Concept Cellulaire But : accéder au réseau téléphonique via un mobile Un seul relais pour une zone étendue Problème de puissance Limitation du nombre d abonnés Découper le territoire en zones appelées CELLULES
Concept Cellulaire Chaque cellule est couverte par un relais appelé station de base (BTS) L ensemble des cellules forme un seul réseau (la division du territoire en cellules n est pas perceptible par les utilisateurs) Les mêmes canaux (fréquences) sont réutilisées selon la capacité du système à gérer les interférences Avantages : permet de desservir de façon continue un large territoire permet d utiliser des puissances d émission moins importantes
Fonctions à remplir Localisation automatique des mobiles (roaming) (liée à l itinérance des usagers) Transfert automatique intercellulaire en cours de communication (handover) (lié à la mobilité des usagers) Remarque : tous les réseaux sans fils ne sont pas cellulaires non cellulaire : cellule = territoire (l usager fixe appelant doit connaître la localisation du mobile (systèmes mobiles après guerre aux USA)) semi cellulaire : roaming assuré mais pas le handover (Radiocom 2000)
Organisation des ressources radio Système DUPLEX (communication simultanée dans les deux sens) sens descendant (downlink, forward) sens montant (uplink, reverse) FDD (Frequency Division Duplexing) liaisons uplink et downlink sur des fréquences différentes exemples : tous les réseaux analogiques et le GSM bien adapté aux cellules de grande taille TDD (Time Division Duplexing) liaisons uplink et downlink à la même fréquence mais à des instants différents exemples : DECT
Multiplexage Plusieurs utilisateurs sur la même ressource FDMA (Frequency Division Multiple Access) canal simplex = fréquence exemples : tous les réseaux analogiques TDMA (Time Division Multiple Access) canal simplex = Intervalle de Temps (time slot) sur une fréquence exemples : GSM, DECT CDMA (Code Division Multiple Access) canal simplex = code (toutes les fréquences, tout le temps) exemple : IS95, UMTS
Canal Radiomobile
Liaison radio : propagation Puissance reçue Totale = Puissance utile + Interférences + Bruit P R = P E G E G R (4π) Atténuation avec la distance 2 2 λ R α A shadow α compris entre 2 et 4 suivant l environnement A fading Effet de masque A shadow Evanouissement A fading loi LOG-NORMALE loi Exponentielle
Liaison radio : propagation Évanouissements Pb (A f < x) = e x 2 / 2σ 2 f Effet de masque u / 2σ Pb (A db > x db) % s σ s x e entre 5 et 7 db 2 2 s du
Exemple dans 95% des cas on veut une puissance reçue supérieure à -02dBm Pour une distribution Normale : 90% des échantillons se trouvent dans un intervalle : [m-,3 σ ; m+,3 σ] M = - 94 dbm
Puissance reçue Atténuation avec la distance Variations lentes (effet de masque) Variations rapides (trajets multiples)
Interférences co - canal L utilisation de la même ressource dans d autres cellules cause de l interférence co-canal
Interférences canaux adjacents Lié à la puissance émise en dehors de la bande allouée à une communication importance de la modulation et du filtrage Protection sur le canal adjacent Réseaux analogiques 70dB GSM 30 db
Produits d intermodulation Dus aux non linéarités des étages de conversion de fréquence Pour deux signaux aux fréquences f et f2 apparition de termes p*f +/- q*f2 très gênant : ORDRE 3 (p=2 et q= et réciproquement) Exemple : dans une cellule on utilise les fréquences 890.6MHz et 89MHz, il est préférable de ne pas utiliser les fréquences 890.2MHz et 89.4MHz
Planification cellulaire Modèle hexagonal Motifs réguliers Topographie uniforme (pas d obstacles ni de reliefs) Antennes omnidirectionnelles Interface radio : mêmes niveaux de puissance émises Trafic uniforme : même activité dans chaque cellule Seule interférence prise en compte : interférence co-canal Utilisé pour la première étape de planification
Motif de réutilisation Un motif cellulaire est l ensemble des cellules dans lequel chaque fréquence de la bande est utilisée une fois et une seule Avec le modèle hexagonal, on peut montrer que les motifs optimaux sont de taille K telle que : K K = 2 + 2 {, 3, 4, 7, 9,2,6,9, 2,... } La plus proche distance de réutilisation d une fréquence est alors : D distance de réutilisation R rayon d une cellule i + ij j avec D = R 3K i et j entiers
Exemples de motifs 3 2 4 2 3 K=3 K=4
Exemples de motifs K=7 6 5 7 4 2 3
Exemples de motifs K 3 4 7 9 4 D6 2 D D2 D3 6 4 D5 3 2 3 2 4 D4 5 4 4 5 6 i,j 0,, 0,2,2 0,3 D 3 3 2 3 2 3 3 K 2 3 6 9 2 i,j 2,2,3 0,4 2,3,4 D 6 39 4 3 57 3 7
C/I en fonction du motif 6 5 7 4 2 3 Les interférences cocanal sont créées par tous les émetteurs utilisant la même fréquence Avec un motif régulier, ils sont répartis sur une couronne de rayon D
Calcul approché du C/I On cherche à satisfaire une contrainte du type C > ( C ) I I seuil N Interférences co-canal I j = avec N le nombre d interféreurs de la première couronne (N=6) et on néglige les interféreurs plus éloignés I j En ne considérant que le facteur d atténuation avec la distance : C = P kr T α I j = P kd T α
Calcul approché du C/I (suite) C I R = 6 D α α avec D = R 3K C I α 2 donc = ( 3 K ) 6 C I seuil K ( ) 6 C I seuil 3 2 α La taille du motif est fonction de C/I seuil requis et ne dépend pas du niveau de puissance
Calcul du C/I (effet de masque) Les puissances utiles et interférentes s expriment : C α k A α t shadow I j = Pt k Ashadow D = P R La somme de variables aléatoires suivant une loi log normale peut être approximée par une v.a. log normale Le C/I suit une loi log normale Exemple : Un réseau analogique a un seuil de fonctionnement de 8dB Pour que dans 90% des cas le C/I soit supérieur à ce seuil, il faut un motif à 27 cellules.
Fonction de répartition du C/I avec α = 3,5 σ = 5 db P(C/I < x db) 0.8 0.6 K= K=3 0.4 K=9 K=27 0.2 0-0 -5 0 5 0 5 20 25 30 x db
Limitation par le bruit Grandes cellules Trafic peu important Interférences faibles face aux divers bruits Cas des zones rurales
Sectorisation Utilisation d antennes directives : gain en fonction de l azimut Azimut 0 +/- 32 +/- 60 Gain 0 db -3 db -0 db Réduction du nb de site : un site couvre 3 cellules
Exemple de motif tri-sectoriel 5 3 5 4 6 5 3 7 9 2 8 3 6 5 4 2 8 3 7 9 5 4 6 5 3 7 9 2 8 3 5 3 Avec des antennes trisectorielles, le C/I est diminué K=9 3 sites
Exemple de motif tri-sectoriel 2 3 2 8 5 8 K=2 4 sites 9 4 6 7 9 4 2 2 0 3 2 3
Cell splitting Zone Urbaine Zone Rurale Rayon des cellules 300 m à 30 km Zone périurbaine
Exemple Réel Marseille Réseau DCS 800 Avec l aimable autorisation de Cégetel Méditerranée
Diversité de brouilleurs Les systèmes classiques Une communication est brouillée en permanence par les mêmes communications co-canal et canal adjacent Il faut considérer le pire cas pour la détermination du motif Les systèmes à diversité de brouilleurs Les interférences subies par l utilisateur proviennent de la moyenne des communications interférentes Les techniques utilisées sont : Le saut de fréquence L étalement de spectre Contrôle de puissance Transmission discontinue
Le saut de fréquences C2 C C0 Temps Moyenner les interférences et le bruit sur l ensemble des canaux
Le contrôle de puissance Ajuster la puissance émise pour un seuil de réception donné Plus on est proche de la BS, plus la puissance émise est faible Augmente l autonomie des batteries Diminue les interférences
Émission discontinue Communication téléphonique : La parole occupe 40% du temps Arrêt de l émission pendant 60% du temps Augmente l autonomie des batteries Diminue les interférences
Ingénierie Radio Les paramètres du système Sensibilité détermine : taille maximale des cellules ( 30 km max) la puissance minimale à émettre Seuil de C/I requis (co-canal et adjacent) détermine la réutilisation de fréquences Qualité acceptable Qualité de parole GSM Analogique 0 0 20 30 40 C/I db
Couverture Radio On utilise le paramètre de sensibilité et des modèles de propagation appropriés On détermine le bilan de liaison pour chaque cellule en prenant en considération la valeur moyenne du champ reçu théorique une marge pour prendre en compte les effets de masque La détermination de la couverture radio nécessite des calculs importants et des bases de données géographiques modèles de terrain fichiers d occupation au sol
Allocation de fréquences On utilise le paramètre de résistance aux interférences (seuil C/I) L allocation peut se faire : de manière théorique détermination de la taille du motif répartition des fréquences en utilisant le motif vérification avec les prédictions de champ obtenues par calculs de couverture radio de manière automatique algorithmes d allocation optimale technique de colorisation de graphes Ne pas oublier : les interférences de canal adjacent les produits d intermodulation
Architecture Réseau Cellulaire Un sous système Radio (BSS Base Station System) Transmission et réception radio Gestion de la ressource Radio Un sous système d acheminement (NSS Network Sub System) Gestion des appels Gestion de la mobilité et de l itinérance Gestion des abonnés Un sous système de supervision et de Gestion (OSS Operator Sub System)
Gestion de l itinérance Deux méthodes pour appeler un abonné mobile : Émettre des appels dans toutes les cellules du système (PAGING) Connaître à tout moment la localisation du mobile grâce à une procédure d INSCRIPTION C est possible grâce à une voie balise Une combinaison des deux : Le ZLA : Zone de Localisation de l Abonné
ZLA Ensemble de cellules dans lequel l abonné peut se déplacer sans le signaler au réseau ZLA n 2 Trajectoire ZLA n Handover Appel Inscription Inscription
Déroulement d une Inscription Nécessité d un canal avec identification de la ZLA (voie balise BCCH Broadcast Control CHannel) Phases écoute d une voie balise lecture de la ZLA comparaison avec la zone précédemment mémorisée si la zone est différente envoi d un message d inscription retour à l écoute de la voie balise
Déroulement d un Handover Différents types de Handover : Entièrement géré par l infrastructure (radiocom2000) Centres de mesures dans l infrastructure (BSS) Décidé par l infrastructure avec l aide du mobile (GSM) Mesures faites par le mobile et transmises à la BSS Entièrement géré par le mobile (DECT) Établissement de deux communications simultanée par le mobile si nécessaire
Phases d un Handover (GSM) : préparation Mesure du niveau de réception sur la cellule en service Mesure du niveau de réception sur les cellules voisines 2 : exécution Réservation par le réseau d un canal physique dans la nouvelle cellule Établissement d un chemin de connexion parallèle dans le réseau fixe vers la nouvelle cellule Envoi de l ordre de Handover au mobile indication du nouveau canal physique et de la nouvelle cellule Suppression du premier chemin de connexion et libération de la ressource radio
Radiocom 2000 Bandes de fréquences : 450 MHZ et 900 MHz Espacement entre porteuse : 2,5 khz Accès multiple : FDMA Duplexage : FDD (fréquences séparées de 0 MHz) Modulation de phase Seuil C/I : 8 db en milieu urbain Motif de réutilisation : 2 Signalisation : numérique (,2 kbits/s) Transmission de la voix : analogique
DECT Bandes de fréquences : 880 MHZ et 900 MHz Espacement entre porteuse : 728 khz Accès multiple : FDMA/TDMA 2 canaux par porteuse Duplexage : TDD Modulation : GFSK (52 kbits/s) Seuil C/I : 0 db Motif de réutilisation : aucun : allocation dynamique Signalisation : numérique Transmission de la voix : numérique (vocoder ADPCM à 32 kbits/s)
GSM Bandes de fréquences : 900 MHZ (890-95 et 935-960) et 800 MHz (70-785 et 805-880) Espacement entre porteuse : 200 khz Accès multiple : FDMA/TDMA 8 canaux par porteuse Duplexage : FDD (porteuses séparées de 45 MHz) Modulation : GMSK (270,833 kbits/s) Seuil C/I : 9 db en milieu urbain Motif de réutilisation : 2 au minimum (5 à 8 en pratique) Signalisation : numérique Transmission de la voix : numérique (vocoder à 3 kbits/s)
GSM accès multiple Une trame TDMA découpée en 8 slots slot = 56 bits = 577 µs soit 270 kbits/s 26 bits de séquence d apprentissage (séquence Pseudo aléatoire) Synchronisation de la trame Évaluation du canal de transmission pour filtrage adapté C2 C C0 Temps
GSM modulation GMSK : Gaussian Minimum Shift Keying constellation : DQPSK (4 états de phase) La phase varie linéairement entre les instants d échantillonnage Phase Tb Temps
GSM modulation Ces transitions sont filtrées par un filtre Gaussien pour limiter le spectre Variations linéaires de phase Sauts de fréquence GMSK = modulation de fréquence
GSM modulation Sauts de fréquence possibles : f = 0 ; ± ; ± 2Tb Tb Indice de modulation : 0.5 C est le plus petit indice possible pour une FSK d où le nom de MSK