SommaireIntroduction gnrale2 Les acteurs dans le secteur des rseaux cellulaires...3 Cycle de vie dun rseau cellulaire..4 La propagation en environnement radio Mobile 7 Phnomnes de base ..7 Perturbation du signal pendant la propagation8 Perturbation par brouillage12 Modlisation du canal13 Modle dOkumura-Hata14 Modles COST 231 de HATA.16 Paramtres radio du site19 Dimensionnement du rseau cellulaire.23 Notions de trafic et Lois dErlang.23 Erlang B.24 Erlang C.26 Procssus et outil de dimensionnement.29 Notion dheure de pointe..30 Donnes et paramtres utiliss..32 Modles de trafic et de mobilit33 Dimensionnement de linterface radio..35 Dimensionnement des TCH..35 Dimensionnement de la signalisation36 Dimensionnement des MSCs.40 Planification du sous systme radio...42 Donnes dentres et contraintes...44 Calibration des modles de propagation46 Calcul de couverture et bilan de liaison.50 Affectation des frquences55 Techniques de densifications.60

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Introduction gnrale1.1. Petit historique des communications radio-mobiles L'histoire des communications radio-mobiles remonte au XIXe sicle lorsque fondements thoriques des phnomnes de propagation des ondes radio et leurs relations avec les champs lectriques et magntiques furent tablis grce aux expriences et travaux d'Oerstedt, d'Ampre, de Faraday et de Maxwell pendant priode 1820-1870. Les travaux de Maxwell et l'laboration des quations reliant l'lectricit et les phnomnes magntiques avaient permis de supposer l'existence des ondes lectromagntiques, et c'est en 1880 que Hertz dmontre propagation des ondes lectromagntiques en espace libre et donc la possibilit communications radio. Les expriences dans le domaine de l'lectromagntisme vont ainsi se poursuivre, principalement dans l'enceinte de laboratoires et pour courtes distances metteur-rcepteur. C'est Marconi, partir des travaux de ses prdcesseurs, qui dveloppe le premier systme de radio pour des communications sur des distances importantes marque une date importante dans l'histoire des radiocommunications avec la premire communication radio entre l'Europe et l'Amrique du Nord tablie grce un systme labor par Marconi. A partir de ce moment, les communications utilisant les ondes radio vont sortir des laboratoires et du domaine l'exprimentation pour entrer dans le domaine industriel puis commercial. Les premiers utilisateurs des systmes de communications radio sont les bateaux pour des raisons videntes. Les premiers quipements de communications radio ont des tailles importantes. Ils sont pour cela principalement utiliss pour des applications de communications fixes. La complexit et le cot de ces premiers systmes font qu'ils ne sont accessibles qu' certains organismes dont les services de scurit, de transport ou d'urgence (sant, pompiers...). Aprs la seconde guerre mondiale, ces systmes vont entrer dans le domaine public avec les compagnies de taxis par exemple. Les entreprises utiliseront pendant longtemps des systmes ddis leurs applications spcifiques et connus sous le nom de systmes de radiocommunications prives (Private Mobile Radiocommunications, PMR, en anglais). La complexit de la technologie des composants de ces systmes fait que les communications radio mobiles restent pendant longtemps encore rserves quelques entreprises, certains organismes publics et aux services de scurit. Le dveloppement de la demande de la part des entreprises pour des systmes permettant leurs collaborateurs de rester en contact permanent avec leurs clients et leur entreprise date de la fin des annes 1970 avec l'arrive des systmes cellulaires2

fournissant alors un service de tlphone de voiture. Les annes 1990 constituent une tape importante pour les systmes de communications radio mobiles puisque se produit alors un saut quantitatif avec l'accs du grand public ces systmes. Le dveloppement formidable des services mobiles est d la conjonction de plusieurs facteurs : dveloppement de la technologie, drglementation et ncessaire ractivit de plus en plus importante des entreprises. Parmi les diffrents systmes de communications radio mobiles, les systmes cellulaires sont les plus complexes concevoir, dployer et exploiter. L'volution des systmes radio mobiles connat donc une croissance quasi continue, partir du dbut des annes 1990. En 1999, le nombre d'abonns aux services cellulaires au niveau mondial atteint plus de 2500 millions. Le chiffre de trois milliards est prvu avant 2010. Ainsi, les oprateurs des rseaux cellulaires ont d faire voluer leurs rseaux, vers les hautes densits. Ceci les a conduit utiliser de faon de plus en plus pousse le concept cellulaire, avec pour consquence principale une complexification accrue; au niveau du sous-systme radio cause des caractristiques du canal de transmission mis en uvre. De fait, les problmes d'interfrences dus au caractre de diffusion du canal radio, les fluctuations du signal lies aux trajets multiples et aux masques... ont pour consquence de compliquer la planification, l'exploitation et l'optimisation de ces rseaux. Enfin, l'volution des rseaux cellulaires - traditionnellement ddis aux services de voix vers des services multimdias haut dbit, constitue pour ces systmes une autre source de complexification et les oprateurs doivent russir assurer la convergence harmonieuse de deux mondes qui ont longtemps volu en parallle : le monde de l'informatique (c'est--dire celui de l'IP et de la commutation de paquets) et le monde des tlcommunications (c'est--dire celui de la voix et de la communication de circuits).

1.2. Acteurs du secteur des rseaux cellulairesLe secteur des rseaux cellulaires implique plusieurs intervenants. Nous prsentons les principaux qui seront voqus dans la suite de cet ouvrage : - Les fournisseurs d'quipements, galement appels vendeurs ou quipementiers, qui dveloppent les composants des rseaux cellulaires (commutateurs, stations de base, logiciels de traitement et d'exploitation...) ; - Les oprateurs qui exploitent les rseaux cellulaires et dont les revenus proviennent essentiellement de la vente des services (prise de ligne, abonnements, trafic, services valeur ajoute...) ; - Les entreprises d'installation, galement appeles sous-traitants, qui dploient les3

quipements et les mettent en service, pour le compte des fournisseurs ou directement des oprateurs ; - les agences de rgulation, qui fixent les rgles d'attribution des licences d'exploitation de rseaux cellulaires et qui interviennent dans la gestion des diffrends entre oprateurs concurrents d'un mme pays. Ces agences ont galement dans certains pays la responsabilit de gestion du spectre et des numros (ressources rares), lorsque celle-ci n'est pas confie un organisme spar ; - Les organismes de normalisation, le plus souvent internationaux, qui laborent les spcifications des systmes cellulaires par la dfinition des interfaces, des protocoles et des services de ces systmes. Ces organismes regroupent principalement oprateurs et fournisseurs d'quipements ; - Les fournisseurs de services qui dveloppent des services offerts aux usagers travers les rseaux des oprateurs. Ces services sont soit de simples abonnements ou fournitures de lignes, soit des services valeur ajoute ; - Les socits d'ingnierie qui offrent des services d'assistance aux oprateurs pour la planification, l'optimisation, la supervision du dploiement de leurs rseaux ; - Les socits de recherche et ngociation de sites radio qui se chargent de trouver et ngocier les sites radio ncessaires aux oprateurs pour installer leurs quipements (stations de base).

1.3. Cycle de vie d'un rseau cellulaireUn rseau cellulaire peut tre considr comme un organisme vivant et comporte de la mme faon plusieurs phases de dveloppement. Le cycle de vie d'un rseau cellulaire peut tre dcrit par six tapes principales. 1.3.1. Faisabilit technico-conomique La premire tape est une lude d'opportunit technique et conomique qui consiste estimer le march potentiel et dimensionner le rseau en consquence. Un plan d'affaires est tabli qui permet d'analyser la rentabilit du projet. Cette premire phase de gestation est donc celle pendant laquelle la rentabilit du projet et sa ralisation au niveau financier sont values afin de dcider de l'opportunit du passage la phase de dploiement du rseau. Cette tape de dimensionnement est difficile puisqu ce moment de la vie du rseau qui n'existe pas encore, il y a un cart entre les estimations de cots et le cot rel qui sera mesur la fin du dploiement du rseau. 1.3.2. Obtention de la licence4

L'autorisation d'installer et d'exploiter un rseau cellulaire fait souvent l'objet d'un appel candidature par l'organisme de rgulation ou par son quivalent. Dans le cas o un oprateur est intress par le projet, au vu notamment des rsultats de l'tape prcdente, il soumet un dossier pour l'obtention de la licence d'exploitation d'un rseau. Aprs obtention de la licence, l'oprateur consulte des fournisseurs d'quipements sur la base d'un cahier des charges refltant les besoins estims et les contraintes particulires lies la licence attribue, et slectionne un fournisseur sur la base de critres tels que les prix, la qualit des quipements, etc.

Faisabilit technico-commerciale - Dimensionnement - Plan daffaire - Stratgie de loprateur

Obtention de la licence - Dossier de candidature - Schma de financement - Choix de fournisseurs

Transition vers une nouvelle technologie

Dploiement du rseau - planification - surveys - installation et mise en service

Evolution des services - Introduction de nouvelles fonctions - Dveloppement de services

Optimisation, extension, densification - Apprentissage - optimisation - Densification et extension

1.3.3. Dploiement La phase de dploiement initial permet d'atteindre les objectifs court terme de l'oprateur (en termes de couverture et de capacit). Elle consiste en la mise en place des premires stations de base ainsi que des autres quipements du rseau qui vont permettre la commercialisation des services. Cette phase est donc la naissance du rseau. La premire proccupation d'un oprateur cette tape de la vie du rseau est de couvrir les zones cibles en s'assurant des seuils de niveaux de champ minimum. 1.3.4. Optimisation, extension et densification Quand le rseau est oprationnel, c'est--dire la fin de la phase de naissance, l'oprateur5

va tre confront deux types de problmes : il doit tout d'abord contrler le rseau pour amliorer sa qualit. Il s'agit cette tape d'optimiser le rseau sans en accrotre la capacit. L'oprateur doit ensuite assurer la croissance du rseau pendant la vie du rseau et y intgrer de nouvelles ressources, atteindre de nouveaux objectifs, etc. Cette tape de croissance du rseau commence donc par une phase d'apprentissage dont le but essentiel est d'amliorer la qualit sans ajouter de nouvelles ressources. La croissance du rseau au niveau couverture et capacit va ncessiter de la part de l'oprateur d'tendre et de densifier son rseau. Ceci se fera conjointement avec une phase d'optimisation du rseau. 1.3.5. Evolution des services Les normes de systmes cellulaires voluant (tel le cas du GSM par exemple), de nouvelles fonctionnalits et de nouveaux services sont dfinis qui peuvent tre intgrs dans le rseau et proposs aux usagers. Ces diffrentes phases vont ncessiter de la part de l'oprateur de faire voluer de faon plus ou moins importante la structure de son rseau (introduction de fonctions telles que le saut de frquence ncessitant une re-planification radio ou de nouveaux services tels que le GPRS ncessitant l'ajout de nouveaux types d'quipements au niveau du rseau fixe). 1.3.6. Transition vers une nouvelle technologie Le changement important de technologie peut entraner un changement radical au niveau des quipements du rseau. C'est le cas des transitions vers la premire gnration (analogique) vers la deuxime gnration (numrique) des rseaux cellulaires ou encore de la deuxime gnration (voix et donnes dbit limit) vers la troisime gnration (services multimdias haut dbit).

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La Propagation en environnement radio mobile2.1. Propagation en environnement radio mobileLe canal radio mobile est l'un des plus complexes pour la transmission signaux. Ce canal occupe un espace (appel parfois therr) dont les caractristiques sont en constant changement (position et nature des obstacles, temprature humidit...). Il subit donc des phnomnes dont les effets varient constamment, caractrisation de ce mdium de transmission est par consquent complexe. D'autre part, le signal radio mobile subit de nombreuses dgradations lors de son trajet entre l'metteur et le rcepteur. De ce fait, la chane de transmission labore pour systmes radio mobiles doit intgrer des processus et mcanismes permettant protection et la correction des erreurs introduites dans l'information transmise travers un canal radio mobile. Dans ce chapitre, nous nous intressons aux diffrents phnomnes que subit l'onde lectromagntique lors de son parcours entre deux points. Nous prsentons cet gard quelques modles de propagation classiquement utiliss dans la littrature et pour la dfinition ou la planification des systmes radio mobiles.

2.1.1. Phnomnes de base de la propagationLa propagation du signal dans l'environnement se fait selon quatre modes de propagation de base : la rflexion, la diffraction, la diffusion et transmission. 2.1.1.1. Rflexion Lorsqu'une onde se propage sur l'interface air, elle rencontre des obstacles sur son trajet. Lorsque les obstacles rencontrs sont de grande taille et que leur surface est lisse, l'onde va alors subir une rflexion. Le signal rflchi aura des caractristiques qui dpendront des proprits de l'obstacle. Une partie du signal sera absorbe par l'obstacle et transmise l'intrieur de l'obstacle et une partie du signal sera rflchie. La rflexion introduit un dphasage de l'onde rflchie. Au niveau du rcepteur, ces ondes rflchies vont se combiner de faon constructive ou destructive. 2.1.1.2. Diffraction : Dans le cas o l'onde rencontre un obstacle dont les dimensions ne sont pas importantes par rapport la longueur d'onde ou si cet obstacle prsente des artes vives et d'autres7

irrgularits, des ondes secondaires apparaissent et se propagent dans tout l'espace et en particulier dans la rgion situe derrire l'obstacle. L'onde rsultante est appele onde diffracte. Ce phnomne est trs courant en environnement urbain. 2.1.1.3. Diffusion Dans certains cas, l'onde rencontre des obstacles dont les dimensions sont du mme ordre de grandeur ou plus petites que la longueur donde. Si le nombre d'obstacles par unit de volume est suffisa mm ent important, les effets du phnomne, dit de diffusion, sont considrs de faon statistique. L'nergie de l'metteur sera dans ce cas diffuse dans de multiples directions. La dispersion de l'nergie du signal par le phnomne de diffusion introduit une perte d'nergie rflchie dans les directions spculaires. En environnement urbain, les obstacles courants faisant apparatre ce phnomne sont typiquement les lampes d'clairage public, les panneaux de signalisation ou les feuillages de la vgtation. 2.1. 1.4. Transmission Lorsque l'onde traverse un milieu (l'air, un mur...) elle subit une attnuation qui dpend de ce milieu de transmission. En espace libre, c'est--dire lorsque l'onde radio se propage dans un environnement sans obstacle, l'attnuation de la puissance du signal en fonction de la distance suit une relation trs simple : PeGeGr 2 Pr = (4d ) 2 L o P e(r) reprsente la puissance de l'metteur (rcepteur). G e ( r ) reprsente le gain de l'antenne de l'metteur (rcepteur), d est la distance metteur-rcepteur et est la longueur d'onde du signal. Plus le milieu de propagation comprend d'obstacles, plus l'exposant d'attnuation va tre lev et l'attnuation de l'onde en fonction de la distance sera d'autant plus importante.

2.1.2. Perturbations du signal pendant la propagationSur son trajet entre l'metteur et le rcepteur, le signal radio mobile est l'objet de plusieurs phnomnes. L'impact de ces phnomnes au niveau de la qualit du signal reu varie en fonction de plusieurs paramtres que nous introduisons ci-aprs. 2.1.2.1. Perte de propagation ou pathloss En se propageant dans l'atmosphre, le signal subit une attnuation inversement proportionnelle la distance parcourue. Ce phnomne peut tre facilement mis en vidence dans le cas de la propagation en espace libre. Soit un metteur de puissance P utilisant une antenne isotrope, l'nergie diffuse par l'antenne isotrope se rpartit dans toutes les directions et sur toute la surface de la sphre centre sur l'antenne. A une8

distance R, la puissance reue par u n i t de surface de la sphre (de surface R2 ) est gale P/R2. Celte formule montre donc que lorsque la distance R augmente, la densit de puissance par unit de surface diminue. La perte de propagation subie par le signal sera donc d'autant plus faible que la distance entre l'metteur cl le rcepteur est grande. Lattnuation subie par le signal dpendra de facteurs tels que le type d'environnement, les caractristiques des antennes d'mission et de rception, la frquence utilise... Ce phnomne porte galement le nom de palhloss. 2. 1 .2.2. fading de masquage En se propageant, le signal rencontre des obstacles de caractristiques (taille, composition...) variables. Dans ce cas, il subit, en plus de l'attnuation de parcours une attnuation due au masque rencontr. Nous prcisons dans les paragraphes suivants les diffrents cas qui se prsentent. 2.1.2.2.1. Propagation en visibilit La propagation en espace libre est un cas thorique qui, dans la pratique, n'est que rarement vrifi (cas des communications inter satellites par exemple). Dans certains cas, il est toutefois possible de considrer que l'impact des obstacles environnants est ngligeable et que par consquent, l'affaiblissement du signal est trs proche de celui de l'espace libre. Le terme employ dans ce cas est celui de Pour dterminer si la propagation se fait dans des conditions de LOS ou non, il convient de considrer les ellipsodes tic Fresnel. Le premier ellipsode dlimite la rgion de l'espace o est vhicule la plus grande partie de l'nergie du signal. Se situer dans cet ellipsode revient se trouver dans des conditions de LOS.

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En posant d : distance metteur-rcepteur et d1 + d2 = d. le rayon r de cet ellipsode est donn par la formule suivante :

Exemple : Pour une distance d= 20 km, en se plaant au centre de l'ellipsode ( l'quateur). d1=d2=d/2. Pour la bande (GSM 900 Mhz ie = 33 cm) d'o r= 40,6 m. La propagation se fait en espace libre ou LOS si aucun obstacle n'obstrue premier ellipsode de Fresnel de manire trop importante, c'est--dire en pratique, le dgagement de la /onc de Fresnel est suprieur 60 %. 2.1.2.2.2. Propagation en non-visibilit La propagation en non visibilit ou Non-l.ine of sight (NLOS) se produit donc quand les conditions de visibilit dfinies dans le paragraphe prcdent ne sont pas remplies. Dans ce cas, le signal va subir les phnomnes de rflexion, de rflexion d'absorption et de rfraction sur l'obstacle. Plusieurs modles exacts permettent decalculer la perte de propagation subie par un signal ayant rencontr plusieurs obstacles sur son trajet entre l'metteur et le rcepteur. Il s'agit des modles dits de diffraction sur artes vives ou Knife edge diffraction. A titre d'exemple nous prsentons dans le paragraphe 2.1.42.1 le modle de Deygout. L'attnuation porte le nom de fading de masquage ou shadow fading. L'ordre de grandeur des vanouissements dus aux masques est celui des masques eux-mmes qui sont de grande taille (btiments, collines...) d'o l'appellation fading lent, par opposition au fading rapide, sujet du paragraphe suivant. Un vanouissement lent se produit typiquement sur des distances de plusieurs dizaines de mtres et pendant plusieurs secondes ou dizaines de secondes. 2.1.2.3. Fading de Rayleigh Le premier phnomne le plus important quant son impact au niveau de la qualit des informations reues est le phnomne des multi trajets ou multipath effect. Quand l'onde radio rencontre un obstacle, une partie de son nergie est absorbe et une autre partie est rflchie et/ou rfracte. Ainsi, un signal mis dans l'atmosphre va rencontrer des obstacles en nombre variable qui vont chacun rsulter en un signal rflchi qui va lui-mme se comporter de la mme manire que le signal initial. Le signal rsultant reu au niveau de l'antenne de rception sera donc la somme de tous les signaux rflchis et du signal provenant du trajet direct s'il existe. Chaque signal rflchi reu au niveau du rcepteur possde des caractristiques (amplitude, phase et frquence) qui vont varier par rapport aux10

autres signaux. Le phnomne de Doppler introduit un dcalage de la frquence du signal reu par rapport la frquence d'mission, dans le cas o l'metteur et le rcepteur sont en mouvement l'un par rapport l'autre. En fonction du trajet parcouru (distance, direction, nombre de rflexions...) par le signal, ses caractristiques seront modifies en consquence. La combinaison de ces signaux de caractristiques diffrentes donne lieu une fluctuation du signal en amplitude et en phase essentiellement. Plusieurs signaux arrivent donc avec des angles d'arrive et des phases qui sont alatoires et statistiquement indpendants. Le signal rsultant de la somme des contributions de chacun de ces signaux comprend des trous ou vanouissements importants (2 30 d B) appels fadings. Ces fadings suivent une distribution particulire dont le modle le plus connu est celui de Rayleigh, d'o le nom de fadings de Rayleigh. Ces vanouissements ont galement pour caractristiques de se produire l'chelle de la longueur donde, ce qui fait que ce phnomne porte galement le nom de fading court ou fading rapide. Un vanouissement rapide se produira typiquement sur des distances de quelques dizaines de centimtres et pendant quelques millisecondes ou dizaines de millisecondes, en fonction de la vitesse du mobile et de l'environnement de propagation. Le phnomne de multi trajet a une deuxime consquence trs importante au niveau des information remues. En effet, le signal issu d'un trajet multiple prsentera un retard par rapport au signal issu d'un trajet direct. D'o la dispersion temporelle des signaux issus des trajets rflchis au niveau du rcepteur. Cette dispersion temporelle, appele delay spread, a pour consquence que les signaux issus de la transmission d'un symbole pourront se superposer aux signaux issus de la transmission du symbole prcdent ou suivant. Ceci est l'origine du problme d'interfrence inter symbole ISI). Une des consquences principales de l'ISI est la limitation du nombre de symboles pouvant tre mis par unit de temps, et donc la limitation des dbits binaires possibles sur l'interface radio. Un moyen de lutte contre les problmes de fading rapide consiste mettre en uvre des techniques de diversit spatiale ou de polarisation. 2.1.2.4. Attnuations dues aux arbres La prsence d'arbres dans l'environnement de propagation de l'onde radio entrane des attnuations dont l'impact peut tre important au niveau de la rception. Ainsi, des arbres isols peuvent tre l'origine d'un masquage important dans les zones situes derrires ces arbres. L'influence des ranges d'arbres plants le long des rues a fait l'objet d'tudes thoriques qui ont montr que le signal reu avait subi une attnuation de plusieurs dcibels supplmentaires du fait de la prsence des arbres. En modlisant la perte de propagation par + nlogR ou est une constante et R la distance entre l'metteur et le rcepteur, les rsultats montrent qu' 900 MHz.11

l'attnuation due aux arbres prsente un coefficient d'attnuation n compris entre 4,1 et 8.4 pour une antenne situe en dessous des arbres (12 m) et a une valeur de 3 pour des antennes trs leves (84 m). Le module de Weissberger a t tabli pour prendre en compte l'effet des arbres dans les calculs de propagation. Il est valable pour les frquences comprises entre 230 Mhz, et 95Ghz et en environnement tempr.

2.1.3. Perturbations par brouillagesOutre les perturbations subies par le signal du fait de l'environnement de propagation, le signal la rception peut tre brouill par des signaux parasites qui peuvent tre diffrencis entre bruits et interfrences. Les bruits (noise) sont des perturbations de deux types : interne ou externe. Les bruits internes sont essentiellement dus aux phnomnes lectromagntiques qui font qu'un signal est trait cl transmis l'intrieur des quipements d'mission/rception (actifs ou inactifs). Leur impact est relativement bien matris. Les bruits externes sont par contre induits par tous les quipements lectromagntiques qui mettent des ondes parasites dans la mme bande de frquence que celle du systme. Ces ondes sont particulirement importantes en zone urbaine o vhicules, gnrateurs lectriques, panneaux lumineux, etc.. sont prsents en grand nombre. Les bruits ont un impact ngligeable compar aux perturbations cres par les interfrences. Les interfrences sont des brouillages ayant pour origine les missions de signaux dans la mme bande ou dans des bandes proches de la bande du systme. Ces interfrences sont trs importantes dans les systmes cellulaires du l'ail du mcanisme de rutilisation des frquences. C'est l leur principale limitation en termes de capacit et de qualit de service. Deux types d'interfrences sont identifis : les interfrences co-canal et les interfrences sur canal adjacent. Les interfrences co-canal sont des brouillages de signaux se superposant au signal utile du fait de leur mission sur la bande de frquence du signal utile. Les interfrences sur canal adjacent sont des brouillages de signaux se superposant au signal utile du fait de l'mission de signaux sur des bandes de frquences adjacentes la bande de frquence du signal utile.

2.1.4. Modlisation du canal radio mobileLe canal radio mobile, en raison de la complexit des phnomnes agissant sur le signal au cours de la propagation dans l'environnement est difficile modliser. D'autre part, du fait de la dpendance du comportement du signal avec l'environnement dans lequel il se12

propage, il n'existe pas un modle de canal unique mais plusieurs modles de canaux radio mobiles. Les modles de canaux radio mobiles peuvent tre classs en deux catgories. Les modles petite chelle qui modlisent le comportement du canal au niveau de la longueur d'onde du signal. Citons parmi ces modles, ceux de Rayleigh, de Rice ou de Nakagami. Ces modles sont utiliss typiquement pour l'tude et la conception de mcanismes lis la chane de transmission (codeurs/dcodeurs, galiseurs, modulateurs/dmodulateurs...). Ils permettent de tester la robustesse de ces mcanismes dans le cas d'un canal de transmission radio mobile, caractris par le phnomne de fading rapide. Dans ce cas, une rponse impulsionnelle reproduisant des variations temporelles et spatiales permettra d'valuer les performances des algorithmes de collection des distorsions du canal. Les modles grande chelle qui modlisent le comportement du canal au-del du mtre. Parmi ces modles, citons les modles d'Okumura-Hata, de Walfish-Ikegami... Ces modles sont utiliss typiquement pour la planification des rseaux radio et permettent de connatre le niveau de champ du signal en tout point de la couverture d'une zonc desservir par un service de transmission radio. Ils ncessitent, contrairement aux prcdents, l'utilisation de bases de donnes gographiques reproduisant l'environnement considr pour le dploiement d'un systme radio. 2.1.4.1. Modles empiriques De nombreuses campagnes de mesures ont t ralises par les entreprises de tlcommunications et les laboratoires de recherche afin de dterminer les paramtres importants considrer dans les systmes de communications radio. Ces mesures montrent que les facteurs d'environnement, tels que les terrains, les matriaux de construction, les vitesses des pitons et des vhicules... ont un impact direct sur les caractristiques de la propagation radio. Cependant, bien que les mthodes de modlisation analytique soient satisfaisantes au niveau thorique, en pratique, il est difficile de dterminer les valeurs des paramtres de ces modles, en particulier si l'on souhaite construire un modle spcifique pour un environnement spcifique. C'est pour cette raison que des modles empiriques sont labors en extrapolant des courbes partir de sries de points correspondant des mesures ralises dans diffrentes conditions. Leur principal avantage rside dans le fait qu'ils permettent de prendre en compte tous les phnomnes de propagation. En ayant recours des informations telles que les caractristiques des obstacles (btiments...), les calculs sont trs rapides. Leur principal inconvnient vient du fait qu'ils restent fortement spcifiques des environnements dans lesquels les mesures ont t effectues.13

Les modles empiriques sont dvelopps travers un processus en plusieurs phases : collecte des donnes, analyse statistique et construction du modle puis validation du modle. La premire phase, qui consiste en la collecte des donnes, ncessite le recueil d'un 1res grand nombre le mesures de propagation ralises dans diffrents scnarios. La deuxime phase, qui consiste en l'analyse statistique et la construction du modle, ncessite l'extraction des donnes recueillies et leur modlisation aprs analyse statistique. La dernire phase, qui correspond la validation du modle, va consister simuler le modle, l'analyser et le valider. Le modle est ensuite affin de manire faire correspondre les mesures ralises aux donnes collectes et aux traces ralises. 2.1.4.1.1. Le modle d'Okumura-Hata Le modle empirique le plus couramment utilis en ingnierie des rseaux cellulaires et pour les environnements de type macrocellules, est le modle d'Okumura-Hata. Obtenue la suite de sries de mesures dans la rgion de Tokyo et pour des frquences allant jusqu' 1920 MHz, la formule d'Okumura-Hata se base sur le principe suivant : la perte de propagation en espace libre entre deux points est calcule et corrige par une valeur A(f,d). Formulation : L0=69.55 +26.16 log (f) 13.82 log (hb) + (44.9-6.55 log (hb)) log(d) Pour une ville grande, lexpression est donne par : Lurbain = L0 a (hm) o a(hm)=(1.1 log (f) 0.7) hm (1.56 log(f) 0.8)

Pour une ville moyenne, lexpression est donne par : Lurbain = L0 a (hm) a(hm)=8.29[ log(1.54 hm)]2 - 1.1 a(hm)=8.29[ log(1.54 hm)]2 4.97 avec pour f 200 Mhz pour f 200 Mhz

Pour un environnement banlieue, les pertes ont pour expression Lbanlieue = L0 2 [ log(f/28)]2 5.4 Pour un environnement rural dgag, les pertes ont pour expression Lrural = L0 4.78 [[log(f)]2 + 18.33 log (f) 40.94 Pour un environnement rural quasi dgag, les pertes ont pour expression Lrural = L0 4.78 [[log(f)]2 + 18.33 log (f) 35.9414

Avec : f : frquence en Mhz (150 Mhz f 1.5 Ghz) d : distance entre la station de base et le mobile en Km (1 Kmd20 Km) hb : hauteur de la station de base en m (30m hb 200m) hm : hauteur du mobile en m (1mhm10m)

Le modle dOkumura-Hata ne tient toutefois pas compte des reliefs prcis tels que les masques de diffraction. De plus la bande de frquence interdit son utilisation pour des applications comme la planification du DCS ou de lUMTS. A cet effet un modle amlior a t propos, cest celui de COST231 de HATA. 2.1.4.1.2. Modle COST 231 de Hata Le modle COST 231 de Hata est dvelopp ainsi pour tendre lutilisation du modle dOkumura-Hata pour les bandes de 1500 2000 MHz.

Formulation :

Lp = 46.33 + (44.9 6.55 log(h1 )) log(d ) a(h2 ) 13.82 log h1 + CPour les petites et moyennes villes :

a(h2 ) = (1.1log( f ) 0.7)h2 1.56 log( f ) + 0.8Pour les villes denses :a ( h 2 ) = 3 .2 log( 11 .75 h 2 )) 2 7 .97

La valeur de C est donne : Dans le milieu urbain : C = 0 Dans le milieu suburbain : C = 51.11 Dans le milieu rural : C = 30.2315

2.1.4.1.3. Modle de Walfisch-Ikegami Le groupe de recherche europen COST231 utilise un modle combinant les approches empiriques et dterministes pour calculer les pertes de propagation en milieu urbain. Ce modle prend en compte la perte de propagation en espace libre, la perte par diffraction, la perte entre les toits des btiments voisins et linfluence des routes o le mobile est situ. Le modle considre seulement les btiments dans la direction verticale entre lmetteur et le rcepteur. Il se base principalement sur les modles de Walfich et Bertoni ainsi que celui dIkegami. Les paramtres intervenants et les conditions de validit du modle sont donns ci-aprs: f : Frquence porteuse (MHz) : 800 f 2000 .hTX : Hauteur dantenne (m) de la station de base par rapport au sol : hRX : Hauteur dantenne (m) de la station mobile par rapport au sol : 4 hTX 50 1 hRX 3

hRoof : Hauteur moyenne (m) des btiments : hRoof hRX .

W : Largeur de la route (m) o le mobile est situb : Distance (m) entre les centres de btiments d : Distance (Km) entre la BS et la MS : 0.02 d 5.

: Angle (en degrs) que fait le trajet avec laxe de la routehTX = hTX hRoof (m) : Hauteur de BS au dessus des toits. hRX = hRoof hRX (m) : Hauteur de MS au dessous des toits.

Le modle distingue deux cas selon que le mobile est en vision directe avec lmetteur (LOS) ou non (NLOS).i. Cas de LOS :L p = 42 .64 + 26 log( d ) + 20 log( f ).

Le modle suppose que la hauteur dantenne de BS est suprieure 30m pour assurer le dgagement de la zone de Fresnel. Laffaiblissement dans lespace libre est donn par :L fs = 32 . 45 + 20 log( d ) + 20 log( f ).

Laffaiblissement en LOS dans le cas du modle de Walfisch-Ikegami scrit alors :

L p = L fs + 10 .19 + 6 log( d ) = L fs + 6 log( 50 d ).ii. Cas de NLOS :

L fs + L rts + L msd siL rts + L msd > 0 L p = . L siL + L rts msd 0 fs

16

O : L fs : Perte de lespace libre.

Lrts : Perte due la diffraction. Lmsd : Estimation des effets de la diffraction multi obstacle. Lrts = 16.9 10 log(W ) + 10 log( f ) + 20 log( hRX ) + Lori Lori : Dpend de lorientation de la route par rapport lmetteur : 10 + 0 . 3574 , 0 < < 35 = 2 . 5 + 0 . 075 ( 35 ), 35 < < 55 4 0 . 1114 ( 55 ), 55 < < 90

L ori

La perte de l'orientation est un terme empirique de correction obtenu aprs calibrage. Lestimation de la perte diffraction multi obstacles est donne par lexpression suivante :

Lmsd = Lbsh + k a + k d log( d ) + k f log( f ) 9 log( b )Avec :

18(1 + hTX ) si hTX > 0 Lbsh = si hTX < 0 0 54 hTX > 0 k a = 54 0.8hTX d 0.5 Km et hTX 0 d 54 0.8hTX d 0.5 Km et hTX 0 0.5 si hTX > 0 18 kd = h 18 15 TX si hTX < 0 hRX f 0.7 925 1 Pour les villes moyennes et les centres suburbain k f = 4 + f 1.5 1 Pour les centres mtropolit ains 925

L'exactitude de ce modle est assez leve parce que dans les environnements urbains, la propagation sur les toits (diffractions multiples) est le mcanisme le plus dominant. Seuls les17

effets de guide donde par rflexions multiples ne sont pas considrs. Nanmoins, les modles prcdents ne sont pas valables pour prdire la propagation pour les rseaux sans fil lintrieur des btiments tels que les WLANs (2,4 GHz) et les HIPERLANs (5, 17, 60 GHz) car dune part ils exigent lutilisation des frquences infrieures 2 GHz, et dautre part ils ne tiennent pas compte de spcificit de btiments telle que la nature des murs, leffet des tages qui sont des paramtres non ngligeables pour la propagation indoor. Pour cette raison dautres modles propres cet environnement sont tablis.2.1.4.2. Evaluation d'un modle de prdiction de propagation

Les performances d'un modle de prdiction de propagation du signal doivent faire l'objet d'une valuation avant de dcider de son utilisation. Pour cela, des mesures sur leterrain sont ralises et les valeurs mesures sont compares aux valeurs prdites par le modle

considr Ainsi, pour chaque point de mesure. Lerreur de prdiction sera estime selon laformule suivante: D=Vmesure-Vprdiction

L'tape suivante consiste effectuer l'analyse statistique de ces erreurs afin d'en dterminer : la valeur moyenne,lcart-type et le pourcentage de points de mesure pour lesquels \D\ est infrieure X( d B ) pour X= 4,6 et 11 dB typiquement. Les critres permettant de valider un modle de prdiction de propagation seront les suivants : - valeur moyenne de l'erreur de prdiction infrieure 1 dB, - valeur de l'cart-type comprise entre 5 et 7 dB. - pourcentage de points pour lesquels |D| < 4 dB infrieur 50 %, pourcentage de points pour lesquels |D| < 6 dB infrieur 70 % et pourcentage de points pour lesquels |D| < 1 1 dB infrieur a 90 %. 2. 1 .4.3. Importance des modles de propagation tluns lu planification des rsetiu.v Disposer d'un modle de prdiction de propagation est essentiel pour la planification radio d'un rseau cellulaire. Dans le cas des systmes bass sur la mthode AMRT. Les contraintes de prcision sont cependant moindres que dans le cas des systmes bass sur la technique AMRC. Dans ce dernier cas, les modles de propagation doivent tre plus prcis et complexes et intgrer des modles avancs de fading, afin de pouvoir simuler le contrle de puissance, en effet, dans le cas des systmes AMRC. Les erreurs de modlisation de propagation peuvent fausser de manire importante le calcul des puissances d'mission et de rception des mobiles et des stations de hase et donc fausser le calcul de capacit.

2.2. Caractristiques de base des antennes18

L'antenne est l'lment de hase du systme de transmission permettant de coupler l'nergie lectromagntique avec un quipement d'mission/rception Elle est gnralement caractrise par : son diagramme de rayonnement, son ouverture, la polarisation de l'onde mise, sa directivit, son gain, sa puissance isotrope rayonne quivalente (PIRE), sa surface quivalente de rception et la bande dans laquelle elle peut tre utilise.

2.2.1 DiagrammeLe diagramme d'une antenne est la reprsentation graphique des caractristiques d'mission/rception des ondes lectromagntiques dans les diffrentes directions de l'espace. Le diagramme d'une antenne se reprsente communment selon l'axe vertical et selon l'axe horizontal. Ainsi, une antenne pourra tre caractrise par sa surface caractristique de rayonnement qui reprsente la surface, ferme, obtenue en portant, partir d'un point origine, un vecteur. La longueur de ce vecteur dpend du champ (selon par exemple une fonction dont la valeur peut tre gale au champ lui-meme, au carre du champ ou son logarithme) cr une distance fixe choisie de l'antenne et dans la direction du vecteur. La surface obtenue est normalise, gnralement par le vecteur de longueur maximale (qui reprsente la direction dans laquelle rception et mission de signaux seront les plus efficaces). La surface ainsi normalise ne dpendra plus de la puissance d'alimentation de l'antenne mais de ses caractristiques intrinsques. Elle peut tre considre pour des distances suprieures 2D2/, o D reprsente le diamtre de la surface quivalente de l'antenne.

19

Diagramme dune antenne sectorielle dans le plan horizontal La reprsentation de la surface caractristique de rayonnement d'une antenne tant en trois dimensions, il est plus ais en pratique de reprsenter des coupes en deux dimensions de cette surface que l'on appelle diagrammes de rayonnement de l'antenne. Le diagramme de rayonnement d'une antenne peut tre ralis en coordonnes polaires ou en coordonnes cartsiennes (dans le cas o l'angle d'ouverture est petit). Dans le cas des rseaux radio mobiles, deux coupes de la surface caractristique de rayonnement d'une antenne sont utilises : - le diagramme de rayonnement horizontal qui permet de dterminer la couverture que permettra d'assurer l'antenne. - le diagramme de rayonnement vertical qui indiquera la directivit dans le plan vertical et sera utilis pour dterminer l'orientation de l'antenne par rapport la verticale (appele tilt ).

2.2.2. OuvertureL'ouverture d'une antenne est dfinie comme l'angle entre les deux directions pour lesquelles le rayonnement est identique. On choisit couramment deux points pour lesquels la puissance est la moiti de la puissance maximum (obtenue sur l'angle principal), c'est--dire - 3 dB de l'angle principal.

2.2.3. PolarisationA une distance importante de la source, le champ lectromagntique est constitu par des vibrations transversales dfinies par deux vecteurs perpendiculaires : le champ lectrique E et le champ magntique H. Par convention, la polarisation de l'onde est la direction du champ lectrique E. La polarisation rectiligne est obtenue lorsque le champ lectrique a une direction fixe. Lorsque l'extrmit du vecteur E dcrit une ellipse, il s'agit de polarisation elliptique. De20

plus, dans ce cas, si. observe partir de l'metteur, l'extrmit du vecteur f tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, la polarisation est droite sinon elle est dite , gauche.

2.2.4. DirectivitC'est le rapport de l'intensit de rayonnement dans une direction particulire sur celle de lintensit de rayonnement moyenne dans toutes les directions. La directivit de l'antenne est dfinie comme le rapport entre l'intensit de rayonnement de l'antenne dans une direction particulire et la valeur moyenne de cette intensit pour toutes les directions de l'espace. Elle s'exprime en dcibels (dB). Une antenne est dite isotrope quand elle possde une intensit de rayonnement identique dans toutes les directions de l'espace. Dans ce cas, sa directivit est nulle (OdB). Le lobe principal est dfini comme le lobe de radiation contenant la direction de la puissance rayonne maximum et les lobes secondaires sont les lobes diffrents du lobe principal.

2.2.5. GainLe gain d'une antenne est une caractristique particulirement importante qui reprsente le rapport entre l'intensit de rayonnement dans une direction donne et celle d'un signal rayonn isotrope. C'est galement le rapport entre la puissance qu'il faudrait fournir une antenne de rfrence et la puissance de l'antenne considre pour obtenir la mme intensit de rayonnement dans une direction donne. Le gain d'une antenne particulire dpend de la bande de frquence utilise et s'exprime en dB. Lorsque l'antenne de rfrence utilise pour calculer le gain est une antenne isotrope, le gain sera appel gain absolu et s'exprimera en dBi (i pour isotrope).

2.2.6. PIRE:La puissance isotrope rayonne quivalent ou PIRE est dfinie comme la puissance ncessaire fournir une antenne isotrope pour obtenir la mme puissance que celle fournie par l'antenne considre et dans la direction considre. La PIRE est donne par le produit de la puissance P fournie l'antenne par le gain isotrope G(,): PIRE=P+ G(,): Dans le cas gnral, c'est la direction principale de l'antenne dans laquelle le rayonnement est maximal qui est prise en compte pour dterminer la porte d'une antenne. Dans ce cas, la valeur de la PIRE sera : PIRE=P+ G(dB)

21

2.2.7. Surface quivalente de rceptionSoit une onde sphrique de densit de puissance S au niveau de l'antenne le rception. Cette antenne reoit une puissance P proportionnelle S : P= A.S. Le coefficient A, qui a la dimension d'une surface, est appel surface quivalente de l'antenne (ou aire quivalente de l'antenne)

2.2.8. Largeur de bandeUne antenne est caractrise par la largeur de bande dans laquelle elle est oprationnelle.

22

Dimensionnement des rseaux cellulairesDans le cycle de vie d'un rseau cellulaire, l'tape de dimensionnement des quipements et interfaces intervient en premier lieu et permet de dterminer le volume des quipements, logiciels et autres moyens (capacits de transmission...) acqurir et dployer pour la fourniture des services de tlcommunications mobiles du rseau cellulaire. Le concepteur de rseau ou l'ingnieur en tltrafic qui souhaitent dimensionner un rseau commutation de paquets ou commutation de circuits s'intressent principalement aux paramtres suivants: dbit utile du rseau, charge des diffrents lments du rseau, dlais de transit des informations dans le rseau et probabilit de perte d'une partie ou de toute l'information. L'objectif de ce chapitre est d'introduire les outils de base permettant le dimensionnement des principaux quipements et interfaces d'un rseau cellulaire. Ce chapitre traite tout d'abord le cas du service de parole, celui dont les caractristiques sont les plus connues et les mieux matrises. La seconde partie traite des mthodes de dimensionnement du trafic de donnes, beaucoup moins rgulier et plus diversifi au niveau de ses caractristiques que le trafic de parole.

3.1. Rappels sur les lois d'ErlangLes mesures ralises au dbut de la tlphonie par la compagnie de tlphone de Copenhague (Copenhagen TelephoneCOMPANY)

ont donn lieu aux publications en 1908 de

modles analytiques de trafic labores par A.K. Erlang (1878-1929). le fondateur de la thorie du tltrafic. Les lois d'Erlang sont depuis utilises par les ingnieurs en tltrafic des rseaux de tlcommunications pour leurs calculs de dimensionnement de trafic. Nous rappelons dans ce paragraphe les principaux rsultats de la thorie du trafic base sur les lois d'Erlang.

3.1.1. Notions de trafic et dfinition de l'ErlangDe faon gnrale, la charge d'un systme donn est dfinie comme le nombre d'units d'information (messages ou bits) couler par unit de temps. Deux paramtres essentiels permettent de dfinir la charge : la dure moyenne de transmission des informations et le taux moyen d'arrive des informations. Le trafic coul par un systme de tlcommunications23

pendant une priode d'observation T est dfini comme le nombre d'units d'information coules pendant T. Ce trafic est couramment appel dbit. La charge en trafic est dfinie comme la dure totale d'occupation des ressources par unit de temps. L'unit de charge de trafic est lerlang (erl), en rfrence au crateur de la thorie du tltrafic. La charge d'un systme peut tre suprieure la capacit et donc au dbit du systme. Dans ce cas, les demandes non satisfaites sont soit rejets (premire loi d'Erlang ou loi d'Erlang B), soit mises en attente (loi d'ErlangC).

3.1.2. Modle de trafic perte : lErlang BLa charge en trafic est souvent appele intensit de trafic (trafic intensity) et possde les proprits suivantes: - soit le nombre d'appels gnrs par unit de temps et d la dure moyenne d'appel. La charge en trafic a est dfinie par la relation : a =d (erl) - la charge de trafic transporte par un circuit unique est quivalente la probabilit (ou fraction de temps) que ce circuit soit utilise (occup) ; - la charge de trafic transporte par un groupe de circuits est quivalente au pourcentage moyen de circuits occups dans le groupe. Exemple : Soit trois appels de dure 5, 10 et 15 minutes, pendant une heure d'observation. La charge en trafic a est gale : a= (5+10+15)/60=0,5 erl Trafic en Erlang = Dure d'occupation de(s) ressource(s)/ Dure de la priode de rfrence. 1 Erlang = dure d'occupation d'une ressource pendant toute la priode de rfrence. La premire loi d'Erlang, appele loi dErlang B est base sur les hypothses suivantes : - arrive alatoire des appels : processus de Poisson. - dure des appels suivant une distribution exponentielle. - nombre infini de sources de trafic et sources homognes. - systme statistiquement l'quilibre. - charge du systme connu. Le processus de Poisson modlise bien le trafic transactionnel ou encore le trafic d'appel tlphonique qui arrive sur un commutateur de circuit. Il est donc la base de la plupart des lois de tltrafic utilises en tlcommunications et les lois d'Erlang en particulier. Dans certains cas, la loi de Poisson n'est plus valide et d'autres types de processus doivent tre considres.Rappel sur le processus de Poisson:24

Soit un trafic caractris par : - la probabilit qu'un appel soit mis pendant l'intervalle de temps /t. t+t/ tende vers t est indpendante de t, tant constant. - la probabilit que deux ou plus d'appels soient mis pendant l'intervalle /t, t + t/ tend vers 0. - les appels sont gnrs indpendamment les uns des autres. La distribution de Poisson de moyenne t. o est le taux d'arrive, est donne par la relation : ( t ) k t PK (t ) = e k! La fonction de distribution du temps inter arrive (probabilit que le temps d'inter arrive n'est pas plus grand que t) est donne par la relation : exponentielle. Exemple.- Un trafic de 0.5 Erlang correspond l'occupation de I ressource pendant 50 % du temps, ou de 2 ressources pendant 25 % du temps. Exemple.- Un trafic de 4 Erlangs correspond l'occupation de 4 ressources pendant IOO % du temps ou de 8 ressources pendant 50 % du temps. Dans le cas o les appels ne trouvant pas de canal libre pour tre servis sont rejets par le systme, apparat la notion de blocage des appels. Les appels rejets sont galement dits bloqus. Dans ce cas, c'est la formule d'Erlang B, ou loi d'Erlang de premire espce, qui s'applique et qui dfinit le taux de blocage B(N, A) par la formule suivante :N AN ! B( N , A) = = i = N Ai N AN !

A(t ) = 1 e t

Cette loi indique galement que le temps d'interarrive des appels suit une distribution

i =0

i!

1+

A2 AN + .... + 2! N!

o : - B(N, A) reprsente le taux de blocage (avec pertes et sans file d'attente), - N reprsente le nombre de ressources ou trafic offert. A reprsente la charge du systme en nombre d'Erlangs (A = d o A est le nombre moyen de demandes de canaux par unit de temps et t ) = Ce:

( N A)t / d

La probabilit qu'il y ait j ou plus d'appels ou demandes en attente dans la file est gale A C N La probabilit que x serveurs soient occups est donne par :j

- sans file d'attente, X = nombre de ressources occupes, soit : Ax p ( x) = P(0) X! - avec file d'attente, toutes les ressources sont occupes et / places dans la file sont prises : X = N +j :p(N + j)=C(1 A ) A N N L'utilisation de ces formules en pratique n'est pas immdiate. Pour dterminer le

( )

j

nombre de serveurs N installer dans le systme, tche qui est celle de tout planificateur lors de la phase de dimensionnement, il convient d'utiliser la formule donnant la probabilit d'attente (formule dErlang C) et celle donnant la probabilit que le temps d'attente dpasse t secondes. Ces formules sont utilises dans un processus itratif permettant, partir des valeur de t et de la probabilit d'attente plus que t, de trouver la bonne valeur de N et ce en testant plusieurs valeurs. L'exemple suivant illustre une application pratique de ces formules. Exemple.- Dfinissons le temps d attente ma xi mu m t = 15 secondes et la probabilit d'obtenir une ressource en t secondes infrieure ou gale 95 '% (ce sont deux paramtres de qualit de service). Soit une charge estime 3 000 appels/heure et une dure moyenne d'appel d = 60 secondes. La charge du systme est donc A = 3 000x60/3 600 = 50 Erlangs. La valeur de N est toujours suprieure A.En effet, dans le cas contraire, les serveurs ne pourraient couler les demandes un rythme suprieur celui de l'arrive des demandes27

et la longueur de la file dattente comme le temps d'attente s'allongeraient indfiniment (il suffit de substituer A N dans la formule de dtermination du temps moyen d'attente pour s'en rendre compte). Testons la valeur N = 55. La formule d'Erlang B donne une valeur de B = 0,054 et la probabilit que le temps d'attente dpasse 15 secondes est gale P(w>l5) = 0.11 qui est suprieur 0.05 (= 1 - 95 % ) . Cette valeur n'tant donc pas acceptable, le calcul est effectu nouveau pour une valeur de N plus importante : N = 56. Dans ce cas, nous obtenons Prob(w>t) = 0.07 qui est toujours suprieur 0.05. La valeur suprieure, N = 57 donne Prob(w>t) = 0,04 qui est donc satisfaisante. Le nombre de ressources installer dans le systme sera donc, pour ces donnes d'entre. N = 57.Niveau de service (taux de blocage admissible) 1% 2% 3% 5% " Canal 1 / 0.010 0,030 0.052 2 0.152 0,223 0.281 0,381 3 0,455 0,602 0.715 0,899 4 0.869 1 1.258 1.524 5 1.360 1,657 1.875 2,218 8 1 2 5 6 1.909 2.275 2.543 2,960

10% 0, 1 1 0.595 1.270 2.045 2.881 1 3.758

20% 0.250 1.000 1 2,945 4.010

40% 0,666 2.000 3,479 5,021 6,595

Canal 1 2 3 4 5

5.108 8.190 6 6.230 7.369 8,521 9,685 0 10.85 7 12.03 13.22 14.41 15.60 8 11,68 07 18.01 19.21 20,42 9.799 11,41 13.04 14.67 7 16.31 4 17.95 I9..59 21.24 22.89 1 24.54 1 26.19 27,49 i '9 498 ! 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

2.500 3.127 3.782 4.461 2 5.159 9 5.876 6.607 7.35 1 8.108 0 8,875 0 U>5I6 0.437 1.230

2.935 3.627 4.344 5.084 0 5,841 5 6.614 7.401 8.200 9.009 6 9.828 4 10.65 11 12.33

3,249 3,986 4,747 5,529 4 6.328 0 7,141 7,966 8.803 9.650 0 10.50 5 11.36 12.23 3,115

3.7378 4,5430 5.597 5,370 6.546 ,2157 7.510 6 0764 8.487 1 9501 9.474 8349 10.47 7295 1 1 >,633 12.48 4 11, 13,50 544 0 12,46 14,52 3,385 15,54 4.315 6,579

Les formules du systme avec file d'attente permettent galement de dterminer la taille de la file d'attente mettre en place. Pour cela, il faut tout d'abord dfinir le nombre d'appels ou de demandes qui seront rejets pour cause de saturation de la file d'attente, et ensuite trouver la valeur de j en utilisant la formule de calcul de la probabilit d'avoir jou plus d'appels/demandes en attente dans la file.28

EXEMPLE .- En reprenant les valeurs de l'exemple prcedent la formule de calcul de la probabilit d'avoir plus de j appels en attente, en supposant que cette probabilit est de 10 %, donne : j= [log(0,01 ) - log C]/(log A - log N) = 24.4. La valeur retenue sera donc j = 25. Le temps moyen d'attente sera de 2.1 secondes et le nombre moyen d'appels/demandes en attente sera de 1.76.

3.1.4. Tables d'ErlangLes rsultats de l'utilisation de la loi d'Erlang pour diffrentes valeurs de paramtres sont prsents sous la forme de tables d'Erlang. Pour utiliser une table d'Erlang. il suffit de connatre deux paramtres parmi les trois (taux de blocage, nombre de canaux ou charge en Erlang). EXEMPLE.- Une charge estime 11 Erlangs et pour avec une qualit de service souhaite de 3 % ncessitera l'utilisation d'un nombre de canaux suprieur ou gal 17.

3.2. Processus et outils de dimensionnementLes lois d'Erlang sont essentielles dans le processus de dimensionnement d'un rseau de tlcommunications ddi en majorit du trafic de type circuit tel que le trafic de parole. Pour les utiliser, l'ingnieur en tltrafic devra disposer d'informations et donnes quantitatives sur le systme dimensionner. Nous introduisons dans ce paragraphe les diffrentes notions sur lesquelles est bas le processus de dimensionnement.

3.2.1. Estimation et prvisions du traficPour dimensionner un rseau, il est ncessaire de connatre les valeurs de la charge potentielle de trafic que le rseau doit couler. Pour cela, deux oprations sont ralises : - mesures et suivi de la demande en trafic, par ralisation de mesures sur le rseau existant. - prvision de la charge venir en trafic. Les prvisions en trafic doivent tre effectues sur le court et le long terme de faon prendre les dcisions d'investissement et de densification du rseau suffisamment tt. Il est toutefois important de noter que le cas des rseaux cellulaires a montr que les prvisions en trafic sous-estimaient souvent les besoins et que les oprateurs avaient eu, dans la majorit des cas, faire face des charges en trafic immdiates qu'ils n'avaient prvues que pour plus tard. Le court terme est ici de l'ordre de quelques mois une anne, alors que le long terme considre des priodes allant jusqu' cinq ans. Pour ce qui concerne les rseaux cellulaires, la29

date de planification d'un dploiement ou d'un nouvel quipement sur un nouveau site est anticipe de six mois par rapport la date estime du besoin. Lorsque le site est dj existant, la date de planification peut tre anticipe trois mois avant la date estime du besoin. Enfin, lorsqu'il s'agit de l'extension d'un quipement existant, l'opration doit tre anticipe de trois mois avant la date estime du besoin. Prvoir la demande en trafic ncessite la ralisation de mesures sur des rseaux existants, condition qu'il en existe de similaires, en particulier au niveau des services mettre en place (cas de l'UMTS par exemple qui offre des services bien plus diversifis que les rseaux de deuxime gnration). Ainsi, les mesures ralises feront l'objet de modlisations permettant d'extrapoler les tendances et de raliser des prvisions d'accroissement du trafic. Nous prsentons ici des modles classiques dfinis par le CCITT (Recommandations E 506 508 ). Le processus de prvision de trafic comprend cinq tapes : - la premire consiste choisir une classe de modles de prdiction de trafic : simples (croissance linaire, quadratique, exponentielle...) ou plus complexes (de type conomtrique qui suppose que la croissance du trafic dpend de variables socio-conomiques telles que l'index des prix, la population...) : - la seconde tape consiste slectionner dans une classe de modles, celui qui se rapproche le plus du comportement des mesures ralises ; - la troisime tape consiste dterminer les paramtres (ou coefficients) du modle (A. B et C ) - la quatrime tape consiste effectuer des ajustements du modle obtenu en comparant la courbe du modle et celle des mesures ralises ; - la cinquime tape est celle de la prvision qui est faite en fonction du modle corrig obtenu la fin de la quatrime tape. Les mesures futures permettent de valider le modle et de l'ajuster progressivement, voire de le modifier compltement.

3.2.2. Notion d'heure de pointeLe dimensionnement d'un rseau de tlcommunications se fait pour une charge donne

ou estime de trafic Cette charge correspond une heure particulire de la journe pendantlaquelle la valeur du trafic total pendant cette heure est maximum. Cette heure particulire est appele heure charge ou heure de pointe.

Dans le cas d'un rseau existant, la dtermination de la valeur de ce trafic pendant l'heurede pointe se fait aprs collecte et analyse du trafic de la zone dimensionner par tranches d'une heure. Pour une meilleure estimation de cette valeur, il peut tre ncessaire de faire le30

suivi des volutions du trafic pendant des semaines, des mois ou des trimestres, voire des annes. Le dimensionnement en ressources (par exemple, le nombre de canaux) est bas sur l'heure la plus charge d'une journe normale. Les vnements spciaux (dsastres, jour de lan...) ne sont pas considrs car ils conduiraient un surdimensionnement du rseau qui se traduirait par un cot du rseau prohibitif non amorti par le trafic coul. Par contre, le cas d'vnements ayant fait l'objet d'une action marketing par exemple peuvent faire l'objet d'un dimensionnement appropri (par exemple, gratuit des appels l'intrieur du mme rseau de 20 h 8 h). Ainsi, plusieurs options s'offrent l'ingnieur en tltrafic pour la dfinition de l'heure de trafic dans le systme qu'il doit dimensionner :

- option I : une heure fixe est choisie et utilise tous les jours ; - option 2 : une heure particulire est choisie pour chaque jour ( heure de pointe flottante ) : - option 3 : heure de pointe dtermine individuellement pour le systme en entier et pour chaque cellule. Toutefois, l'observation du trafic pendant une longue priode peut faire apparatre des valeurs de trafic l'heure de pointe diffrentes en fonction des jours. L'Union internationale des tlcommunications propose comme choix de l'heure de pointe de rfrence, la deuxime heure charge dans le mois, c'est--dire la deuxime plus forte valeur mensuelle. Les pointes de trafic importantes posent un problme aux oprateurs rseaux pour deux raisons. Tout d'abord parce que pendant une pointe de trafic, la probabilit de congestion (ou de blocage des appels) augmente, mme si la capacit est importante . Nombre de ressources

..

Ensuite les pointes de trafic vont ncessiter un dimensionnement du rseau qui minimise la probabilit de blocage et par consquent vont entraner la mise en place de moyens qui ne31

seront pas utilises hors priode de pointe, d'o des problmes de rentabilit du rseau. Les pointes de trafic pourront tre attnues en adoptant une tarification favorisant les appels en dehors de ces priodes.

3.2.3. Processus globalLe dimensionnement d'un rseau cellulaire commence en premier lieu par la partie radio : le processus dbute par le niveau le plus bas dans le rseau, savoir l'interface utilisateurrseau. La dtermination le la charge de trafic d'une cellule particulire permet en effet de dimensionner les diffrents liens (trafic et signalisation) sur l'interface radio. Ensuite, le dimensionnement de l'quipement radio (la station de base) peut se faire partir de la charge estime de sa zone de couverture. Le processus se droule ainsi de proche en proche en remontant dans la hirarchie du rseau jusqu'aux interfaces et quipements du rseau fixe (commutateurs, bases de donnes... ).

3.2.4. Donnes et paramtres utilissL'tape de prvision du trafic cl celle de dimensionnement ncessitent la ralisation de mesures de donnes. Ces donnes peuvent tre des donnes de hase ou des donnes structures, qui vont dpendre de l'architecture du rseau. Nous prsentons dans ce paragraphe les donnes de hase, non directement relies l'architecture particulire du rseau, et les matrices de trafic, qui vont dpendre en grande partie de l'architecture du rseau. 3.2.4.1. Donnes de hase Le processus de dimensionnement est bas sur des hypothses sur la demande estime en charge de trafic. Au niveau global, ce sont typiquement des informations de ce type qui devront faire l'objet de prvisions : - parc actif d'abonns (cette information est fournie par les services marketing et commercial) ; - le roaming international (qui peut tre dtermin partir d'observations sur le rseau et d'une estimation d'volution) ; - les volutions de comportement des abonns en termes de trafic (dure des communications, nombre de SMS envoys, activation de services du rseau intelligent, fax/donnes...) cl de mobilit (handover. mise jour de localisation, Attach/Detach...) qui sont values partir de l'analyse des tickets de taxation et de mesures au niveau des OMC :32

- l'introduction de nouveaux services dans le rseau.

Les estimations cl prvisions concernant chacun de ces objets sont ensuite utilises pourraliser l'estimation du trafic cl de lu mobilit des abonns. Ceci se traduit par une analyse

plus approfondie qui permet la dtermination des paramtres suivants :- dure moyenne d'un appel, - taux d'arrive des appels, - taux d'occupation des ressources. - taux de pntration du service, - symtrie et facteur de codage du service (dans le cas des services de donnes asymtriques), - dbit du transfert. De plus, il faut tenir compte du fait que le taux d'appel par abonn varie en fonction de paramtres tels que : - heure du jour ( notamment, horaires de travail). -cot de l'appel (qui est un paramtre permettant un oprateur de lisser les courbes de trafic de sorte favoriser les appels pendant les heures o la charge est faible). - disponibilit des quipements (ou taux de blocage). - taux de pntration du service (plus le nombre d'usagers est important, plus grand sera le taux d'appel par abonne, ce qui est la proprit d'externalit positive des rseaux de tlcommunications). Les paramtres les plus importants dterminer sont : - le taux d'appels (nombre et dure des appels), - le trafic li la mobilit (mise jour de localisation, handover. . .). Lors du dimensionnement, certains lments peuvent tre ngligs. Il s'agit notamment du trafic de signalisation de gestion et de maintenance, des handovers intracellulaires, du chargement des donnes et des logiciels, et des procdures d'initialisation de paramtres des services supplmentaires. Le processus de dimensionnement est utilis pour valuer la quantit ou la taille (en capacit) des quipements intgrer ou modifier dans le rseau. Pour cela, il est galement important d'inclure en entre les capacits des objets utiliss (matriels ou logiciels) ainsi que des prvisions d'volution de ces quipements. Ces informations sont fournies par les constructeurs d'quipements et de logiciels. Enfin, des contraintes de capacit en nombre d'quipements par site sont considres, en particulier pour les commutateurs. 3.2.4.2. Matrices de trafic33

Les matrices de trafic sont une reprsentation du profil du trafic coul dans un rseau. Leur dfinition dpend du trafic de premier choix qui reprsente le trafic coul entre deux points d'un rseau (un point A vers un point B par exemple). La matrice de trafic regroupe l'ensemble des trafics de premier choix d'un rseau. Dans un rseau, un trafic entre deux points A et B peut suivre diffrents chemins qui vont dpendre de l'tat doccupation des diffrents chemins reliant A B. Ainsi, va apparatre un trafic interne dont la relation avec le trafic de premier choix est complexe. Les matrices de trafic ne prennent pas en compte ce trafic interne. Pour confectionner une matrice de trafic, l'heure de pointe est prise en de la priode d'observation qui est prise en compte). compte, les valeurs exceptionnelles ne sont pas considres, (cest la seconde s valeur la plu forte

Sur lu figure 3.4, nous avons reprsente un schma type de rseau. Les mesures du trafic entre les diffrents quipements de traitement de trafic (commutateurs typiquement) permettent de dfinir la matrice de trafic reprsente dans le tableau o Trij reprsente la valeur du trafic coul de I vers J.

Vers/de A D

A Traa

B TrBa

C

D

TrDD

Les matrices de trafic sont utilises lors de la planification du sous-systme rseau afin de dimensionner les liaisons de transmission entre les diffrentes zones du rseau.

3.2.5. Modles de trafic et de mobilit34

Les faisceaux de transmission sur les diffrentes interfaces sont dimensionns l'aide des lois d'Erlang pour la voix et des rgles de dimensionnement bases sur les modles que nous prsentons dans la section pour le trafic de donnes. Il est ncessaire de connatre plus prcisment le comportement moyen des usagers de la zone d'tude afin de dimensionner correctement les canaux de trafic et les canaux de signalisation. Pour cette raison, des caractristiques plus dtailles sur le comportement des usagers sont dtermines (par estimation ou par mesures relles sur un systme existant) et rassembles sous la forme de modles de mobilit et de trafic. Ces modles permettent in fine de dterminer la charge moyenne de trafic et de signalisation gnre par chaque usager, ce qui permet de dimensionner les interfaces et les capacits des quipements de traitement des appels et de la signalisation. Le tableau suivant prsente un exemple de modle de mobilit et de trafic. Il regroupe de faon synthtique les informations rcoltes.Appels sortants Avec succs : Etablissement Sonnerie Conversation Sans rponse : Etablissement Sonnerie Occup : Dure (en sec.) 10 20 90 10 20 10 10% 20 % 55 % ( 1 0 + 20) x 20%. x55 % = 3.3 sec. 10.10%x55%' =0.55 sec. Taux respectifs 70 % Taux d'appels Dure d'occupation d'un canal de trafic ( 1 0 + 20 + 90) x 70% x 55 % = 46.2 sec.

3.3. Dimensionnement du sous-systme radioLe sous-systme radio est constitu des stations de base et des contrleurs des stations de hase. Le dimensionnement de ce sous-systme consiste donc dimensionner ces quipements ainsi que les interfaces entre ces quipements et les quipements auxquels ils sont relis.

3.3.1. Dimensionnement des canaux de l'interface radioLa partie la plus complexe dimensionner est l'interface radio. En effet, la mobilit des utilisateurs complique la dtermination a priori de la charge potentielle d'une cellule donne. Les premiers types de canaux dimensionner sont les canaux de trafic (TCH). Pour cela, il est ncessaire de connatre la charge maximale de la cellule considre (en nombre d'abonns) et le comportement des abonns (dtermin partir du modle de mobilit cl de trafic). Une fois35

la charge en trafic dans la cellule connue et tant donn une qualit de service fixe, le calcul du nombre de canaux TCH ncessaires est effectue l'aide des formules d'Erlang.Nombre dabonns

*Activit des abonns

Trafic/cellule

Nombre de TCHs

Formule dErlang

Taux de blocage=2% QoS

Le nombre de canaux dterminer ensuite concerne les canaux de signalisation ddis (SDCCH). Le calcul de celte valeur est plus compliqu que pour le cas des canaux de trafic. Il dpend en effet fortement des protocoles de signalisation et donc du systme. Alors que dans le cas de la parole, le dimensionnement ne dpend que trs peu du systme concern, le volume de signalisation varie selon que le rseau dimensionner est base sur la norme GSM, IS-136. PDC... Pour le dimensionnement des canaux SDCCH du GSM, il faudra connatre : le taux d'appels de voix par seconde (un appel dbute par une demande d'allocation de canal et par une ngociation qui utilisent un canal de signalisation ddi), le taux de mise a jour de localisation (cette procdure se droule uniquement sur un canal de signalisation) et la dure correspondante d'occupation du canal SDCCH pour chacune de ces procdures ainsi que la charge maximum estime dans la cellule. Les messages courts sont galement vhiculs par les canaux SDCCH et sont donc considrs dans le dimensionnement de ces canaux. 3.3.1 .1 . Dimensionnement des canaux de signalisation Le dimensionnement des canaux de signalisation RACH. PCH/AGCH et SDCCH ncessite (estimation des paramtres suivants (les nombres d'appels, de mise jour de localisation et de SMS sont donns pour I heure de pointe) : - N : nombre moyen d'utilisateurs par cellule. - ni : nombre d'appels entrants par utilisateur. - n0 : nombre d'appels sortants par utilisateur. - nLUp : nombre de mises jour de localisation priodique par utilisateur. - nLUa: nombre de mises jour de localisation sur changement de Zonc par utilisateur, - nSMSi: nombre moyen de SMS entrants par utilisateur. - nSMSo: nombre moyen de SMS sortants par utilisateur. -dLUp: dure d'occupation (en ms) du SDCCH pour une mise jour de localisation priodique.36

- dLUa : dure moyenne d'occupation (en ms) du SDCCH pour une mise jour de localisation sur changement de zone. -dic : dure moyenne d'occupation (en ms) d'un SDCCH pour un tablissement d'appel entrant. . -doc: dure moyenne d'occupation (en ms) d'un SDCCH pour un tablissement d'appel sortant. -dSMS: dure moyenne d'occupation (en ms) d'un SDCCH pour l'envoi d'un SMS-MO (entrant) ou MT (sortant). - np : nombre moyen de messages de paging/recherche mis par appel entrant. - xr : taux d utilisation maximum d un IT RACH. -.xp : taux d'utilisation maximum des IT PCH/AGCH. -.xs: taux d'utilisation maximum du canal SDCCH, - nbPCH : nombre de blocs PCH utilises par paging, - nLAC : nombre de blocs AGCH utilises par allocation de canal, - nni : taille (en nombre de cellules) d'une /,onc de localisation, - tr : taille d'un bloc de signalisation en nombre d'IT utiliss (messages PCH ou AGCH). Nous supposons que le nombre de SMS transmis l'tat ddi (donc sur les canaux SACCH) est ngligeable. 3.3, 1 . 1 . 1 . Dtermination du nombre de canaux RACH Le nombre d'accs par heure au canal RACH regroupe tous les accs pour les appels, les mises jour de localisation et les SMS. soit :N*(ni+no+nLUp+nLUa+nSMSi+nSMSa)

Le taux de remplissage des IT RACH par trame est donc gal :N*(ni+no+nLUp+nLUa+nSMSi+nSMSa)/3 600. 103/4,615|

Le nombre d'IT RACH ncessaire est donc :NRACH=

N*(ni+no+nLUp+nLUa+nSMSi+nSMSa)/3 600. 103/4,615*xr

3.3.1.1.2. Dtermination du nombre de canaux PCH/AGCH Le nombre d'accs par heure au canal PCH regroupe tous les accs correspondant aux appels entrants et SMS entrants concernant la zone de localisation laquelle appartient la cellule, soit : N*(ni+nSMSi) Le nombre de slots PCH utiliss par heure est donc gal : NPCH= N*(ni+nSMSi)*nLAC*nbPCH*np*tB Le nombre d'accs par heure au canal AGCH regroupe tous les accs pour les rponses37

aux appels entrants cl SMS entrants, les appels sortants, les mises jour de localisation el les SMS sortants quisont effectues dans la cellule, soit :N*(ni+no+nLUp+nLUa+nSMSi+nSMSa)

Le nombre de slots AGCH utilises par heure es! donc gal : NAGCH= N*(ni+no+nLUp+nLUa+nSMSi+nSMSa)*nbAGCH*tB Le nombre total de slots ncessaires PCII et AGCI1 est donc gal : n= nPCH+nAGCH Le nombre maximum d'IT PCH/AGCH par multitrame 51 (de dure 235 ms) est gal (sachant qu'il y a 9 groupes de blocs PCH/AGCH par multilramc 51 ) : Nmax= 9*tB*3600/0,235 Le taux d'utilisation maximum des canaux PCH et AGCH doit tre infrieur ou gal .xp pour garantir qu'un IT sera suffisant pour vhiculer la charge de ces canaux. 3.3.1.1.3. Dtermination du nombre de canaux SDCCH Les canaux SDCCH sont des canaux de type circuit de signalisation qu'il est possible de traiter de la mme manire que les circuits tic parole. Ainsi, pour dterminer le nombre de canaux SDCCH allouer dans chaque cellule, il faut dterminer tout d'abord la charge enErlangs. La dure d'occupation des canaux SDCCH pendant l'heure de pointe est gale :

Le trafic coul (en Erlangs par heure) dans chaque cellule sur les canaux SDCCH est donc gal : DSDCCH/3600 103=N*[ni*dic+ no*doc+ nLUp*dLUp+ nLUa*dLUa+ (nSMSi+nSMSo)*dSMS]/ 3600 103 La charge de signalisation est traduite en nombre de canaux, sur la base des formules d'Erlang et de la qualit de service souhaite sur les canaux SDCCH. Ensuite, un intervalle de temps sur une trame AMRT permettant le multiplexage de huit canaux SDCCH, le nombre d'IT ncessaires pour vhiculer le trafic SDCCH s'obtient en divisant le nombre de canaux SDCCH par 8 (dans le cas o le nombre obtenu n'est pas entier, le nombre d'IT sera pris gal la partie entire plus 1). La mthode prsente dans le paragraphe 3.3.1.1 ncessite des informations trs prcises dcrivant le comportement moyen des utilisateurs dans chaque zone. Gnralement, ledimensionnement se fera en prenant en compte la configuration des SDCCH (sans ou avec

trs peu de trafic SMS) indique dans le tableau suivant. L'ajustement (augmentation oudiminution des canaux SDCCH) se fera en fonction des taux de blocage observs sur ces canaux et dans chaque cellule. Nombre de TRX Nombre de canaux SDCCH 1 4 2 1238

3 4 5 6

16 24 24 32

. 3.3.1.2. Dtermination de nombre dIT et de porteuses La dtermination du nombre d'IT TCH et d'IT SDCCH permet de calculer le nombre de porteuses ncessaires sur l'interface radio. A la somme du nombre d'IT TCH et SDCCH obtenus selon les procdures indiques plus haut, il sufft d'ajouter le nombre d'IT utiliss pour vhiculer les canaux de diffusion et de contrle commun (BCCH. FCCH, SCH, PCH/AGCH) pour obtenir le nombre total d'IT. Une trame radio GSM contenant 8 IT, le nombre total de porteuses sera obtenu en divisant le nombre total d'IT par 8. Comme dans le cas des canaux SDCCH, si ce nombre n'est pas entier, c'est la partie entire plus 1 qui sera prise comme rsultat du calcul.

3.4. Dimensionnement du sous-systme rseauLe sous-systme rseau comporte les quipements de commutation, les serveurs et bases de donnes ainsi que les liaisons de transmission entre ces quipements et les quipements des autres rseaux interconnects avec le rseau cellulaire considrer.J.4.1. Processus cl lments dimensionner

Un commutateur de rseau cellulaire est connect plusieurs quipements : les contrleurs de stations de hase, les autres commutateurs du mme rseau ou d'autres rseaux (mobiles ou fixes), des serveurs (messagerie courte, messagerie vocale...), des modules d'interfonctionnement (IWF) pour les rseaux de donnes (Internet...). Le dimensionnement des diffrentes liaisons entre ces quipements se fait sur la base d'estimations de trafic vhicul. Le dimensionnement des interfaces MSC-VMS, MSC-MSC et MSC-HLR suit la mme procdure que dans le cas d'un rseau fixe. Il s'agit ici, partir du trafic estim sur chaque interface, de raliser le dimensionnement en s'appuyant sur les formules d'Erlang. Notons de plus, que les liaisons sur le rseau fixe doivent tre surdimensionnes pour viter tout problme de congestion sur cette interface. Ainsi, le dimensionnement des liaisons de trafic est ralis en surdimensionnant la capacit fournie de manire ce que le taux d'utilisation reste infrieur ou gal 60 %. Dans le cas o le trafic augmente et dpasse durablement la valeur de 60 %, la capacit des artrcs de transmission est double ou tripleDimensionnement du MSC39

Les facteurs de dimensionnement d'un commutateur sont les suivants : - capacit de la base de donnes visiteurs (VLR), - capacit de traitement des appels l'heure tic pointe - capacit des processeurs de signalisation SS7. Deux types de capacits sont dfinis pour un commutateur : - la capacit .statique qui est la capacit de la base de donnes VLR donne en nombre d'abonns que la base peut enregistrer. - la capacit dynamique qui limite la capacit statique d'un MSC et qui dpend des profils de mobilit et de trafic des abonns ainsi que de l'architecture du BSS, tic la densit des commutateurs existants et de l'architecture du rseau d'interconnexion entre ces quipements. Cette capacit est la capacit de traitement du MSC. La capacit de traitement du MSC est calcule en fonction des temps de traitement des principales fonctions assures par un MSC. Elle permet ainsi de dterminer, en fonction du profil de mobilit et de trafic d'abonn, le nombre maximum d'utilisateurs que le MSC peut grer l'heure de pointe. Nous donnons dans le tableau un exemple de dimensionnement d'un MSC en fonction des temps de traitement des vnements les plus importants (en termes de temps de traitement) et d'un profil d'abonn trs simple pouvant tre dtermin a priori pour un systme non oprationnel. Evenement Appel sortant Appel entrant LU inter VLR IMSI attach Dure/vnement (ms) 20 30 40 10 Taux par abonn Dure lheure de pointe 0,45 0,28 0,09 0,22 (ms) 9 8,4 3,6 2,2 23,2ms moyenne

Consommation moyenne par abonn lheure de pointe

Le nombre d'usagers que pourra traiter le MSC en question et pour des usagers tels que dfinis par le profil du tableau 3.7 et pour une charge de traitement des fonctions usagers telle que dfinie dans le tableau 3.6 est donc : 0,7 x 3 600 sec/23,2 msec = 108 620 usagers. Dans le cas d'un systme oprationnel, la capacit d'un commutateur se basera sur les statistiques issues des mesures ralises sur le systme. La charge de traitement maximum du processeur d'un MSC pour les fonctions usagers est dfinie de diffrente manire selon les constructeurs. Ainsi, certains quipementiers dfinissent cette charge comme la charge relative par rapport la charge relle telle que dfinie dans le tableau.40

(dans ce cas. 100 % de la charge correspondant 70 % de la charge totale). D'autres dfinissent cette charge comme la charge relle (telle que celle dfinie dans le tableau).et dans ce cas, elle sera gale 70 %). La premire est appele load A et la seconde est appele Load B En exploitation, lorsque l'quipement dpasse la valeur maximum de charge alloue aux services usagers (100 % pour la /Load A et 70 % pour la Load B dans notre cas) pendant plus d'une certaine priode (15 minutes par exemple), le commutateur entre en mode dit de rgulationi. Ce mode est utilis pour viter un croulement du commutateur et donc un arrt de cet quipement. En mode rgulation, certaines fonctions ne sont plus assures par le commutateur, il s'agit par ordre de dsactivation en fonction de la charge croissante du MSC des mises jour de localisation, des SMS. des handovers. des pagings. des appels sortants

41

Planification du sous-systme radio4.1. Introduction

Le processus de planification cellulaire intervient suite une premire phase de dimensionnement du rseau. A cette tape du processus, le planificateur dispose d'un quantitatif en quipements (nombre et capacits des diffrents quipements et des interfaces les reliant entre eux) qui correspond une premire estimation. Le processus de planification permettra d'une part de dtailler ce quantitatif (en rvisant a la hausse ou la baisse les valeurs donnes par l'tape de dimensionnement) et d'autre part de dfinir l'architecture du rseau (emplacement gographique des quipements et rseau d'interconnexion entre ces quipements). Le processus de planification radio s'inscrit dans un schma gnral qui comprend les tapes suivantes : - dfinition des objectifs: cette tape donne lieu un plan stratgique labor principalement par les services marketing et commerciaux dans le cadre d'un plan d'affaires. Ce plan traitera, au niveau technique, des aspects de couverture, de qualit de service (en taux de blocage et en taux de couverture) et en capacit (volution de la demande et des services offerts). Tous les aspects ayant trait au dimensionnement sont donc traits l'tape de dimensionnement qui permet d'tablir une premire valuation du cot du rseau planification du rseau : ce processus va consister tablir un plan du rseau pour les deux sous-systmes radio et rseau . Les principales tapes du processus de planification radio sont : ralisation de calculs de couverture pour calibrer les modles de propagation et les adapter l'environnement couvrir, planification de la couverture du rseau (en fonction des objectifs fixs lors de la phase de dfinition), slection des sites permettant la ralisation de celle couverture en fonction des contraintes pratiques du terrain et l'optimisation de la couverture (en paramtrant les stations de base, travers les processus de bilan de liaison cl d'affectation de frquences) : -l'implantation du rseau : la planification du rseau donne lieu un plan de dploiement permettant la mise en place des quipements :

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Donnes et prvisions

Outil de et formules de dimensionnement

Dimensionnement des quipements et des interfaces

Positions, tailles et capacits des BTS

Outil de planification radio

Allocation des frquences et paramtrage des BTS

Planification du rseau Fixe

Outil + Donnes

Processus gnral de planification d'un rseau cellulaire

l'optimisation du rseau : les prvisions les plus prcises ne peuvent prendre en compte tous les paramtres agissant tant au niveau de l'interface radio (propagation) qu'au niveau trafic (localisation du trafic usager). Cest pour cette raison, qu'aprs le dploiement du rseau, il sera ncessaire de raliser une optimisation qui sera d'autant plus importante qu'elle accompagnera gnralement une phase de densification du rseau. Lors de la planification radio, les contraintes et objectifs sont totalement diffrents selon que la zone couvrir est une Zone de type urbain ou suburbain, ou une zone de type rural. Dans le cas des zones urbaines et suburbaines qui sont caractrises par un trafic important et qui volue sans cesse (en intensit et en rpartition dans l'espace), le problme principal du planificateur sera de trouver un plan cellulaire permettant d'couler le trafic maximum avec la meilleure qualit possible, c'est--dire en minimisant les problmes d'interfrences et de blocage des appels. Il cherchera donc placer le maximum de stations de base en rduisant autant que possible leur couverture. En effet, dans les zones fort trafic, les problmes de couverture (en termes tic niveau de champ) seront gnralement mineurs par rapport aux problmes d'interfrences. Dans le cas d'une zone rurale caractrise par un trafic 1res faible, le planificateur radio aura pour objectif de minimiser le nombre de sites radio (de faon rduire les cots) tout en augmentant autant que possible leur couverture. Les objectifs sont donc diffrents selon que la zone est une zone de type zone trafic ou de type zone couverture 43

4.2. Donnes d'entre et contraintesTout comme le processus de dimensionnement ncessite la rcolte de donnes de trafic et de mobilit concernant les abonns, le processus de planification radio requiert la rcolte de donnes relatives au terrain sur lequel doit tre implant le rseau. Pour cela, le planificateur radio a recours des donnes gnrales qu'il utilise sous la forme de cartes numrises, et des informations spcifiques qui vont ncessiter la ralisation de surrevs et de mesures sur le terrain.Qualit de couverture Contraintes de sites Zone de couverture Profil abonn

Bilan de liaison

Rpartition des abonnes

Processus d'identification cl de validation les sites radio

La premire tape du processus consiste effectuer le design radio l'aide d'un outil de calcul de couverture. A l'issue de cette premire tape, le planificateur dispose d'une liste de sites de stations de base identifis par leurs coordonnes sur la zone couvrir. L'tape suivante consiste identifier les sites rels les plus proches des sites thoriques. Ceci ncessite la ralisation de survey sur le terrain. Ces derniers ont lieu conjointement au processus d'acquisition/ngociation des sites. Le rsultat du survey est une liste de sites pratiques qu'il s'agit de valider par un nouveau calcul de couverture. Le processus peut ncessiter plusieurs itrations avant d'aboutir une configuration satisfaisante du point de vue qualit de service, cots et dlais.

4.2.1. Donnes gnralesLa ralisation des tudes radio est effectue sur la base de cartes numrises de l'environnement considr. Les hases de donnes gographiques correspondantes sont classes en plusieurs familles et catgories : les modles numrique de terrain (ou MNT) : ils indiquent l'altitude du sol maill (pour des mailles variant typiquement entre 25 et 100 mtres de ct selon la zone). Ces bases de donnes sont obtenues partir de cartes topographiques ;

44

les donnes d'occupation du sol (dites donnes clutter) : il s'agit de la description statistique du sursol pour des pas dont la taille varie de 100 400 mtres (ils peuvent atteindre des prcision de l'ordre de 5 mtres). Les bases de donnes clutter sont obtenues l'aide d'images satellitaires ou de photographies ariennes et permettent de dcrire les environnements : urbain dense, urbain moyennement dense, espaces ouverts intra-urbain, zones boises intra-urbaincs, forts, zones commerciales et industrielles, espaces ouverts, villages, eaux intrieures, mer et ocan ; - les donnes vecteurs : elles comprennent les lments pouvant tre reprsents sons une forme vectorielle tels que les routes principales, routes secondaires, autoroutes, voies ferres, hydrographie, frontires, aroports... (voir exemple sur la figure 4.6) ;

exemples le contours de btiments {obtenus partir de photographies ariennes) les contours de base des lments du sursol sont des informations trs prcises indiquant les contours d'lments de l'environnement tels que les btiments, les ponts... et ce l'aide de polygones dont la prcision est d'environ 5 mtres, avec pour certaines hases de donnes, des prcisions de l'ordre du mtre. Ces bases de donnes sont obtenues partir d'images satellitaires ou de photographies ariennes ralises par des avions survolant les zones concernes et par images satellites ; - la reconstitution en trois dimensions de l'environnement ncessite un travail important et donne lieu un cinquime type de bases de donnes appeles bases de donnes 3D obtenues partir de couples d'images stroscopiques reconstruites et obtenues par satellite ou photographies ariennes;45

-les bases de donnes dcrivant l'intrieur des btiments et notamment l'architecture intrieure tels que les murs porteurs, les cloisons, les ouvertures (portes cl fentres)... Elles sont obtenues partir des plans des btiments considrs. Le planificateur aura recours aux diffrents types de bases de donnes selon la prcision souhaite 4.2.2. Surveys Le survey est une opration de visite et/ou de mesures sur site. Cette opration se rpte plusieurs fois pendant la vie d'un rseau. Le premier survey est un survey de reconnaissance du terrain et a pour principaux objectifs de reconnatre le terrain. Valider les cartes numriques (de type vecteur en particulier) et/ou d'effectuer des mesures de propagation pour calibrage des modles, il pourra en outre permettre l'quipe de survey de rechercher et d'identifier des sites pratiques pour leur prise en compte lors du processus de planification radio. Ainsi, les sites en visibilit seront reprs (coordonnes gographiques et photographies des sites et de l'environnement).

4.2.3. Calibration du modle de propagationLors de la planification du sous-systme radio, une place trs importante est occupe par les modles de prdiction de propagation. Leur rle au niveau des rsultats du processus de calcul de couverture et du processus d'affectation de frquences est essentiel. Plus le modle de propagation sera prcis et proche de la ralit, plus les gains en termes de cots du rseau et en qualit de service offerte aux usagers seront importants. La calibration d'un modle de propagation est de plus un processus rcurrent du fait des changements de caractristiques de propagation dus la construction de nouveaux btiments, la croissance des arbres, le changement de vgtation, la dgradation des quipements du rseau... Les modles prsents, sont des modles gnriques qui intgrent des coefficients dont les valeurs dpendent de lenvironnement rel pour lequel le modle est utilis. Il est donc46

essentiel d'ajuster et de modifier ces coefficients afin que le module de propagation soit le plus proche possible des mesures relles. Le processus consistant ajuster un modle de propagation est couramment appelle calibration. par analogie l'opration elle-mme qui consiste calibrer les coefficients du modle. Les mesures ralises sont de type analogique pour une prcision importante. Le nombre de mesures raliser pour calibrer un modle de propagation est trs lev. Ces mesures doivent tre suffisantes pour chacune des zones pour lesquelles un modle de prdiction doit tre utilis. Selon la varit des types d'environnements prendre en compte pour la planification de la couverture, les sries de mesures raliser sont dfinies pour prendre en compte galement la prcision souhaite et la prcision des bases de donnes disponibles. Tous les types de morphologie doivent tre considrs. Par e