Chapitre 2 : Systèmes radio mobiles et concepts cellulaires

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1 Chapitre 2 : Systèmes radio mobiles et concepts cellulaires

2 Systèmes cellulaires Réseaux cellulaires analogiques de 1ère génération : AMPS (USA), NMT(Scandinavie), TACS (RU)... Réseaux numériques de 2ème génération : 1991 : GSM, DCS en Europe 1995 : IS95 (USA) à base de CDMA Réseaux de 3ème génération : IMT 2000, UMTS. 2

3 Systèmes cellulaires Couverture continue divisée en cellules: Optimisation de l'utilisation du spectre alloué, Taille des cellules : quelques m à 35km, Mobilité importante (Pays, Continent), vitesse mobile importante, Roaming (itinérance), Handover. 3

4 Concepts cellulaires Le concept de cellule est introduit comme une solution à la contrainte de la limitation de la ressource radio (spectres de fréquences). Occupation spectrale pour les différents types de systèmes radio 4

5 Concepts cellulaires Principe : Le territoire est divisé en cellules, desservies chacune par une station de base (BS), l'ensemble de ces cellules formant un seul réseau. Chaque cellule sera affecter par une ou plusieurs fréquences radio Les fréquences sont réutilisés dans plusieurs cellules selon la capacité du système aux interférences. 5

6 Concepts cellulaires Une cellule : zone géographique couverte par un émetteur appelé station de base et utilisant une plage de fréquences pour les communications qu'elle couvre. 6

7 Concepts cellulaires Réutiliser chaque bande de fréquences de trafic suffisamment éloignées. Cet éloignement minimum se calcule en fonction du diamètre de chaque cellule. La taille de la cellule est variable suivant le relief, la densité d abonnés, Les cellules peuvent être hiérarchiques (macro cellules, micro cellules, ). 7

8 Motifs cellulaires Dans un réseau cellulaire TDMA/FDMA, les ressources fréquentielles sont réutilisées. Les cellules utilisant la même fréquence s'interfèrent mutuellement. F1 R D F1 R: rayon de la cellule, D: distance de réutilisation des fréquences. D/R> seuil 8

9 Motifs cellulaires Modèle régulier et homogène (propagation et trafic) de réseau utile pour une première planification. R R D D 9

10 Motifs cellulaires Définition : Un motif cellulaire Cluster est l'ensemble des cellules dans lequel chaque fréquence de la bande est utilisée une fois et une seule fois. Il représente le plus petit groupe de cellules contenant l'ensemble des canaux radios une et une seule fois. Ce motif est répété sur toute la surface à couvrir 10

11 Motifs cellulaires On peut montrer que les motifs optimaux sont de taille K tel que : v u OM=iv + ju Distance de réutilisation : 11

12 Motifs cellulaires 12

13 Motifs cellulaires 13

14 Motifs et antennes cellulaires Cellule omnidirectionnelle : cellule équipée d une BTS à antennes omnidirectionnelles. Cellule sectorielle : cellule équipée d une BTS à antennes directionnelles Cellule sectorielle Cellule omnidirectionnelle Antennes directionnelles Antennes omnidirectionnelles 14

15 Antennes cellulaires LNA LNA LNA (Low Noise Amplifier) Amplificateur à Faible Bruit qui permettent d'amplifier le signal reçu par l'antenne, en provenance du mobile. Antenne d'un faisceau hertzien Un FH est une liaison radio spécialisée, composée de 2 antennes émettricesréceptrices. Lorsque le BSC est très éloigné du MSC, (débit de 2 Mbit/s). 15

16 Seuil de couverture C C: Puissance du signal N: Bruit du récepteur R: Rayon de couverture Le seuil de fonctionnement: C/N minimum ou bien (C/N)seuil La sensibilité du récepteur : S=(C/N)minimum +N Le rayon de couverture d'une cellule isolée dépend de la puissance d'émission + Sensibilité R 16

17 Seuil de couverture Il suffit qu en tout point de la cellule, le signal reçu ait une puissance supérieure à la sensibilité du récepteur pour que la qualité des signaux reçus soit acceptable. Remarque : Un émetteur est caractérisé par sa puissance, un récepteur est caractérisé par sa sensibilité 17

18 Interférence co canal Signal utile f1 Interférence f1 Signal utile Les deux BTS utilisent la même fréquence f1 Interférence co canal Le rapport signal sur bruit (SNR) =C/(I+N) On tenir compte de la réutilisation de la fréquence I>>N SNR=C/I La couverture d'un réseau dépend du seuil C/I et de la distance de réutilisation. 18

19 Calcul de l'interférence co canal Les système radio mobile sont définis avec une certaine capacité à résister aux interférences. La valeur limite est : Bi est l ensemble des stations de base en émission sur la fréquence de réception du mobile. 19

20 Calcul de l'interférence co canal Il faut donc estimer le C/I minimal sur la cellule. Le C/I est calculé dans le pire cas qui correspond aux conditions suivantes : Totalité des stations de bases en émission à la puissance Pe Mobile situé à une distance R de la station de base. On a donc Avec Dn est la distance entre le mobile et la nième station de base interférente, est un coefficient de proportionnalité et le coefficient d'affaiblissement de parcours. 20

21 Calcul de l'interférence co canal Il est possible de considérer seulement les six stations de base de la première couronne et de négliger l interférence créée par les autres cellules. Pour ces six cellules, la distance Dn peut de plus être approximée par la distance D. L interférence totale peut donc être approximée par : Le rapport C/I devient alors : 21

22 Calcul de l'interférence co canal 22

23 Calcul de l'interférence co canal Dans les cas les plus courants, le récepteur et l émetteur ne sont pas en visibilité directe. On approxime fréquemment l atténuation du canal par un modèle à 3 étages : Une atténuation due à la distance, Un terme aléatoire prenant en compte les effets de masque (présence d obstacles) Un autre terme aléatoire décrivant les évanouissements ou fading dû aux trajets multiples. 23

24 Interférences sur canal adjacent Les interférences sur canal adjacent sont dues aux émissions d'autres équipements sur des fréquences adjacentes. 24

25 Effet de masque L effet de masque est modélisé par une loi log normale. Il représente une variation sur les conditions de propagation, tantôt favorable (par exemple visibilité directe), tantôt défavorable (par exemple lors de la présence d un obstacle important entre l émetteur et le récepteur). 25

26 Effet de masque Le rapport C/I n'est pas fonction que de la distance mais aussi dépend de l'effet de masque représenté par une loi log normale (Gaussienne en db) 26

27 Effet de masque En revanche, on peut tracer la fonction de répartition du C/I pour l'ensemble des mobiles uniformément répartis sur la cellule. Un réseau est planifié pour limiter le nombre de mobiles qui reçoivent un signal inférieur au seuil de fonctionnement du système. Typiquement, on accepte un taux de 5% à 10%. La simulation effectuée en considérant la liaison descendante, d'un réseau tri sectorisé, avec un effet de masque d'écart type 7dB et =3.5. On constate avec ce graphique que 90% des usager ont un C/I supérieur à 12dB avec un motif à 12. Les spécifications de GSM prévoient un fonctionnement correct au dessus d'un niveau C/I de 9dB. La taille du motif de réutilisation minimal est donc K=9. 27

28 Paramètres influençant la capacité Saut de fréquence La diversité de brouilleurs Contrôle de puissance Transmission discontinue 28

29 Prévision de trafic Les variables suivantes décrivent le comportement du système : R = Nombre de serveurs. T = Temps moyen de service. C = Taux d'arrivées: c'est le nombre moyen d'appels se présentant dans l'unité de temps. Trafic offert : Probabilité de blocage : Trafic écoulé : Trafic rejeté : 29

30 Planification et densification d un réseau mobile un réseau mal planifié se traduit par une qualité d appel médiocre et un taux de perte d appel important. Objectifs : Assurer la couverture radio et éviter le brouillage. Minimiser le coût d'infrastructure radio et réseau 30

31 La densification Les processus de planification sont suivis d une opération de densification qui doit suivre l évolution de la demande en trafic 31

32 Calcul de la capacité d'un réseau cellulaire Pour comparer entre les différents techniques de densification, on définie la capacité du réseau cellulaire : A0 : Capacité maximale écoulée N0 : Nombre de sites par km² B0 : Largeur de bande utilisée 32

33 Adjonction de nouveaux canaux Cette méthode est la plus rapide qui consiste à ajouter de nouveaux canaux aux cellules dans le cas ou toute la bande de fréquence n a pas encore été utilisée, cela revient à ajouter des émetteurs/récepteurs, TRX, au niveau des stations de base. Avantage : Ne nécessite pas la modification du motif cellulaire. Inconvénient : La nécessité d ajouter des équipements (émetteurs /récepteur pour les canaux radio) supplémentaires. 33

34 f 4 f 4 Adjonction de nouveaux canaux F 2 F 3 F 2 F 3 F 7 F 1 F 4 F 7 F 14 F 9 F 10 F 4 F 1 F 8 F 6 F 5 F 11 F 6 F 5 F 13 F 12 Situation initiale Situation après adjonction de canaux 34

35 Emprunt de canaux Cette méthode consiste à un transfert temporaire ou permanent de fréquence d une cellule peut charger vers une cellule surcharger en trafic excède, dans certains régions voisines le trafic est largement inférieur à la capacité offerte, donc on utilise la méthode emprunt des canaux pour la re équilibration entre les différentes zones. L intérêt de cette technique est qu elle ne nécessite pas de grands changements au niveau matériel. 35

36 Emprunt de canaux Cellule chargée F 3 F 4 F 5 F 6 F 3 F 4 F 5 F 6 F 13 F 14 F 11 F 1 F 2 F7 F 8 F 13 F 14 F 1 F 2 F 10 F 11 F7 F 8 F 11 F 12 F 9 F F 12 F 9 F 12 F 9 Cellules peu chargées Situation initiale Situation après emprunt de canaux 36

37 Modification de motif cellulaire Des motifs de faible taille permettant d écouler une densité du trafic élevée. Il est donc envisageable, lorsque la demande en trafic augmente de façon importante, de réduire le nombre de cellules par motif. Avantage : Cette technique ne nécessite pas le recours à des nouvelles fréquences. Inconvénient : Nécessite l ajout d équipements d émission réception. Cependant, cette réduction s accompagne généralement d une diminution sensible du rapport C/I, ce qui se traduit par une dégradation de la qualité de service. 37

38 f 4 f 4 Modification de motif cellulaire F 5 F 6 F 2 F 1 F 4 F 5 F 3 F 2 F 3 F 7 F 6 F 7 F 2 F 3 F 1 F 4 F 5 F 1 F 7 F 1 F 4 F 2 F 3 F 4 F 5 F 6 F 7 F 1 F 6 F 5 F 6 F 7 F 2 F 3 38

39 Division de cellules Situation initiale Situation après division en cellules plus petites 39

40 Division de cellules La solution classique mise en œuvre pour augmenter la capacité consiste à réduire la zone de service des cellules. La technique de division de cellules (ou cell splitting) Consiste donc à réduire leur taille ce qui a pour conséquence immédiate d augmenter la capacité du réseau. Chaque cellule sera donc divisée en certain nombre de cellules de plus petite taille. 40

41 Division de cellules Les principaux inconvénients de cette méthode sont : Le coût engendré par la mise en place des nouveaux sites. L augmentation du niveau d interférence. L augmentation du nombre de handovers 41