PLANNIFICATION ET INGENIEURIE DES RESEAUX DE TELECOMS

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1 REPUBLIQUE DU CAMEROUN Paix - Travail Patrie UNIVERSITE DE YAOUNDE I ECOLE NATIONALE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE REPUBLIC OF CAMEROUN Peace - Work Fatherland UNIVERSITY OF YAOUNDE I NATIONAL ADVANCED SCHOOL OF ENGENEERING MASTER PRO 2 EN TELECOMMUNICATIONS PLANNIFICATION ET INGENIEURIE DES RESEAUX DE TELECOMS Séquence 1 : CONCEPT RADIOMOBILE Equipe des concepteurs : - Emmanuel TONYE - Landry EWOUSSOUA Le contenu est placé sous licence /creative commons/ de niveau 5 (Paternité, Pas d'utilisation commerciale, Partage des conditions initiales à l'identique)..

2 réseaux mobiles 1

3 Les réseaux cellulaires Principe = permettre l extension de la zone géographique couverte et l augmentation du nombre d utilisateurs Caractéristiques : liaisons duplex E/R omnidirectionnel 1 sous-réseau fixe de points d accès (cellules) Applications la téléphonie mobile, les réseaux radio 2

4 les systèmes grand public Systèmes cellulaires 1970, développement des systèmes analogiques Systèmes sans cordon Débute dans les année 80, dépasse le téléphone fixe Messagerie unilatérale Débute dans les années 1990, en cours de disparition 3

5 AMPS : Advanced Mobile Phone Service USA HCMTS : High Capacity Mobile Telephone System Japon NMT : Nordic Mobile Telephone system Pays scandinaves TACS : Total Access Radiocom 2000 Communications Systems France Etc... Angleterre C450 Allemangne ANALOGIQUE 4

6 GSM, DCS, IS95, IS98 Grand public TETRA/TETRAPOL DECT, PHS Professionnel MOBITEX WAN Sans cordon b LAN NUMERIQUE 5

7 En savoir plus... Radiocommunications Wireless Communications, Theodores Rappaport, Prentice Hall (1996). Antennas and propagation for Wireless Communication systems, Simon Saunders, Wiley (1999). Réseaux radio-mobiles réseaux radiomobiles, Sami Tabbane, HERMES réseaux GSM/DCS, Lagrange, Godlewski & Tabbane, HERMES wlan mobile communications, Jochen Schiller, Addison-Wesley (2000) Wireless LANs, Jim Geier, SAMS (2001). 6

8 Plan général I. Principe des réseaux cellulaires II. Caractéristiques des ressources radio III. Partage des ressources IV.Ingénierie cellulaire 7

9 I- Pincipes des réseaux cellulaires 1. Concepts de base 2. Modèle théorique : la grille hexagonal 3. Environnement réel 4. Synthèse 8

10 I-1. Concepts de base A) Architecture fixe (core network) les faisceaux hertziens 9

11 I-1. Concepts de base Architecture logique (GSM) BSC MSC HLR VLR AUC EIR BSC OMC GMSC ISC 10

12 I-1. Concepts de base B) Bilan de liaison affaiblissement logarithmique omnidirectionnel symétrique 11

13 I-1. Concepts de base Propagation, modèles bilan de liaison P R = P T + G T + G R PL( f,...) affaiblissement en espace libre, avec sol d PL( d, f ) = log ( 10 λ ) Affaiblissements complémentaires PL( d) = 40log d 20log h T 20log h R diffraction, absorption (murs, obstacles, ) 12

14 I-1. Concepts de base P dbm ( d) = P dbm ( d 0) 10 n log d d 0 Loi d affaiblissement 2<n<4 P mw ( d ) d d = P ( mw d ) 0 0 n 13

15 I-1. Concepts de base C) Seuil de réception bruit du récepteur : seuil de réception 14

16 I-1. Concepts de base Propriétés du bruit AWGN lié aux systèmes électroniques de réception Puissance du bruit : N=κ.T.W=N 0.W κ= J/K T k = 290 K (en réf., T en Kelvin) Marge de réception (SNR) : XdB relativement au bruit Exple en GSM : N 10 6 nw 120dBm ; SNR 9dB 15

17 -120dBm I-1. Concepts de base D) Interférences -90dBm 16

18 I-1. Concepts de base 2 contraintes C N + I = SINR S I + N C N C = SNR 2 S = SIR 2 S I + N I + N I Soit en db : C N C S N = SI + N + 3dB SI = SI + N + 3dB I 17

19 I-1. Concepts de base E) Affectation des ressources k ressources, N cellules (nœuds) 18

20 I-1. Concepts de base E) Affectation des ressources coloriage de graphes, k-couleurs. 19

21 I-1. Concepts de base E) Affectation des ressources répartition statique ou dynamique 20

22 I- Principes des réseaux cellulaires 1. Concepts de base 2. Modèle théorique : la grille hexagonal 3. Environnement réel 4. Synthèse 21

23 I-2. La grille hexagonale A) Choix d un modèle problématique : théorique = espace libre = isotrope. Structure régulière = voisinage homogène 1 cellule = k voisines équidistantes 22

24 I-2. La grille hexagonale A) Choix d un modèle solutions : Positionnement de cercles avec recouvrement minimal 3-connexité >12 voisines 4-connexité >8 voisines 6-connexité >6 voisines 23

25 I-2. La grille hexagonale B) Zone de service hexagonale définition : le plus fort signal 24

26 I-2. La grille hexagonale C) voisinage au sens réseau : recouvrement (6) au sens signal : brouillage (>6) 25

27 I- Principes des réseaux cellulaires 1. Concepts de base 2. Modèle théorique : la grille hexagonal 3. Environnement réel 4. Synthèse 26

28 I-3 Environnement réel A) Effets de propagation d 1 d 1 d 2 d 2 Reflection Diffraction Multiple diffraction d d 1 d 2 d d 1 Scattering Absorption guided wave d J-F Wagen (jean-frederic.wagen@swisscom.com) 27

29 I-3 Environnement réel B) Zone de services de la cellule C/I>Seuil Recouvrement 28

30 I-3 Environnement réel Définition de la zone de service C/N>limite : P r >P seuil (-96dBm) (dépend de la puissance d émission) C/I > limite I=IIS+IIF+IIC distance<dist_max temps AR. BER<limite (<10-3 ) définir la QoS 29

31 I-3 Environnement réel C) Graphe associé k cellules voisines (recouvrement) n cellules brouillées graphe non régulier, zones de services non uniformes objectif : se rapprocher d une répartition équitable. 30

32 I- Principes des réseaux cellulaires 1. Concepts de base 2. Modèle théorique : la grille hexagonal 3. Environnement réel 4. Synthèse 31

33 I-4 Synthèse A) modèle théorique de référence : hexagonal B) modèle réel est défini par : sa zone de service sa zone de brouillage ou interférences 2 graphes sous-jacent : voisinage au sens réseau (recouvrement) voisinage au sens signal (interférences) C) objectif : répartir des ressources de façon optimale 32

34 Plan général I. Principe des réseaux cellulaires II. Caractéristiques des ressources radio III. Partage des ressources IV.Ingénierie cellulaire 33

35 II-Caractéristiques des ressources radio 1. Le spectre radio 2. Principes de modulation 3. Notion de bruit 4. Capacité de canal 5. Interférences 6. Synthèse 34

36 II-1. Le spectre radio Exemples d utilisation de la bande UHF DECT TV (IV, V) GSM DCS IMT f (GHz) Applications : diffusion TV radiomobiles faisceaux hertziens satellites surveillance radar GPS 35

37 II-Caractéristiques des ressources radio 1. Le spectre radio 2. Principes de modulation 3. Notion de bruit 4. Capacité de canal 5. Interférences 6. Synthèse 36

38 II-2. La modulation A) signal en bande de base signal bipolaire signal M-polaire M=2 k T s =k.t b R b =k.r s 37

39 II-2. La modulation B) Propriétés spectrales spectre d un symbole amplitude f=2/t (lobe principal) f=1/t (lobes secondaires) amplitudes temps (msec) fréquence (MHz) 38

40 II-2. La modulation B) Propriétés spectrales spectre d un symbole amplitude f=2/t (lobe principal) f=1/t (lobes secondaires) amplitudes temps (msec) fréquence (MHz) 39

41 II-2. La modulation C) modulation porteuse modulant d amplitude de fréquence de phase 40

42 II-2. La modulation Modulation sur 2 porteuses en quadrature Q m I (t) s I (t) I m Q (t) osc. 90 s Q (t) s RF (t) s ( 2πf t) + m ( t) sin( f t) RF ( t) = mi ( t) cos 0 Q 2π 0 41

43 II-2. La modulation s D) Constellations ( 2πf t) + m ( t) sin( f t) RF ( t) = mi ( t) cos 0 Q 2π 0 42

44 II-2. La modulation Autres représentations 43

45 II-2. La modulation E) Spectre après modulation m(f) f 0 s(f) -f 0 f 0 44

46 II-2. La modulation F) Multiplexage fréquentiel f f 1 f 2 f 3 Voie 1 f 4 Voie 2 Voie 3 Voie 4 Canal f 1 f 2 f 3 f 4 f 45

47 II-2. La modulation La distance entre porteuses est estimée en fonction d un taux d interférences acceptable distance??? Le taux d interférences engendre un taux d erreur variable en fonction de la modulation choisie 46

48 II-2. La modulation 47

49 II-2. La modulation amplitude G) Réduire l occupation spectrale Durée symbole : Ts 0-4T s -3T s -2T s -T s 0 T s 2T s 3T s 4T s temps Largeur spectrale : infinie amplitudes -R s /2 f0 R s /2 fréquence 48

50 II-2. La modulation amplitude G) Réduire l occupation spectrale Durée symbole : infinie 0-4T s -3T s -2T s -T s 0 T s 2T s 3T s 4T s temps 1 Largeur spectrale : Rs. amplitudes R s /2 0 R s /2 fréquence 49

51 II-2. La modulation amplitude G) Compromis : durée/occupation spectrale Durée symbole : infinie 0-4T s -3T s -2T s -T s 0 T s 2T s 3T s 4T s temps 1 Largeur spectrale : 1,6Rs. amplitudes R s /2 0 R s /2 fréquence 50

52 II-Caractéristiques des ressources radio 1. Le spectre radio 2. Principes de modulation 3. Notion de bruit 4. Capacité de canal 5. Interférences 6. Synthèse 51

53 II-3. Notion de bruit A) Le bruit AWGN bruit lié aux systèmes électroniques de réception Puissance du bruit : N=κ.T.W=N 0.W Energie sur une période : E N =N 0.W.T s κ= J/K T k = 290 K (en réf., T en Kelvin) Remarque : si modulation idéale : T s =1/W. alors, E N =N 0. 0 T temps On exprime souvent la qualité d un système en fonction de Eb/N0. 52

54 II-3. Notion de bruit Pour connaître la capacité de canal, il faut estimer le rapport signal à bruit : SNR. Propriétés du signal en émission : Puissance d un symbole émis : S k =A k 2 /2 Energie bit reçue : E b =A k2.t b /2 A k Rem : tenir compte de l affaiblissement de propagation 0 T temps 53

55 n(t)=n I (t)+jn Q (t) a k CNA m(t) T dt 0 â k II-3. Notion de bruit Taux d erreur théorique d une BPSK sur un canal AWGN avec le démodulateur optimal : P(err(k)) = P(â = 1/ a = 1) P(a = 1) + k k k P(â k = 1/ a k = 1) P(a k = 1) p(x) = 1 2πσ e ( x x ) 2σ p(x < 0) = 1 2 erfc x ( ) u ; erfc x = e du 2 σ π 0 u x 54

56 II-3. Notion de bruit Nombre théorique d états possibles : M = 1+ SNR sur 2 porteuses : M ' = 1+ SNR Q I 55

57 probabilité d'erreur BPSK QPSK DPSK FSK GMSK BER E b /N 0 (db) 56

58 II-Caractéristiques des ressources radio 1. Le spectre radio 2. Principes de modulation 3. Notion de bruit 4. Capacité de canal 5. Interférences 6. Synthèse 57

59 II-4. Capacité de canal A) Capacité de canal : définition la capacité d un canal est le débit maximal admissible soit : sans erreur (théorique) pour un taux d erreur donnée (pratique) la capacité est égale au produit du débit symbole maximal par le nombre de bits/symbole. C = max( Rs ) max( Nb) 58

60 II-4. Capacité de canal B)Valeur théorique La capacité de Canal (Shannon-Hartley) : le débit symbole max : Rs=W (symbole=sinus cardinal) le nombre de bits par symbole : Nb=log2(1+SNR) dans un canal à bruit additif gaussien, il est possible de trouver une méthode de codage, telle que pour tout Rb C, la transmission soit sans erreur C = W log 2 1+ ( SNR) SNR : rapport des puissances entre signal et bruit 59

61 II-4. Capacité de canal C)Valeur expérimentale La capacité de Canal pour un système donné : le débit symbole max : Rs ~1,6.W (dépend de la qualité de la modulation, et des contraintes imposées en terme de largeur spectrale : bande à -3dB, -10dB, etc...) le nombre de bits par symbole dépend du taux d erreur acceptable : Nb=f(SNR) (cf. courbes précédentes) La capacité est donnée par le produit des 2. 60

62 II-Caractéristiques des ressources radio 1. Le spectre radio 2. Principes de modulation 3. Notion de bruit 4. Capacité de canal 5. Interférences 6. Synthèse 61

63 II-5. Interférences C I Icc : A)Interférences co-canales (spatial) SIR + 3dB 62

64 II-5. Interférences B) Interférences canaux adjacents (fréquentiel) Ica :? 63

65 II-5. Interférences C) Interférences inter-symboles (temporel) Iis : 64

66 II-5. Interférences D) Calcul d interférences sur 1 cellule I k = I CC + I I CA + I + IS k, k ( s) kj s C( cell) j incell s V ( cell) I + j s I kj + I IS 65

67 II-Caractéristiques des ressources radio 1. Le spectre radio 2. Principes de modulation 3. Notion de bruit 4. Capacité de canal 5. Interférences 6. Synthèse 66

68 II-6. Synthèse A) propriétés la capacité d un lien radio est limitée par la largeur de bande du lien et le SNR admissible en réception. Le SNR admissible en réception dépend du taux d erreur acceptable et de la modulation choisie. Le bruit résulte des propriétés du récepteur (sensibilité) mais également des interférences fréquentielles, temporelles et spatiales. L ensemble doit être pris en compte pour déterminer la qualité du lien radio. 67

69 II-6. Synthèse B) Exemple Icc : 68

70 II-6. Synthèse C) application : le GSM vitesse de modulation Rb=271kb/s. (4 états sur 2 porteuses, modulation GMSK) occupation spectrale ~200kHz. Taux d erreur recquis : SNR=9dB BER E b /N 0 (db) 69

71 II-6. Synthèse Spectre GSM f(khz) 70

72 II-6. Synthèse Interférences canaux adjacents : Marges prévues : 18dB 50dB

73 Plan général I. Principe des réseaux cellulaires II. Caractéristiques des ressources radio III. Partage des ressources IV.Ingénierie cellulaire 72

74 III-Partage des ressources 1. Modes de partage 2. Techniques d accès multiples 3. Cas particulier : CSMA/CA 4. Synthèse 73

75 III-1. Modes de partage A) Attribution de ressources globales la bande de fréquence est choisie en fonction : de la portée voulue. de la capacité souhaitée. GSM : / MHz (GSM étendu : MHz, MHz) DCS1800 : / MHz DECT : MHz wlan : ISM ~2,4GHz 74

76 III-1. Modes de partage B) Duplexage (voix montantes/descendantes) duplexage en fréquence (FDD : frequency division duplexing) Écart duplex Intérêt : permet d éviter les interférences entre lien montant et lien descendant (signal en réception <<signal en émission) f 75

77 III-1. Modes de partage Duplexage en temps (TDD : time division duplexing): voix montantes/descendantes Partage temporel t Intérêt : un seul canal fréquentiel à gérer rem : attention aux interférences entre lien montant et lien descendant 76

78 III-1. Modes de partage C) Partage entre sous-réseaux Approche centralisée : réserver des ressources spécifiques à différents opérateurs GSM, UMTS, IS-95 : bandes spécifiques à chaque opérateur =multiplexage fréquentiel. Approche partagée wlan, DECT : mêmes bandes pour tous. Nécessite une technique pour limiter les interférences ( codes aléatoires, saut de fréquence, ). Interférences non contrôlables, QoS non garantie. 77

79 III-1. Modes de partage Partage entre opérateurs pour le GSM (représentation pour les fréquences montantes) Itinéris /SFR f (MHz) Itinéris /SFR Bouygues f (MHz) 876 sncf 880 Itinéris /SFR Bouygues f (MHz) sncfitinéris /SFR/bouygues Bouygues Itinéris /SFR 1755 f (MHz) 78

80 III-Partage des ressources 1. Modes de partage 2. Techniques d accès multiples 3. Cas particulier : CSMA/CA 4. Synthèse 79

81 III-2.Accès multiples A) Méthodes d accès multiples 1 bande globale : W ; C=Rs x Nb ; Nb=f(SNR) théorique C=2xW (2porteuses, 1 bit/porteuse) pratique : W=1,6Rs; C=2/1,6 x W=1,25xW. BER~10-4 =>Eb/No=8dB; SNR=9dB. On veut partager ce débit global : choix parmi : FDMA, TDMA, FTDMA (GSM) ou CDMA (IS-95, UMTS). Critères : Maximiser l utilisation des ressources (bits/s/hertz) Gérer le niveau d interférences 80

82 III-2.Accès multiples FDMA P f Df T t 81

83 III-2.Accès multiples TDMA P f BP Dt t 82

84 III-2.Accès multiples F-TDMA P f Df Dt t 83

85 III-2.Accès multiples CDMA P f BP T t 84

86 III-2.Accès multiples B) FDMA (Frequency Division Multiple Access) découpage de la bande de fréquences en plusieurs porteuses (1 porteuse par canal). avantage : simplicité, proche d un système analogique (radiocom2000). Inconvénient majeur : faible utilisation spectrale ou interférences élevées. 85

87 III-2.Accès multiples Efficacité théorique C=2.W W C=Nc x C =2.W. W Même capacité théorique dans les 2 cas Nc=W/W 86

88 III-2.Accès multiples Efficacité réelle C=1,25.W W W Nc>W/W C=Nc x 1,25W Nc<W/W W 87

89 III-2.Accès multiples Conclusion sur du FDMA pur taux d interférences important entre porteuses voisines. difficile de faire une planification des fréquences avec un grand nombre de porteuses. mauvaise efficacité d utilisation du spectre. 88

90 III-2.Accès multiples C) TDMA (Time Division Multiple Access) découpage du canal fréquentiel en trames (et slots) avantage : 1 seule porteuse, simplifie la partie RF. Inconvénients : synchronisation temporelle fine étalement temporel, délais (mobiles à distance différente). 89

91 III-2.Accès multiples Efficacité théorique C=2.W T C=Nc x C =2.W. T Même capacité théorique dans les 2 cas Nc=T/Tc 90

92 III-2.Accès multiples Efficacité réelle C=1,25.W Nc<T/Ts Ci=CxTs/T T T C=Nc x Ci<1,25W 91

93 III-2.Accès multiples Conclusion sur du TDMA pur Nécessité d un temps d attente entre slots synchronisation étalement temporels (échos multiples) montée en puissance délais constants donc plus la durée slot est courte, plus l efficacité est faible 92

94 III-2.Accès multiples D) FTDMA (TDMA) Le GSM est un système FTDMA, mais couramment appelé TDMA Définition de canaux fréquentiels à débit largement supérieur au débit d une voie. Répartition de porteuses par cellule. Répartition dans le temps: trames et slots applications : GSM, DECT. 93

95 III-2.Accès multiples Regroupement de voies : multiplexage temporel augmentation de la cadence d émission si synchronisés : pas d interférences entre voies. Facile sur lien descendant Problème en lien montant (intervalle de garde, ou paramètre TA, contrôle de puissance) t 94

96 III-2.Accès multiples t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t Trame 1 canal en fréquence = 1 porteuse = 1 fréquence 1 canal physique = 1 slot par trame 1 canal logique = n canaux physiques (ex n=1; n=0,5; n=4, ) 95

97 III-2.Accès multiples sur lien descendant : facile pas de problème particulier car 1 seule source il faut juste synchroniser les récepteurs 96

98 III-2.Accès multiples sur lien montant : plus difficile problème de synchronisation problèmes de puissance 97

99 III-2.Accès multiples Station de base A da/c db/c B 98

100 III-2.Accès multiples E) Exemple : GSM largeur totale : 25MHz. C theo =50Mb/sec canaux fréquentiels : 124c, 200kHz; 271kb/sec trames de 8 slots Slot 1 Slot 2 trame... Slot i... Slot 8 Slot µs Données : 58b Données 58b burst 546µs 99

101 III-2.Accès multiples Capacité réelle Débit 1 canal logique 116bit/trame Débit 1 canal fréquentiel : 8x116bit/trame Débit réel : Di=116/ ~200kb/s Capacité globale : 124x200kb/s = 24,8Mb/s à comparer à C theo =50Mb/sec efficacité spectrale : η~1 b/s/hz 100

102 III-2.Accès multiples F) CDMA (Code Division Multiple Access) L UMTS est un système W-CDMA Définition de canaux fréquentiels à débit largement supérieur au débit d une voie. Répartition de porteuses par cellule. Répartition dans le temps: trames et slots applications : GSM, DECT. 101

103 III-2.Accès multiples le codeur a k CNA b(t) c(t) b s (t) osc. s RF (t)

104 III-2.Accès multiples le décodeur b s (t) b(t) T dt 0 â k osc. c(t)

105 III-2.Accès multiples Recherche du maximum de corrélation 104

106 III-2.Accès multiples Propriétés du décodeur simple. Sélection du code : connu a-priori ou recherché. Synchronisation du code : matching filter. Synchronisation de phase : le phaseur utilise une séquence connue (pilote). Toutes ces opérations se font en quasi-temps réel : Matching filter : filtre RIF. Corrélateur : produit instantané. Phaseur : produit instantané. 105

107 III-2.Accès multiples Paramètres du CDMA Gain d étalement : rapport entre Tc (durée chip) et durée symbole. Capacité théorique = au système de référence trouver des codes faiblement corrélés : taux de corrélation Avec des codes corrélés (grand nombre), il subsiste une corrélation, i.e. plus on utilise de code plus le niveau de bruit augmente 106

108 III-Partage des ressources 1. Modes de partage 2. Techniques d accès multiples 3. Cas particulier : CSMA/CA 4. Synthèse 107

109 III-2.CSMA/CA : b Le débit global Le débit réel utile en point à point quelques configurations types 20/05/

110 III-2.CSMA/CA : b Bande de fréquences ISM découpage en bandes de fréquences : 2,402 GHz 2,403 GHz 2,404 GHz 2,405 GHz 2,454 GHz 2,455 GHz 2,480 GHz 80 MHz 109

111 III-2.CSMA/CA : b Bande de fréquences la BF permet de connaître le débit max en vitesse «symboles» : amplitudes R s /2 0 R s /2 fréquence 110

112 Le SNR III-2.CSMA/CA : b le nombre de bits par symbole dépend du SNR. Bruit récepteur 111

113 III-2.CSMA/CA : b Les caractéristiques de canal = 1.1 à 2.2Mb/s attention aux recouvrements entre canaux 2,402 GHz 2,403 GHz 2,404 GHz 2,405 GHz 112

114 Le DS-SS (étalement de spectre) III-2.CSMA/CA : b problème des chemins multiples (fading) 113

115 III-2.CSMA/CA : b Le DS-SS principe , Séquence de Barker 0, MHz 114

116 Le DS-SS III-2.CSMA/CA : b conséquences : diminution du nombre de canaux 1 2,412 GHz 2 2,417 GHz 8 2,447 GHz 9 2,452 GHz 122,467 GHz 132,472 GHz partiellement Pémission = 100mW interdits en France =>nov.2002 (indoor) puiss. limitée à 10mW 115

117 III-2.CSMA/CA : b Le DS-SS Occupation spectrale 116

118 IEEE b 1 ou 2Mb/s : 1Ms/sec; BPSK/QPSK 11 chips (Barker) plus robuste que III-2.CSMA/CA : b 5,5 ou 11 Mb/s : 1,375Ms/sec, QPSK 8 chips (CCK) meilleur débit que pour même couverture 117

119 «throughput» (capacité) III-2.CSMA/CA : b le débit annoncé est égal au débit de tous les bits à transmettre le débit réel (ou utile) est le débit dont l utilisateur dispose réellement entêtes et paquets de contrôle erreurs et retransmission 118

120 Poids des entêtes IEEE802.11b Ethernet 119

121 Mesures 120

122 III-2.CSMA/CA : b 1 point d'accès muni d'une seule carte : Débit réel mesuré : 2,4 Mbit/s Slot B vide AP Carte A CSMA : accès partagé Canal indifférent 121

123 III-2.CSMA/CA : b 1 point d'accès muni de 2 cartes : même canal Débit réel mesuré : 3,5 Mbit/s Carte A Réseau 1 Canal 10 AP Carte B Réseau 2 Canal 10 Ce n est plus le même canal logique, mais même canal physique 122

124 III-2.CSMA/CA : b 1 point d'accès muni de 2 cartes : canaux 10 et 11 Débit réel mesuré : 1,7 Mbit/s Carte A Réseau 1 Canal 10 AP Carte B Réseau 2 Canal 11 Brouillage entre canaux 123

125 III-2.CSMA/CA : b 1 point d'accès muni de 2 cartes : canaux 10 et 12 Débit réel mesuré : 2,2 Mbit/s Carte A Réseau 1 Canal 10 AP Carte B Réseau 2 Canal 12 Brouillage entre canaux 124

126 III-2.CSMA/CA : b 1 point d'accès muni de 2 cartes : canaux 10 et 13 Débit réel mesuré : 3,8 Mbit/s Carte A Réseau 1 Canal 10 AP Carte B Réseau 2 Canal 13 Indépendance des canaux 125

127 III-Partage des ressources 1. Modes de partage 2. Techniques d accès multiples 3. Cas particulier : CSMA/CA 4. Quantifier les interférences ou compromis efficacité / performances 5. Synthèse 126

128 III-2.Accès multiples Le partage des ressources permet : de partager le spectre radio. Ceci se fait au détriment d une perte de débit global, qui doit être minimisé En fréquence, limiter la largeur des spectres En temps, synchroniser le système, et limiter les temps «perdus». Par codes, approche plus souple car l évolution du SIR est progressive, mais risques de débordements. 127

129 Plan général I. Principe des réseaux cellulaires II. Caractéristiques des ressources radio III. Partage des ressources IV.Ingénierie cellulaire 128

130 IV- Ingénierie cellulaire 1. Dimensionnement 2. Planification 3. Dimensionnement-planification conjointe 129

131 IV-1. Dimensionnement A) Estimation des ressources nécessaires (trafic) Taux d appel µ, durée d appel moyen (H) intensité de trafic par utilisateur : en Erlang : A u =µ.h Densité de population : d h (hab/km2) densité de trafic souhaité : A=d h. A u (erlang/km2) (faible : 1 erlang, moyenne : 10 erlang, forte : 50 erlang) Surface couverte : S trafic à assurer : A tot =A.S (en erlang) Taux de blocage : % appels bloqués (~2%) le taux de blocage dépend du nombre de canaux et du trafic. i.e. le nombre de canaux requis dépend du trafic souhaité (densité.surface) et du taux de blocage requis. 130

132 IV-1. Dimensionnement Les lois d Erlang Etude du taux d'erreur en fonction du nombre de canaux fréquences 100 P c A 1 Nc tot NC! = N C n 1 A n= 0 n! taux de blocage (%) Trafic demandé (Erlang)

133 IV-1. Dimensionnement Estimation du nombre de canaux voix N C =fix(8.(n f -1)/(1+1/8)) Nb fréquences Canaux physiques Nb TCH

134 IV-1. Dimensionnement B) Capacité cellulaire Système avec S canaux Canaux alloué à un cluster de N cellules k canaux par cellule Un motif utilise les S=kN canaux Motif répété M fois Capacité du réseau C=MkN Réduire la taille N du cluster, augmente capacité Réduire la surface de la cellule, augmente M et donc la capacité 133

135 IV-1. Dimensionnement limite pour une cellule isolée : la capacité théorique est limitée par le nombre de porteuses que l on peut lui attribuer (indépendamment du bruit de voisinage) : quelques problèmes au mieux 1 fréquence sur 2 (interférences canaux adjacents) problèmes de compatibilité : maximum = 8 porteuses c est une limité intrinsèquement liée à la technique GSM. Capacité max : 8 porteuses : 50 canaux voix 134

136 IV-1. Dimensionnement limite pour un groupement de cellules: la capacité est limitée par le facteur de réutilisation : contrainte majeure : les interférences réduisent le nombre de codes disponibles Exemple : avec un facteur de réutilisation de 9 (8porteuses/cell), il faut 72 porteuses, soit ~14,4MHz. L efficacité spectrale par cellule est de : 13kbit/s par utilisateur (450 par motif), soit : η=0.045 bit/hz Pour augmenter la capacité, il faut réduire les interférences, pour diminuer le facteur de réutilisation permettant alors d avoir des motifs plus petits. 135

137 IV- Ingénierie cellulaire 1. Dimensionnement 2. Planification 3. Dimensionnement-planification conjointe 136

138 IV-2. Planification Antennes omnidirectionnelles, espace libre P r d = P0 ( ) d 0 n Modèle hexagonal 137

139 IV-2. Planification Pavage hexagonal 138

140 IV-2. Planification Clusterisation 139

141 IV-2. Planification Interférence co-canal Cellules utilisant le même ensemble de fréquences (ou temps ou codes) rem :impossible de réduire ces interférences en augmentant la puissance d émission Puissance de la cellule co-canal i C I = i 0 C i= 1 I i 140

142 IV-2. Planification La norme GSM défini des rapports de protection entre canaux adjacents ACIP : Adjacent Chanel Interference Protection Interférences co-canal (fo) C/Ic 9dB Interférences 1er canal adjacent C/Ia1-9dB Interférences 2ième canal adjacent C/Ia1-41dB Interférences 3ième canal adjacent C/Ia1-49dB Impossible d utiliser 2 fréquences adjacentes sur la même cellule en GSM. Non recommandé pour des fréquences à n+2 Au-delà, négligé la plupart du temps 141

143 IV-2. Planification Cellules co-canal 142

144 IV-2. Planification Puissance moyenne reçue n est le facteur d atténuation P r d = P0 ( ) d 0 n Estimation du C/I, pire cas : C I = i 0 i= 1 R n ( D i ) n 143

145 IV-2. Planification Facteur de réutilisation (de canal) Facteur Q=D/R Géométrie hexagonale 6 cellules co-canal

146 Exemple : motif à 12 cellules IV-2. Planification 145

147 IV-2. Planification Facteur de réutilisation co-canal (cellules de même taille) n n C ( D / R) ( 3N ) = = I i 6 n est le facteur d atténuation en milieu urbain n=2 à 4 N n=3 C/I ,5 8, ,6 15, ,5 n=4 C/I 1, ,8 18,7 20,8 23, ,3 0 D Q = = 3N R Rem : marge de 3dB implique N=7 pour n=3 146

148 IV-2. Planification Augmentation de la capacité méthodes classiques : Contrôle de puissance Sectorisation Utilisation d antennes directives Reuse partitionning Superposer deux schémas cellulaires Division cellulaire 147

149 IV-2. Planification Saut de fréquence f lutter contre les évanouissements (fast fading) Voix balise trame n-1 trame n trame n+1 t (diversité en fréquence sans redondance) 148

150 IV-2. Planification Contrôle de puissance sur lien descendant Privilégierait les mobiles distants 149

151 IV-2. Planification sur lien montant réduit les interférences contrôle de puissance et time advance 150

152 IV-2. Planification Chaque mobile estime le temps de trajet entre lui et la station de base et la puissance nécessaire Émission avancée 151

153 IV-2. Planification 1. Dimensionnement (modèle théo) lois d Erlang, trafic, taux d erreur nombre de canaux. Modèle hexag cas du GSM : détailler les canaux (service + voies) 2. Planification modèle théo : hexag. : nbre de canaux, facteur de réutilisation, SNR,influence du paramètre n, approche exp : utilisation de la notion de voisines, méthodes : graphes, recherche op (heuristiques : recuit, gradient, Tabou, ) 3. Dimensionnement-planification conjointe déterminer simultanément les positions et paramètres des antennes, et la répartition des fréq. 152