Instruments de mesure ou d'optimisation Wireless GSM

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1 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Instruments de mesure ou d'optimisation Wireless GSM by Jean-Paul Cipria - Lundi, juin 11, Urbain 3D Wireless : Simulation d intensité radio-électrique en milieu dense Les différents réseaux sans fils (wireless) de téléphonie et data sont devenus si complexes et les fonctionnalités radio-fréquences et de traitement du signal si difficiles à appréhender qu il est nécessaire de se faire aider par des ordinateurs pour configurer le réseau, le faire évoluer (ou déploiement), l optimiser, prendre des mesures et les analyser Propag Indoor Modèles radio-électriques Propagation Instruments KPI Conclusions Réf Propag Indoor Propagation indoor dans un tunnel Résultat de simulations précédentes A la suite du mémoire de recherche sur la précision de localisation en impulsion UWB je précise quelques page 1 / 21

2 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - études sur la propagation électromagnétique le long d un tunnel routier La deuxième partie du mémoire porte sur la précision de localisation par trois émetteurs en bande UWB à l interieur d un tunnel par la méthode des ToA La conclusion est que la simulation Matlab conforte ou confirme la courbe théorique de Cramer-Rao pour un canal de propagation en perturbation AWGN Ce qui me réjouit! Animation : (Public) Résumé : (Privé pour l instant) Partie de mémoire : (Privé pour l instant) La méthode des ToA permet de localiser le maximum d énergie sur une partie de surface de sphère reçue par le (les) récepteurs en ultra large bande Néanmoins j ai fait l impasse, au premier ordre, sur les effets de propagation dans une élément guide d onde comme celui qui m occupe, un tunnel long (devant les longueurs d ondes en question) Rappels de physique Guides d onde Une onde qui se déplace dans un tunnel de section rectangulaire favorise le type de propagation Le mur jouant un effet de conducteur limité et réfractant, il existe une atténuation linéïque qui dépend de la longeur du tunnel ( Réf [EMSLIE] ) L effet de revètement du tunnel est équivalent à un matériau diélectrique à pertes Les modes perpendiculaires aux murs ont tendance à s annuler lorqu ils sont proches du mur Ainsi une polarisation apparait sur la propagation de l onde avec des champs nuls le long des murs et un maximum d intensité entre les murs Les modes favorisés des ondes sont Symbolisme mathématique pour rappeler que les modes m ElectroMagnétiques sur la longueur et le mode n sont présent, au détriment des autres, sur la largeur du tunnel Modes principaux Si la condition suivante est vérifiée : alors : Il existe deux modes principaux de polarisation en X et Y : page 2 / 21

3 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - et Etude [EMSLIE] et thèse [NASR] Les deux ondes, électrique et magnétique s expriment de cette façon : 1 2 s exprime sur un axe perpendiculaire à et au vecteur de propagation dans le sens des z De plus il est proportionnel par les équations de Maxwell L atténuation (en db) de la composante électrique (mode 1,1) issue de la partie imaginaire de donne : Nous observons que l atténuation est bien proportionnelle (en db!) à la longueur du tunnel et que celle-ci diminue en fonction du cube de la largeur Informations Necessité de propagation indoor Aujourd hui sur le quotidien Grand Paris (19/06/2012) La société (GOWEX, NAXOS), en collaboration avec la RATP installe des connexions (transmission) Wifi le long des rames de 15 stations RER permettant de se connecter à internet La mobilité des rames cependant pose des problèmes La RATP étudie des solutions 3G et 4 G thèmes de cet article!!! Modèles radio-électriques >> Modèles radio-électriques Modèles radio-électriques Pourquoi modéliser les canaux de propagation? Calculer et Optimiser page 3 / 21

4 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Nous avons besoin d optimiser les positions des différents émetteurs ou stations de base (BTS ou Enode) pour garantir à la fois la meilleure couverture électromagnétique, le meilleur niveau de signal et la meilleure qualité de transmission Diviser le problème en cas particuliers Nous nous apercevons que le calcul est pratiquement impossible sans sérier les phénomènes physiques De nombreuses études montrent que le signal reçu dépend de la distance et des différentes amplifications d antennes d émission et de réception ou pathloss, de modifications du signal à cause de bruits divers dans un cas général appelés AWGN, des phénomènes d évanouissements ou Fading produits à la fois par les différentes déformations de l onde suivant ses fréquences constitutives ou vitesses de groupe, les rebondissements ou réflexions ou multi-trajets, les passages d onde au travers d un milieu physique ou les réfractions, les réémissions sur une surface rugueuse ou dispersions (scattering), les réémissions sur des pointes ou diffractions (et l effet de Rusty Bolt) L atténuation en fonction de la distance est appelée : Pathloss Les effets lents de masquage ou d atténuation sont appelés : Shadowing Les effets rapides d évanouissements sont appelés : Fast fading Contexte de milieux de propagation Nous avons donc à la fois sérié le contexte ou le milieu typique dans lequel l onde se propage (Clutter Types : types de fouillis ) : RA : Rural Area : Milieu Rural TU : Typical Urban : Ville typique etc Contexte de types de modification de l onde Ainsi que le type de composition statistique moyen du signal appelé CLASS ou RISE ou COSTxxx constitué de : du nombre de canaux sous la forme de Réponse Impulsionnelle (IR), de la valeur maximum de l effet Doppler d un temps moyen de présence du signal Conditions de propagation valeur de champs électromagnétiques Effets des multi-trajets et des décalages Doppler Les conditions de propagation sont fortement influencées par les réflexions et les dispersions (scattering) page 4 / 21

5 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Au voisinage du mobile les signaux arrivent à la fois retardés par les trajets multiples et décalés par les effets Doppler (dus au mobile en mouvement) Les conditions de stationnarité au sens large (WSSUS) sont acquises dès que les distances sont supérieures à 10 m Nous découpons alors les conditions de propagation en éléments stables (taps) constitués d un jeu (stable au sens large) de délais et de puissance moyenne ainsi que l amplitude de la distribution Rayleigh variant suivant le spectre des décalages Doppler E(t) est l intensité du champs électrique en fonction du temps e(t) est l amplitude du signal électrique décalé dans le temps Dop : est la courbe de décalage Doppler L exponentielle est la description complexe d une onde au sens de la quasi-stationnarité en est l approximation d une surface réduite à une onde plane Ou plutôt dans le plan Phénomènes stationnaires (WSSUS) WSSUS : Wide Sense Stationary Uncorrelated Scattering Simplement, un phénomène physique est stationnaire si ces caractéristiques principales ne varient pas, ou peu, au cours du temps Le peu de variation se traduit par une dérivée (ou variation) au second ordre négligeable devant le premier ordre Les caractéristiques statistiques sont souvent la moyenne et la variance qui ne varient pas ou peu dans le temps Le second ordre est la même chose appliquée à l autocorrélation du signal (second ordre car ) Types de spectres Doppler Spectre Doppler classique Un mobile se déplace à la vitesse et reçoit une onde de fréquence Le maximum de décalage Doppler est : Modèle Rural à 4 jeux trajets-doppler (4 taps) : RISE page 5 / 21

6 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Modèle cost207rax4 Modèle Rural à 6 jeux trajets-doppler (6 taps) : CLASS Modèle cost207rax6 Modélisation du Fading Définition Il y a une petite astuce dans la formule du Fading Pour chaque canal de propagation k nous déterminons sa réponse impulsionnlle h(t) (IR) que nous multiplions par le signal d entrée s(t) Dans le cas général la réponse impulsionnelle h(t) est le comportement d un système lorque, en entrée, nous lui soumettons une impulsion de Dirac?(t) ou un signal décalé?(t-?) L astuce est là : Nous pouvons déterminer n importe quelle sortie s(t) comme combinaison linéaire de h(t) (IR) et du signal d entrée s(t) (Voir TF et convolution d impulsion de Dirac) Formule dans le domaine discret : Réponse impulsionnelle du canal k : Signal d entrée dans le canal décalé de : Signal de sortie du canal de propagation Rappel sur la convolution Convolution Rappel sur la corrélation Ce qui, dans ce cas a peu d intérêt Nous faisons rarement une corrélation d une réponse impulsionnelle à son signal d entrée? Quoique? page 6 / 21

7 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Convolution et spectre fréquentiel D ou (Voir démonstration) Et ce qui est très pratique, la réponse dans le domaine fréquentiel log-log : Parce que les ingénieurs ont toujours préféré les additions aux intégrales Cas de Si alors En ce cas est la fonction de transfert (La Dirac a fixé la réponse fréquentielle en t=t0) et donc la réponse impulsionnelle est la fonction réciproque de Fourier : Je ne sais pas si je suis clair (sans refaire la démo entièrement)? En tout cas cette mise au point est nécessaire car évidemment personne ne nous dit comment ont été obtenu les puisque les mesures, ex Okumura-Hata, ne fonctionnent qu en!!! On dit merci à qui? Courbes en Canal de Fading : Rural 6 taps La simulation suivante obtenue sur Matlab présente : 1 Le modèle de propagation est Rural à 6 jeux : cost207rax6 2 Les composantes atténuée de Fading en db et entre 0 et 500 ms 3 La réponse impulsionnelle en fonction du délai autours de 10 µs 4 La trajectoire de phase en bande étroite (NB) partie Imaginaire et partie Réelle La durée d échantillonnage est de 10 µs Le décalage Doppler maximum page 7 / 21

8 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - page 8 / 21

9 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - GSM Urbain Canal de Fading COST207 Modèle de canal de Rayleigh sous Matlab % Canal GSM de Fading % Explications dans l aide à : stdchan % Explications générales : COST 207 and GSM/EDGE Channel Models % Jean-Paul Cipria % 12/06/2012 % Time Sampling en seconde ts = 01e-4; % Frequency shift en Hz fd = 200; % Type de canal % Typical Urban (TUx), 6 taps Type_Canal= cost207tux6?; % Canal de fading %chan = stdchan(ts, fd, cost207tux6?); chan = stdchan(ts, fd, Type_Canal); channormalizepathgains = 1; chanstorehistory = 1; y = filter(chan, ones(1,5e4)); % Affichage plot(chan); Rappel : Atténuation en ligne Pathloss E est la valeur de champs électrique et P la puissance rayonnée par l antenne (à 0 Dbi) E = P + 20logF (MHz) + 77,2 Donc pour le GSM 900 : F = 925 MHz E (dbµv/m) = P (dbm) + 136,5 page 9 / 21

10 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - << Propag IndoorPropagation >> page 10 / 21

11 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Propagation Types de propagation Propagation en milieu ouvert Si une onde électromagnétique se propage sans obstacle d une antenne point la puissance reçue à la distance d est : est la puissance transmise, est la distance ou nous mesurons et est la puissance reçue à cette distance Effet d espace des antennes L antenne induit une captation de l énergie qui n est pas de 100% mais dépend de son ouverture (Aperture) C est à dire de ses dimensions 3D par rapport à la longueur d onde Comme l onde se propage sur une surface de sphère (2D) l antenne capte la partie de longueur d onde par rapport à celle-ci soit : Un petit peu comme en physique quantique où un atome présente une surface efficace à une interaction Ici se sera : D ou la puissance reçue par l antenne : Pour ceux que le terme : ou, voir ci-dessous, trouble : - «Que vient faire la fréquence dans l atténuation alors que dans les équations de Maxwell celle-ci n y page 11 / 21

12 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - figure pas? «La réponse est donc ci-dessus!!! Car nous intégrons l effet (que je qualifie de relativiste) des antennes dans une équation de canal de propagation qui devient alors canal de transmission Encore fallait-il le dire! Le Pathloss est une équation de canal de transmission et non de propagation! Pathloss Si nous exprimons cette équation d atténuation ou Pathloss en decibell (10log décimal puisque l expression est en puissance ou en énergie) : La définition du Pathloss ou atténuation du canal de Transmission (y compris les antennes) est la suivante : D ou Il est toutefois plus usité de transformer ce Pathloss en fonction des fréquences plutôt que des longueurs d onde Pathloss db Hz m Pathloss db MHz Km Si nous transformons la formule avec en MHz et en Km, la formule équivalente est : CQFD Modèle de la terre plate Terre plate page 12 / 21

13 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Excuses-moi Galilée! Modèle de Power-Law Nous remarquons dans l exemple précédent que l atténuation en distance dépend du nombre 40 avant le log Ce qui correspond à Ainsi la présence d une surface (la terre) dans le canal de transmission agit comme un exposant 2 supplémentaire à la loi en Nous pouvons poser Ainsi il suffit de déterminer l exposant de décroissance de Modèle de Okumura et Hata UIT-R Rec 370 Valeurs limites paramètre signification Validité f fréquence en MHz 150 < f < 1500 MHz Hbts Hauteur de l antenne de la BTS en m 30 < Hbts < 200 m Hmob Hauteur de l antenne du mobile en m 1 < Hmob < 10 m d Distance en Km 1 < d < 20 Km Formule zone ouverte petites villes Pour les petites et moyennes villes << Modèles radio-électriquesinstruments >> Instruments Instruments de mesure et d analyse page 13 / 21

14 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Différents instruments de mesure et d analyse existent sur la marché : Les instruments de conception comme ATOLL, les instruments de mesure RF directement sur le terrain comme TEMS et NEMO, les logiciels d analyses post-mesures comme ACTIX, les bases de données géographiques comme ARCGIS ATOLL ATOLL est un logiciel de planification du design de conception radio : De la modélisation à la simulation ou de la densification à l optimisation Modèle de trafic Simulation de Monte-Carlo Liens micro-ondes Calcul de propagation Plan de fréquence (AFP) Frequency Hopping (FH) parameters : (HSN, MAIO, MAL) Plan de cellules (ACP) Hauteur, azimut, tilt, couverture Lien avec les systèmes d informations géographiques (GIS) comme MAPINFO et ARCVIEW ou Google Earth NEMO NEMO est un instrument de mesure RF (Radio Fréquence) sur réseau outdoor lié à un GPS Il est relié aux antennes de mesure ainsi qu à un pack de téléphones mobiles connectés par l intermédiaire de liens de transmission USB ou RS232 Le montage est installé sur voiture alimenté en 12V TEMS TEMS est un instrument de mesure RF (Radio Fréquence) sur réseau outdoor lié à un GPS Il est relié aux antennes de mesure ainsi qu à un pack de téléphones mobiles connectés par l intermédiaire de liens de transmission USB ou RS232 Le montage est installé sur voiture alimenté en 12V Gère les couches L2 et L3 ACTIX ACTIX est un analyseur de performance après mesure (drive test post processing) ANRITSU MW8209A Cet instrument permet de mesurer la distorsion d intermodulation (PIM) La distorsion d intermodulation est la mesure de la combinaison linéaire suivante entre deux fréquences : Les valeurs et $latex m $ sont des entiers Si et alors nous sommes en présence d une intermodulation d ordre 3 (produit d ordre 3) qui est, en fait la cause la plus fréquente de perturbations électromagnétiques entre plusieurs transmetteurs page 14 / 21

15 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Rusty Bolt Effect Les antennes rouillées (d ou le nom de boulon rouillé en Anglais) induisent un effet de diode à l interface et (Différences des couches d énergies quantiques entre la zone de conduction et les zones interdites voir physique quantique sur ce site) Cette diode démodule les signaux RF Comme ce système est essentiellement non linéaire il y a production des fréquences harmoniques supérieures que l antenne ré-emet MAPINFO MAPINFO est un système d informations géographiques (GIS) Citation : L intégration des données BING et Open Street Map mondiales : la nouvelle version intègre des Services Premium permettant de rechercher et d afficher les données contextuelles routières mondiales avec les services Web Microsoft BING et Open Street Map (OSM) : il est très facile avec la fonction «Localiser sur la carte» d afficher rapidement un lieu sur une carte en saisissant simplement une adresse, ou encore de superposer des données de rue BING ou OSM ARCGIS -ARCVIEW ARCVIEW est un système d informations géographiques (GIS) << PropagationKPI >> KPI Indicateurs de mesures KPI Généralités Il existe plusieurs types d indicateurs de performance d un réseau 2G, 3G, 4G : 1 Fonctionnalités 2 Radio-Fréquences 3 Couverture 4 Qualité page 15 / 21

16 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées Capacité KPI Fonctionnalités Indoor/Outdoor Macro-Micro, Hand-Over (HO) Roaming Radio-Fréquences Modulation 64QAM Antennes MIMO Couverture Recouvrement (overlays) Indoor/Outdoor Qualité Interferences : Voir PIM BER Congestion Niveaux : RxLevel, RxQual Jitters Capacité Capacité RF mesurée en Erlang Exemple Sur le réseau Belge Mobistar la qualité des communications, par diminution de la couverture, se dégrade : 1 Diminution du champs électrique maximum de 20 V/m à 3 V/m 2 Augmentation des rêglementations : Urbanisme ET Environnement Ces contraintes ou (KPI spéciaux) obligent l opérateur à installer plus de 400 antennes supplémentaires << InstrumentsConclusions >> page 16 / 21

17 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Conclusions page 17 / 21

18 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Avec ou sans Maxwell? Sans! Une chose importante à dire est que, dans tous les formules qui vont suivre, pas une fois n apparaissent les équations de Maxwell, qui sont, pour le moins, celles qui devraient définir, même (et surtout) au sens relativiste, les propagations électromagnétiques La raison de ce manque est la suivante, les physiciens ou, du moins, les ingénieurs ont préféré raisonner en terme d énergie et de Pathloss Nous calculons donc le terme (en terme d énergie) en négligeant en terme de fonction d onde dans un premier temps ( Voir Okumura-Hata) Ceci nous revient rapidement dans la figure dès que nous calculons des Fading ou des multi-trajets! Ce qui explique les difficultés quand nous voulons revenir sur des termes de phases qui, cette fois-ci, sont dépendantes de fonctions d onde et donc des équations de Maxwell Les tergiversations diverses en terme de Réponses Impulsionnelles (IR) deviennent si difficiles à visualiser pour les techniciens et ingénieurs que je me demande si un retour aux fondements de la physique ondulatoire et quantique ne s impose pas? En effet à quoi sert d imposer 6 tags IR pour un canal de fading quand peu de spécialistes RF ont la moindre idée à la fois de ce que celà signifie et encore moins de l interprétation à leur donner? Chers collègues techniciens et ingénieurs, quitte à ne rien comprendre à cause de la complexité, et non de la difficulté, des modèles en cours, autant en revenir aux bonnes vieilles (SIC) méthodes ou plutôt enrichir les modèles de la compréhension de la physique? Europe ou Japon? En parlant de vieilles méthodes je recherchais, ces temps-ci, activement les originaux des articles de MM Okumura et Hata quand je m apperçu, au détour d une thèse Européenne (SIC) qu un des articles en question, Japonais, date de 1968! Quel rage de constater qu en 1992 alors que je débutais dans le GSM aucun cours en faculté, université ou grandes écoles n existaient pour nous expliquer ce qu était ces quelques 10 MULTIPLICATIONS TRANSFORMEES EN 10 LOG DECIMAL!!! Loin de critiquer ces travaux, qui ont le mérite d exister, et de coller à la réalité via des mesures effectives sur le terrain, je déplore le manque d engagement des élites à expliquer des choses SIMPLES!!! J enrage d être obligé de refaire une partie des calculs à la main pour comprendre que j aurai pu comprendre un peu mieux quelques 20 ans auparavant Entreprises en 10log Européenne et Entreprise High-Tech Japonaise Comme nombre de mes collègues collés face à des paramétrages incompréhensibles, en europe nous intégrions et validions un réseau GSM vieux de plus de 20 ans au Japon! Quelle honte pour les Nokia, Alcatel, SFR et FT pour lesquelles j ai travaillé!!! Entreprises où nous ne pouvions pas trouver un seul ingénieur capable de nous expliquer quoi que ce soit quand nous étions en face de dysfonctionnements divers Notre confiance en notre intelligence nous a sauvé et donc le chômage nous a rattrapé! On ne nous demande pas de réfléchir! Heureusement quelques entreprises au bord de la faillite font appel à nous, au dernier moment Nous obligeant à ingurgiter leurs méthodes (SIC), leurs processus (RESIC), leurs connaissances (???), afin de les dépatouiller de l incohérence dans laquelle elles se mettent toutes seules page 18 / 21

19 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - Réveillez-vous messieurs les ingénieurs! Cessez-donc de marcher dans la de répondre aux injonctions marketing Ce n est pas votre rôle! << KPIRéf >> Réf Références Acronymes AFP : Automatic Frequency Planning ACP : Automatic Cell Planning AWGN : Additive White Gaussian Noise BER : Bit Error Rate BU : Bad Urban DPM : Distance to PIM HT : Hilly Terrain KPI : Key Performance Indicator : Mesure de la performance Aucune définition digne de ce nom n existe sur les sites réputés être de référence Je ne les citerais pas et je définirais moi-même ceci! spécifique mesurable atteignable orienté résultat!!! Gag!!! et anti-scientifique!!! évaluable sur la durée : Redondant avec mesurable! ICP : Indicateurs Clés de Performance IR : Impulsional Response GIS : Geographic Information System PIM : Passive Intermodulation Analyzer RA : Rural Area TF : transformée de Fourier ToA : time of Advance TU : Typical Urban Survey : enquête, sondage : Campagne de mesure UWB : Ultra Wide Band WSSUS : Wide Sense Stationary Uncorrelated Scattering Références constructeurs NAXOS Filiale de la RATP ou TELCITE page 19 / 21

20 Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - TEMS NEMO ACTIS Telcité et Naxos Immeuble Central IV, 6 ème étage 1, avenue Montaigne Noisy-Le-Grand commercialtelcite@ratpfr Bertrand LENOIR - Directeur général ites/ascom-tems-tems-investigation/ on-de-sites/nemo-technologies-multi-cradle/ ix-analyzer/ Anritsu MW8209A MAPINFO ARCGIS -ARCVIEW Références Normes et Standards [45005] Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Radio transmission and reception 3GPP TS V1040 ( ) [OKUMURA] Y Okumura et al, Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile page 20 / 21

21 Powered by TCPDF (wwwtcpdforg) Instruments de mesure ou d'optimisation Wireless GSM Par Jean-Paul Cipria - Sciences Appliquées - services, Review of the Electrical Communications Laboratory, 16, pp , 1968 [EMSLIE] A G Emslie, R L Lagace, and P F Strong Theory of the propagation of UHF radio waves in coal mine tunnels IEEE Transs on Antennas and Propag, Vol AP-23, No, pp , 1975 [NASR] Thèse Cours Radio [COULON] Canal de propagation Cours : Référence sur ce document et sur ce site : << Conclusions Jean-Paul Cipria 12/06/2012 jquery(document)ready(function() { if(posttabs_getcookie('posttabs_12403')) posttabs_show(posttabs_getcookie('posttabs_12403'),12403); }); Article écrit par Jean-Paul Cipria page 21 / 21