Chapitre 2 :Systèmes radio­mobiles      

   et concepts cellulaires

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   Systèmes cellulaires

Réseaux cellulaires analogiques de 1ère génération : AMPS (USA), NMT(Scandinavie), TACS (RU) ...

Réseaux numériques de 2ème génération : 1991 : GSM, DCS en Europe1995 : IS95 (USA) à base de CDMA

Réseaux de 3ème génération : IMT­2000, UMTS.

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✔ Couverture continue divisée en cellules: Optimisation de l'utilisation du spectre alloué,

✔ Taille des cellules : quelques m à 35km,

✔ Mobilité importante (Pays, Continent), vitesse mobile importante,

✔ Roaming (itinérance),

✔ Handover.

   Systèmes cellulaires

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Concepts cellulairesLe  concept  de  cellule  est  introduit  comme  une 

solution  à  la  contrainte  de  la  limitation  de  la ressource radio (spectres de fréquences).

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Occupation spectrale pour les différents types de systèmes radio

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Concepts cellulaires

Principe : Le territoire est divisé en cellules, desservies chacune par une station de base (BS), l'ensemble de ces cellules formant un seul réseau.

● Chaque cellule sera affecter par une ou plusieurs fréquences radio

● Les fréquences sont réutilisés dans plusieurs cellules selon la capacité du système aux interférences.

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Concepts cellulaires

Une cellule : zone géographique couverte par un émetteur appelé station de base et utilisant une plage de fréquences pour les communications qu'elle couvre.

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Concepts cellulaires

✔ Réutiliser chaque bande de fréquences de trafic suffisamment éloignées. Cet éloignement minimum se  calcule en fonction du diamètre de chaque cellule.

✔ La taille de la cellule est variable suivant le relief, la densité d’abonnés, …

✔ Les cellules peuvent être hiérarchiques (macro­cellules, micro­cellules, …).

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Motifs cellulaires

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R DF1 F1

Dans un réseau cellulaire TDMA/FDMA, les ressources fréquentielles sont réutilisées. Les cellules utilisant la même fréquence s'interfèrent mutuellement.

R: rayon de la cellule,D: distance de réutilisation des fréquences.

D/R> seuil

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Motifs cellulaires

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Modèle régulier et homogène (propagation et trafic) de réseau utile pour une première planification.

R

R

D

D

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Motifs cellulaires

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Définition :

Un  motif  cellulaire  ‘Cluster’  est  l'ensemble  des   cellules dans lequel chaque fréquence de la bande est utilisée une fois et une seule fois.

Il  représente  le  plus  petit  groupe  de  cellules contenant  l'ensemble  des  canaux  radios  une  et  une seule fois. Ce motif est répété sur toute la surface à couvrir

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Motifs cellulaires

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On peut montrer que les motifs optimaux sont de taille K tel que :

uv

OM=iv + ju

Distance de réutilisation : 

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Motifs cellulaires

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Motifs cellulaires

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Motifs et antennes cellulaires

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Antennes  directionnelles

Cellule sectorielle

✔ Cellule omnidirectionnelle : cellule  équipée d’une BTS à antennes omnidirectionnelles. 

✔ Cellule sectorielle : cellule équipée d’une BTS à antennes directionnelles

Cellule omnidirectionnelle

Antennes  omnidirectionnelles

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Antennes cellulaires

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LNA (Low Noise Amplifier) Amplificateur à Faible Bruit qui permettent d'amplifier le signal reçu par l'antenne, en provenance du mobile.

LNA LNAAntenne d'un faisceau hertzien

Un FH est une liaison radio spécialisée, composée de 2 antennes émettrices-réceptrices. Lorsque le BSC est très éloigné du MSC, (débit de 2 Mbit/s).

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 Seuil de couverture

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C: Puissance du signalN: Bruit du récepteur R: Rayon de couverture Le seuil de fonctionnement: C/N minimum ou bien (C/N)seuilLa sensibilité du récepteur : S=(C/N)minimum +NLe rayon de couverture d'une cellule isolée dépend de la puissance d'émission + Sensibilité 

R

C

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 Seuil de couverture

Il suffit qu’en tout point de la cellule, le signal reçu ait une puissance supérieure à la sensibilité du récepteur pour que la qualité des signaux reçus soit acceptable.

Remarque : Un émetteur est caractérisé par sa puissance, un récepteur est caractérisé par sa sensibilité 

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Interférence co­canal

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f1

f1

Signal utile

Signal utile

Interférence

Les deux BTS utilisent la même fréquence f1                         

                      Interférence co­canalLe rapport signal sur bruit (SNR) =C/(I+N)On tenir compte de la réutilisation de la fréquence I>>N

SNR=C/ILa couverture d'un réseau dépend du seuil C/I et de la distance de réutilisation. 

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Calcul de l'interférence co­canalLes système radio mobile sont définis avec une certaine capacité à résister aux interférences. La valeur limite est :

Bi est l’ensemble des stations de base en émission sur la fréquence de réception du mobile. 

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Calcul de l'interférence co­canalIl faut donc estimer le C/I minimal sur la cellule. Le C/I est calculé dans le pire cas qui correspond aux conditions suivantes :✔ Totalité des stations de bases en émission à la puissance Pe

✔ Mobile situé à une distance R de la station de base.

. A NAANAA

On a donc

Avec  Dn   est la distance entre le mobile et la nième station de base interférente,    est un coefficient de proportionnalitéet     le coefficient d'affaiblissement de parcours. 

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Calcul de l'interférence co­canalIl est possible de considérer seulement les six stations de base de la première couronne et de négliger l’interférence créée par les autres cellules. Pour ces six cellules, la distance Dn peut de plus être approximée par la distance D. L‘interférence totale peut donc être approximée par : 

. A NAANAA

Le rapport C/I devient alors :

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Calcul de l'interférence co­canal

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Calcul de l'interférence co­canalDans les cas les plus courants, le récepteur et l’émetteur ne sont pas en visibilité directe. On approxime fréquemment l’atténuation du canal par un modèle à 3 étages :

✔ Une atténuation due à la distance,✔ Un terme aléatoire prenant en compte les effets de masque (présence d’obstacles) ✔ Un autre terme aléatoire décrivant les évanouissements ou fading dû aux trajets multiples.

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Interférences sur canal adjacent 

Les interférences sur canal adjacent sont dues aux émissions d'autres équipements sur des fréquences adjacentes.

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Effet de masqueL‘effet de masque est modélisé par une loi log­normale. Il représente une variation sur les conditions de propagation, tantôtfavorable (par exemple visibilité directe), tantôt défavorable (par exemple lors de la présence d’un obstacle important entre l’émetteur et le récepteur). 

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Effet de masque Le rapport C/I n'est pas fonction que de la distance mais aussi dépend de l'effet de masque représenté par une loi log­normale (Gaussienne en dB)

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Effet de masque 

. A NAANAA

En revanche, on peut tracer la fonction de répartition du C/I pour l'ensemble des mobiles uniformément répartis sur la cellule. Un  réseau  est  planifié  pour  limiter  le  nombre  de  mobiles  qui reçoivent  un  signal  inférieur  au  seuil  de  fonctionnement  du système. Typiquement, on accepte un taux de 5% à 10%.La  simulation  effectuée  en  considérant  la  liaison  descendante, d'un réseau tri­sectorisé, avec un effet de masque d'écart type 7dB et    =3.5.On  constate  avec  ce  graphique  que  90%  des  usager  ont  un  C/I supérieur à 12dB avec un motif à 12.Les spécifications de GSM prévoient un fonctionnement correct au  dessus d'un niveau C/I de 9dB. La taille du motif de réutilisation minimal est donc K=9.

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Paramètres influençant la capacité 

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Saut de fréquenceLa diversité de brouilleurs

Contrôle de puissance 

Transmission discontinue

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Prévision de trafic

. A NAANAA

Les variables suivantes décrivent le comportement du système : R = Nombre de serveurs.T = Temps moyen de service.C = Taux d'arrivées: c'est le nombre moyen d'appels se présentant dans l'unité de temps.

Trafic offert : Probabilité de blocage :

Trafic écoulé :

Trafic rejeté :  

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Planification et densification d’un réseau mobile

. A NAANAA

un réseau mal planifié se traduit par une qualité d’appel médiocre et un taux de perte d’appel important.

Objectifs :✔ Assurer la couverture radio et éviter le brouillage.✔ Minimiser le coût d'infrastructure radio et réseau

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La densification 

. A NAANAA

Les  processus  de  planification  sont suivis  d’une  opération  de  densification qui  doit  suivre  l’évolution  de  la demande en trafic 

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Calcul de la capacité d'un réseau cellulaire

. A NAANAA

Pour comparer entre les différents techniques de densification, on définie la capacité du réseau cellulaire :

A0 : Capacité maximale écouléeN0 : Nombre de sites par km²B0 : Largeur de bande utilisée

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Adjonction de nouveaux canaux

. A NAANAA

Cette  méthode  est  la  plus  rapide  qui  consiste  à  ajouter  de nouveaux  canaux  aux  cellules  dans  le  cas  ou  toute  la  bande  de fréquence  n’a  pas  encore  été  utilisée,  cela  revient  à  ajouter  des émetteurs/récepteurs, TRX, au niveau des stations de base. Avantage : Ne nécessite pas la modification du motif cellulaire.

Inconvénient : La nécessité d’ajouter des équipements (émetteurs /récepteur pour les canaux radio) supplémentaires.

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Adjonction de nouveaux canaux

. A NAANAA

Situation après adjonction de canaux

f 4F1

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F9 F10

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Situation initiale 

f 4

F1

F2 F3

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Emprunt de canaux 

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Cette  méthode  consiste  à  un  transfert  temporaire  ou permanent de fréquence d’une cellule peut charger vers une cellule  surcharger  en  trafic  excède,  dans  certains  régions voisines  le  trafic  est  largement  inférieur  à  la  capacité offerte, donc on utilise la méthode emprunt des canaux pour la re­équilibration entre les différentes zones. 

L’intérêt de cette technique est qu’elle ne nécessite pas de grands changements au niveau matériel.

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Emprunt de canaux 

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F1

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Situation après emprunt de canaux

Cellules peu chargées

Situation initiale

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Cellule chargée

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Modification de motif cellulaire 

. A NAANAA

✔  Des  motifs  de  faible  taille  permettant  d’écouler  une densité du trafic élevée. ✔ Il est donc envisageable, lorsque la demande en trafic augmente de façon importante, de réduire le nombre de cellules par motif.Avantage : Cette technique ne nécessite pas le recours à des nouvelles fréquences. Inconvénient :  Nécessite  l’ajout  d’équipements d’émission  réception.  Cependant,  cette  réduction s’accompagne  généralement  d’une  diminution  sensible du rapport C/I, ce qui se traduit par une dégradation de la qualité de service.

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Modification de motif cellulaire 

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f 4

f 4F1

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F7

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F6 F7 F2 F3

F1

F4 F5

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F1

F7 F3

F6

F2

F7F5F4F3F2

F1

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Division de cellules

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Situation initiale  Situation après division en cellules plus petites

1

3

1 2

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Division de cellules

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La  solution  classique  mise  en  œuvre  pour augmenter  la  capacité  consiste  à  réduire  la  zone de service des cellules. La technique de division de cellules  (ou cell  splitting) Consiste donc  à  réduire leur  taille  ce  qui  a  pour  conséquence  immédiate d’augmenter la capacité du réseau. Chaque cellule sera donc divisée en certain nombre de cellules de plus petite taille.

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Division de cellules

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Les principaux inconvénients de cette méthode sont :● Le coût engendré par la mise en place des nouveaux sites.● L’augmentation du niveau d’interférence.● L’augmentation du nombre de handovers