Réseaux Mobiles - Chap 1: Concept cellulaire · 2016-10-10 · Pourquoi Hexagonale ? Les antennes omnidirectionnelles rayonnent selon une forme circulaire (vue de dessus). Le problème

Réseaux MobilesChap 1: Concept cellulaire

Rhouma Rhoumahttps://sites.google.com/site/rhoouma

École Supérieure d’Économie Électronique

2eme année Master Pro MBDS

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Plan

1 Un peu d’histoire

2 fréquence, normes et évolution des standards

3 Concept cellulaire et Allocation du canalAllocation de fréquenceRéutilisation de la fréquenceForme de la celluleCluster et facteur de réutilisation

4 Mesure de la qualité de signal

5 Augmentation de la capacité et amélioration de performanceFractionnement cellulaireSectoring

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Un peu d’histoire

Plan






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Un peu d’histoire

Invention de la radio-mobile

Maxwell en 1864: Prédiction d’existence d’ondesélectromagnétiquesHertz en 1887: Confirmation pratique du travail de Maxwell.Tesla en 1893: Transmission Radio par onde porteuse etinvention du RadarMarconi:

en 1897 : Télégraphie sans filsen 1901 : Première Transmission sans fils à travers l’atlantique

Mawxell(1831–1879)Hertz(1857-1894)

Tesla(1856-1943)Marconi(1874-1937)

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fréquence, normes et évolution des standards

World War II

1946: AT&T introduit le premier système de Téléphonie mobile

1947: Bell Labs invente le concept système cellulaire

1971 : AT&T et Motorolla proposent d’utiliser la bande 800 MHzpour les réseaux cellulaires

1983: Première licence commerciale de réseau cellulaire.Déploiement du 1G AMPS (Analogique)

1988: Réseaux cellulaire numérique GSM :2G European(services offerts: voix et SMS)

1990: IEEE 802.11 Wireless LAN

1993: Début IS-95 (CDMA : 2G américain)

2000: 2.5G GPRS dans quelques pays (Commutation parpackets) (Voix et données et augmentation de débit)

2000: 3G (UMTS) (Supporte données multimédias comme vidéo)

2010: 4G LTE (Supporte ultra-Wideband internet access)5 / 59


Plan






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Classification selon la portée

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Classification selon débit et mobilité

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Évolution des Standards

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Spectre

UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz à 3 GHz = Radiofréquences

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Antennes

Directionnelles Omnidirectionnelles10 / 59


Diversité spatiale

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Plan






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Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence

Plan






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Allocation du spectre de fréquence

Les ressources spectrales sont limitées.Chaque pays a une agence gouvernementale pourcontrôler et allouer les ressources spectrales.Les ressources spectrales sont controlées par :

Mondiale : International Telecommunications Union(ITU).USA: Federal Communications commission (FCC).EU: European Telecommunications standards Institute(ETSI).Tunisia : Agence Nationale de la fréquence (ANF).

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Allocation du spectre UHF en USA

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Allocation du spectre UHF en France

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Allocation du spectre UHF en France (suite)

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Bandes de fréquences sans Licence

Des bandes de fréquences utilisés GratuitementPour encourager l’innovation et les implémentation de faible coûts.Des systèmes sans fils ont vu succès grâce à cette bande. ex:Blutooth, Wireless LAN, téléphones sans fils

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Réseau cellulaire Auparavant et Aujourd’hui

Semblable au réseau de diffusionde la radio ou TV

Un seul émetteur puissantlocalisé dans un milieu assezhaut.

Faible capacité. ex: Bell mobilesystem à New York en 1970s peutseulement supporter aumaximum 12 communicationssimultanées sur 1000 miles2.

Plusieurs émetteurs de faiblespuissances

Placés de façon diversifiée pourcouvrir toute la région.

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Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence

Plan






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Réutilisation de la fréquence

Réseau cellulaire Auparavant

Capacité faible: Si la bande de fréquence allouée dans la cellule peutoffrir 100 communications simultanées

Réseau cellulaire d’aujourd’hui

Capacité énorme: Si la bande de fréquence est réutilisée dans 10autres cellules, alors on peut offrir 100× 10 communicationssimultanées !!

Le concept cellulaire=⇒

Le concept cellulaire peut résoudre le problème de congestionspectrale et augmenter la capacité du système.La capacité a été augmentée sans allocation supplémentaire duspectre (fréquence).

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Idées de base du concept cellulaire

Supposer que le système admet S=70 canaux fréquentielsSystème Pre-cellulaire (avant le système cellulaire):

=⇒ Capacité du système =nb d’utilisateurs simultanés= 70× 3 = 210

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Diviser les 70 canaux en 7 groupes (A,B,C,D,E,F,G) de 10 canaux.Les cellules qui utilisent le même groupe sont éloignées.

=⇒ Capacité du système = nbd’utilisateurs simultanés= 10× 7× 3 = 210=⇒ Avec la même capacité, lapuissance de transmission a passé decentaines de Watts à quelques Watts, etmême < 1 W par canal.

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ClusterUn cluster est un ensemble de cellules dans lequel chaque celluleutilise des fréquences différentes. Les fréquences de la cellulepeuvent être réutilisés par d’autres cellules dans le système, mais cescellules seront dans d’autres groupes et donc suffisamment loin pourne pas provoquer des interférences.

Taille ducluster N=7

Distance de réutilisation D =Distance minimale entre lescentres de deux cellulesutilisant la même canalfréquentiel.

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Pour augmenter la capacité, utiliser des cellules de faible taille.

=⇒ Capacité du système= nb d’utilisateurs simultanés� 210

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Pourquoi donc Concept cellulaire ?

3 Enjeux:Réduire la puissance de transmissionAugmenter la capacité du système

étaler la couverture par autant de cellules que nécessaireaugmenter le nombre maximum des utilisateurs accédant auréseau.

Réduire les interférences.

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Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule

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La Forme de la cellule

Bien que la véritable empreinte (forme) de la cellule est de natureamorphe(irrégulière), une forme cellulaire régulière est nécessairepour la conception de système et l’adaptation à la croissancefuture.La forme Hexagonale est la plus adaptée

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Pourquoi Hexagonale ?

Les antennes omnidirectionnelles rayonnent selon une formecirculaire (vue de dessus).Le problème est que les cellules circulaires ne peuvent pas êtresuperposées sur une carte sans laisser des zones incouvertes ousans créer des zones de chevauchement.3 choix: Triangle équilatéral ou carré ou Hexagon.

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Pourquoi l’hexagone ?

Une cellule doit être conçue pour servir les mobiles les plusfaibles au sein de l’empreinte (forme), et ceux-ci sontgénéralement situé à la frontière de la cellule.l’hexagone possède la plus grande superficie parmis les troisfromes.En utilisant la géométrie hexagonale, le plus petit nombre decellules peut couvrir une région géographiqueL’hexagone décrit mieux un cercle

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Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation

Plan






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Cluster

La superficie totale de la couverture est divisée enclusters

Le nombre de cellules N dans chaque Cluster estappelé taille du cluster

les cellules dans un Cluster utilisent tous lescanaux fréquentiels

il n’ya pas d’interférence co-canal dans un memecluster. interférence co-canal provient de deuxcellules utilisant la même bande fréquentielle

Le cluster est Reproduit sur toute la zone decouverture.

ex: l’image montre 3 Clusters de taille N=7.

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Réutilisation de fréquence (N=4, N=7)

Facteur de réutilisation de fréquence=1/NChaque cellule utilise 1/N des canaux existants.

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Capacité

=⇒ compromis: Des valeurs réduites de N peut engendrer des interférences34 / 59


Taille du Cluster

N peut avoir certaines valeursprécises selon i et j des entiers:

N = i2 + j2 + i × j

Pour localiser le co-canal le plusproche :

Se déplacer i cellules le long d’unechaîne d’hexagones, puisTourner 60 degrés contre le sensde la montre et se déplacer jcellules.

ex: i=3; j=2 =⇒ N=19

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Localisation du co-canal pour N=3

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Localisation du co-canal pour N=3

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Géométrie de l’hexagone

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Exercice 1

Considérons un système cellulaire dont le nb total des canaux vocauxdisponibles pour gérer le trafic est 960. L’aire de chaque cellule est de6 km2 et la zone de couverture totale du système est de 2000 km2.Calculer

1 Combien de fois un cluster de taille 4 doit être reproduit pourcouvrir toute la zone ?

2 nb de canaux par cellule ?3 la capacité du système si la taille de cluster, N est 44 la capacité du système si la taille de cluster est 75 Est-ce que la diminution de la taille de cluster N augmente la

capacité du système? Expliquez.

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Solution Exercice 1

Pour N = 4Zone d’un cluster avec réutilisation N = 4: 4× 6 = 24km2

Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=4:2000/24 = 83.33 ' 83Nombre de canaux par cellule 960/4 = 240La capacité du système: 2000/6× 960/4 = 80000 comm.simultanées

Pour N=7Zone d’un cluster avec réutilisation N = 7: 7× 6 = 42km2

Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=7:2000/42 = 47.62 ' 48Nombre de canaux par cellule 960/7 = 137.15 ' 137La capacité du système: 2000/6× 960/7 = 45714 comm.simultannées

Il est évident que lorsqu’on diminue la valeur de N de 7 à 4, onaugmente la capacité du système de 45714 à 80000 canaux. Ainsi, ladiminution du facteur de réutilisation N augmente la capacité dusystème.

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Distance D de réutilisation de fréquence

D2 = A2 − 2ABcos(θ) + B2

D =

√(i√

3R)2 + (j√

3R)2 − 2(i√

3R)(j√

3R)cos(120◦)

= R√

3(i2 + j2 + ij)) = R√

3N

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Taux de réutilisation co-canal

R = Rayon de la cellule (ducentre au vertex)D = Distance de réutilisationde fréquenceTaux de réutilisation co-canal :

Q =DR

=√

3N

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Mesure de la qualité de signal

Plan






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3 mesures de la qualité du signal

Signal to Noise Ratio SNR = SPbruit

Signal to Interference & Noise Ratio SINR = SPbruit+PInterference

La meilleure conception de système cellulaire met les utilisateurs quipartagent le même canal, à une distance de séparation (la plus petitepossible) où l’interférence intercellulaire est juste en dessous du niveaumaximum tolérable pour un débit et BER donné. =⇒ Dans les systèmescellulaire, on ne considère que les interférences, ce qui signifie que lapuissance d’interférence est beaucoup plus grande que la puissance debruit. =⇒ SIR = S

PInterference= S∑K

j=1 IjS : Puissance du signal utile;Ij : Puissance d’interférence causé par le BTS de la jème celluleco-canal;K : nb des cellules co-canal d’interférence

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Borne inférieure de SIR tolérable/fiable

Les Cellules co-canal, doivent être suffisamment espacées pourque les interférences entre utilisateurs dans les cellules co-canalne dégrade pas la qualité du signal au dessous d’un niveautolérable.

Niveau minimum tolérable du SIRDes tests subjectifs ont affirmé que la plupart des gens considèrent

que pour un signal FM (utilisant un canal de largeur de bande 30 kHz)soit clair (perceptuellement), il faut que la puissance du signal soit aumoins soixante fois supérieure à la puissance de bruit ou brouillage.

=⇒10log10(60) = 17.78 ' 18dB

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Puissance reçus

Pour une antenne, la puissance reçu à une distance d est donnée par :

Pr (d) = Pr (d0)dd0

−γ

d0: la distance de l’antenne d’émission vers le point de référence (de1 à 100 m)Pr (d0): puissance reçu à proximité d’un point de référence d0 dans larégion de champ lointain de l’antenne.γ exposant de perte de trajet (entre 2 et 4 dans les zones urbaines)

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Calcul de l’interférence co-canal

Le SIR estS∑Kj=1 Ij

il devientR−γ∑K

j=1(Dj)−γ

AvecR : Rayon de la cellule;Dj : distance depuis le BTS de la jème cellule et le mobile;K : nb des cellules co-canal d’interférence (de premier niveau)

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Si Même distance est considérée : Dj = D.

SIR =R−γ∑K

j=1(D)−γ

=(D/R)γ

K=

(√

3N)γ

KPour une géométrie hexagonale, lenb de voisins co-canal de premierniveau est K=6.Pour atteindre SIR ≥ 18dB, il fautque N > 6.49 pour γ = 4=⇒ N ≥ 7 doit être utilisé pouratteindre SIR = 18.66dB

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Pire des cas: Le mobile est à la frontière de la cellule (pt x), lesdistances depuis x sont des approximations

SIR =R−γ

(D − R)−γ + (D + R)−γ + 4D−γ

=1

(Q − 1)−γ + (Q + 1)−γ + 4Q−γ

Pour N = 7, Q = 4.6. Ensupposant que γ = 4 =⇒SIR = 17.9 dB Puisque la situationpire des cas se produit rarement,N = 7 est acceptable.

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Quantité vs Qualité

Si N augmente, Distance D augmente =⇒ SIR meilleurSi N diminue, Capacité meilleur ! 50 / 59


Exemple

Si γ = 4,Le système AMPS nécessite un SIR ≥ 18 dB pour une qualitéaccepté de la voix. Quel doit être le facteur de réutilisation N ?Le système GSM nécessite un SIR ≥ 12 dB pour une qualitéaccepté de la voix. Quel doit être le facteur de réutilisation N ?

Solution :Pour l’AMPS :

N =13[6× (101.8)]2/4 ' 7

Pour le GSM :N =

13[6× (101.2)]2/4 ' 4

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Augmentation de la capacité et amélioration de performance

Plan






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Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire

Plan






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Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire

Fractionnement cellulaire

Comme la demande pour les servicessans fil augmente, le nombre de canauxattribué à une cellule n’est pas suffisantpour soutenir le nombre nécessaire deutilisateurs.

La Solution est d’augmenter les canauxpar Unité de zone de couverture.

Cell splitting: fractionnement

Subdivise une cellule encombrée à descellules plus petites, chacune avec sapropre station de base.

Puisque la superficie de la cellule Acelldiminue, compte tenu de l’expressionde la capacité C, elle augmente.

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Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring

Plan






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Sectoring

Sectoring: La technique de réductiond’interférences co-canal par L’utilisationd’antennes directionnelles.

L’antenne omni-directionnelle unique auBTS est remplacée par plusieursantennes directionnelles, chacunerayonnant dans un secteur donné.

Une cellule va recevoir moinsd’interférences co-canal.

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Sectoring 60◦

Parmi les 6 cellules co-canal,seulement une d’elles interfèreavec la cellule centrale.

Si des antennesomnidirectionnelles ont étéutilisés à chaque BTS, toutes les6 cellules co-canal s’interfèrentavec la cellule centrale.

=⇒ K change de 6 à 1

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Sectoring 120◦

En supposant que le le facteur deréutilisation N=7, pour le cas de120◦ sectoring, le nombre descellules co-canal interférentes estréduit de six à deux

=⇒ K change de 6 à 2

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Pourquoi Sectoring ?

Sachant que SIR = (√

3N)γ

K ; C = AtotalAcell× S

N

Avantages :Réduire les interférences en réduisant KAugmenter SIR (une meilleure qualité de l’appel).L’augmentation du SIR peut nous permettre de réduire de la taillede cluster (N) pour augmenter la capacité.

InconvénientsAugmenter le nombre d’antennes à chaque station de base.Les canaux disponibles dans la cellule doit être subdivisée etdédiés à une antenne directionnelle spécifique.

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