de la liaison4. Bilan de liaison5. Utilisation de la diversit

5. Rutilisation des ressources1. Modle hexagonal classique2. Etude du modle classique3. Aspects pratiques de la planification cellulaire

6. Paramtres influenant la capacit1. Saut de frquence2. Contrle de puissance3. Transmission discontinue

7. Conclusions

Ingénierie et concept cellulaire - Sylvain...

Documents

Transcript of Ingénierie et concept cellulaire - Sylvain...