ingenierie radio

8/12/2019 Ingenierie Radio

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Chapitre 6

Ingnierie et concept cellulaire

Lingnierie radiolectrique dun rseau est sans doute lune des tches les plus

importantes et les plus sensibles rencontres lors du dploiement dun systme cellu-

laire. Elle conditionne de faon importante la qualit de service offert aux utilisa-

teurs. Loprateur doit dabord assurer une couverture en fonction de ses objectifs.

Quels types de terminaux veut-il privilgier, portatifs ou tlphones de voiture de

forte puissance ? Veut-il couvrir lintrieur des btiments ou seulement les rues ? En

fonction des rponses, il fait un bilan de liaison pour en dterminer les paramtres

fondamentaux (puissances, taille des cellules, types dantennes, seuils ding-

nierie..

.).

Pour optimiser lutilisation des ressources radio alloues au service mobile et

permettre une densit maximale dusagers par unit de surface, il doit rutiliser les

mmes frquences sur des sites distants. Le concept cellulaire permet, thorique-

ment, datteindre des capacits illimites en densifiant le rseau des stations de base.

Pour un dploiement fix, la rutilisation de frquences est limite par le rapport C/Z

(Carrier/Znterference

ou rapport

porteuse/interfrences).

Il faut donc trouver un

compromis entre ce rapport (pour garder une qualit de service minimum pour tous

les usagers) et la capacit du systme (pour que le systme implant soit conomi-

quement viable pour loprateur).

Diffrentes mthodes sont disponibles dans GSM pour optimiser lusage de la

ressource radio

:

le saut de frquence, le contrle de puissance et la transmission

discontinue permettent de mieux rutiliser les ressources radio.

6.1. Schma gnral dune liaison radiomobile

6.1.1. Prsentation

On considre une liaison radio qui permet un terminal mobile de recevoir un

signal mis par la station de base. Cette liaison comprend les principaux lments

reprsents dans la figure 6.1.


3/39

130 Rseaux

GSM

Un des metteurs de la station de base gnre une onde lectromagntique

- Un > permet de superposer les ondes produites par les diffrents

Un cble transmet les ondes produites et se comporte comme un guide dondes.

Un


4/39

Ingnierie et concep t cellulaire

13

Chaque lment de ce schma de liaison introduit des pertes

:

seule une fraction

de la puissance arrive lquipement suivant.

De faon classique, les puissances et les pertes sont exprimes en dB. Dans cette

partie (de 6.1 6.3), nous utiliserons de prfrence les lettres minuscules pour rf-

rencer les valeurs exprimes en chelles linaires et les lettres majuscules pour les

grandeurs en dB

;

ainsi A=lOLog(a)

o

Log est le logarithme en base 10. Les nota-

tions classiques C A et E J N o sont cependant conserves : elles sont mixtes. Le rapport

c/I exprim en dB correspondrait bien sr lOLog(cli) et non lOLog(c)llOLog(i) si

c

et sont les valeurs en linaire (non utiliss dans ce qui suit).

Lensemble des pertes est alors la somme de la perte introduite par chaque qui-

pement. Pour les antennes, il sagit plutt dun gain que nous dfinirons au para-

graphe 6.2.1.1. Lquation gnrale liant la puissance reue

P ,

par la station mobile

en fonction de la puissance mise P , par la station de base est :

P , = P ,

L,b

L,

Ld

+

Gb L +

G,

L,,

(6.1)

o L,b, L, et Ld sont les pertes respectives introduites par le cble de la station de

base, le coupleur mission et le duplexeur

; Gb

et

G,

dsignent le gain des antennes

station de base et mobile,

L

lattnuation dans lespace et

L,,

est la perte due au cble

dans le mobile.

6.1.2. Sensibilit dun rcepteur

Un metteur est caractris par sa puissance, un rcepteur par sa sensibilit. Pour

assurer une rception correcte, le rapport signalhuit

C/N

du signal, mesur

un

certain point de ltage de rception (aprs dmodulation), doit tre suprieur un

seuil donn. Ce rapport sexprime frquemment comme un rapport dnergie EJNo

o

le paramtre

E ,

est lnergie dun bit transmis, appel quelquefois

>

S est le niveau de puissance minimale C pour lequel le rapport

E J N o est suprieur au seuil de fonctionnement. Dans une chelle logarithmique on a

donc

:


5/39

132

Rseaux

GSM

Dans le cas du systme

GSM,

le seuil Ec/No est de

8

dB en prsence

dvanouissement slectif

( fading).

La largeur de la modulation est de 271

kHz,

ce

qui donne un bruit thermique de 1,l 10-l2 mW soit -120 dBm 290

K.

Outre le bruit thermique, le premier tage damplification de puissance dans le

dispositif de rception augmente le bruit dun facteur typique de

8

10 dB. En

considrant une valeur de 10 dB, on obtient un bruit de fond de -110 dBm et une

sensibilit minimale de -102 dBm pour un portatif. Des contraintes diffrentes sur

les facteurs de bruit des stations de bases expliquent les diffrentes sensibilits

minimales exiges par les recommandations (cf. chapitre

3).

Les constructeurs

peuvent videmment concevoir des matriels ayant une meilleure sensibilit mais

loprateur doit toujours prvoir son rseau pour des mobiles respectant la norme au

plus juste.

6 1 3

Attnuations apportes par les cbles et les coupleurs

Un cble introduit une attnuation proportionnelle

sa longueur et fonction de

ses caractristiques physiques (son diamtre). Dans les stations de base, les valeurs

typiques se situent entre 2 et 3 dB par centaine de mtres.

Diffrents types de couplage dmission existent. Les couplages hybrides

apportent une perte de 3 dB chaque couplage de deux voies (pour

8

voies, on a donc

9 dB de perte). Les couplages par cavit limitent les pertes mais sont plus encom-

brants et imposent des contraintes supplmentaires

:

cart minimal entre les

frquences utilises, accord fin sur les frquences. Aujourdhui, il est possible de

raliser cet accord distance par


6/39

Ingnierie et concept cellulaire 133

Ces deux dernires classes de paramtres dfinissent la faon dont lantenne

rayonne dans les diffrentes directions ; elles sont particulirement importantes.

6 2 1

Anten ne en m ission

6.2.1.1. Gain et diagramme de rayonnement

Une antenne produit un champ lectromagntique dinduction et de rayonnement.

Aux distances habituellement considres, seul le champ rayonnant subsiste. Il est

compos dun champ lectrique 2 et un champ magntique h orthogonal

z

La

densit de puis_sance transporte par unit de surface sexprime par le vecteur de

Poynting

2

A

h

.

On caractrise une antenne en comparant son rayonnement par rapport une

antenne de rfrence. La rfrence classique est une antenne isotrope idale qui

rayonne de la mme faon dans toutes les directions, bien quune telle antenne soit

irralisable dans la pratique. Une antenne particulire est dfinie par deux principales

caractristiques :

e rapport entre la puissance maximale rayonne (qui correspond

une direction

privilgie) et la puissance rayonne par lantenne isotrope de rfrence alimente

par la mme nergie, appel

>

de lantenne,

- lvolution du rapport entre la puissance rayonne dans une direction et la

puissance maximale, appele

>

ou c diagramme de

directivit

.

Le gain de lantenne est exprim en dB mais, pour signifier que lantenne de

rfrence utilise est isotrope, il est dusage de parler de dBi (pour dB isotrope). Plus

lantenne est directive, plus le rayonnement est concentr dans une direction et, par

consquent, plus le gain est fort.

Un diagramme de rayonnement correspond

une surface dans lespace. Pour

simplifier les reprsentations, on indique la coupe du diagramme suivant un plan

vertical et suivant un plan horizontal conformment aux coordonnes polaires

classiques et 4. Les angles 8 et 4 sont couramment appels azimut et lvation (cf.

figure 6.2). Un exemple de diagramme de rayonnement est donn

la figure

6.3.

/

azimut

Figure 6.2.

Azimut et lvation


7/39

134

Rseaux GSM

Le diagramme de rayonnement permet de dterminer louverture

3

dB, cest--

dire langle

lintrieur duquel la puissance est attnue dau plus 3 dB par rapport

la direction principale dans le plan considr. De faon trs synthtique, il est

possible de caractriser une antenne par louverture

3

dB, louverture

10

dB et le

rapport avant-arrire, cest--dire le rapport en dB entre la puissance rayonne dans

la direction oppose la direction principale et la puissance rayonne dans la

direction principale.

dB dB

Diagramm e horizontal Diagramm e vertical

( variable,@

=n/2+tilt)

(=O, variable)

Les cercles sont gradus en dB.

Lantenne reprsente possde u ne ouverture horizontale de

65

3

dB, de

120

rapport avant-arrire suprieur

25

dB.

Lantenne prsente un

tilt

lectrique de

6

(voir

6.2.1.4).

10

dB et un

Source :

daprs catalogue Kathrein, antenne n o 732691

Figure 6 3 Diagramme de rayonnement

6.2.1.2. Puissance Isotrope Rayonne Equivalente

La puissance rayonne par une antenne est appele > (PIRE) ou Eflective Isotropic Ra diated Po we r (EIRP). Elle

correspond

la puissance quil faudrait fournir une antenne isotrope pour obtenir

le mme champ la mme distance [RGS

921.

Pour dterminer la puissance rayonne PE(, ) dans une direction dfinie par

O ,@ ) ,on dcompose le calcul en deux tapes en utilisant les paramtres prcdents.

On considre une antenne isotrope fictive dont le gain

G

est celui de lantenne

tudie.

On applique une perte supplmentaire Lr ,@) ans la direction considre en

utilisant le diagramme de rayonnement donn par le constructeur.


8/39


La PIRE est donc donne en dB par :

o P est la puissance fournie lentre de lantenne.

PE(8 , 1

= p

+

G

Lr(8 , 0)

Pour tudier la porte dune station de base, on considre la direction principale

de lantenne o le rayonnement est maxim al (Le.

L,(8,

0)

= O

dB). En labsence de

prcision explicite (ce qui est le plus souvent le cas ), la PIRE es t donc

:

P E = P + G . (6.3)

Soit, par exemple, une an tenne de gain 16 dBi et de diagramm e de rayonnement

conforme la figure 6.3, et un metteur de 2 W suppos branch sans perte sur

lantenne. Il fournit ainsi une puissance de 33 dB m. La PIRE est donc de 33 + 16 =

49 dBm . Dans une direction de 32,5 par rapport

lazimut, la puissance rayonne

est de 46 dBm suivant le diagramme reprsent.

6.2.1.3. Ca s du diple lmentaire

Lantenne la plus simple raliser consiste en un conducteur de longueur dl ,

plac verticalement, appel

(PAR) ou

EfSective Radiated Pow er

(ERP). Le

gain est exprim en dBd (d pour diple). Le gain en dB d est li au gain en dBi par :

GaindBd= GaindBi 2,15 dB.

La PAR se dduit donc simplement de la PIRE

:

PAR

=

PIRE 215 dB.

Il est plus facile de raisonner en PIRE quen PAR. Dans tout le chapitre, tous les

gains sont exprims en dBi et tous les raisonnem ents se font en utilisant la PIRE .

6.2.1.4. Antennes des terminaux GSM /DCS

Les antennes des mobiles et des portatifs sont gnralement des diples de

longueur h/4 appels


9/39

136 Rseaux GSM

horizontal, les antennes sont omnidirectionnelles. Le gain thorique est alors de

3 dBd soit 515 dBi. En pratique le support nest pas un rflecteur parfait et le gain

considr est

O

dBi la fois pour les portatifs et pour les antennes sur vhicules

[RGS

921.

Pour les antennes montes sur un vhicule, il est possible de disposer dantennes

colinaires constitues de deux brins h/2 qui prsentent un gain typique de 5 dBi. Ces

antennes sont dites


10/39


Les antennes sont en gnral adaptes

une bande de frquence particulire.

Il

existe cependant des antennes dintrieur multi-bandes qui peuvent tre utilises la

fois pour GSM

900

et pour DCS 1800.

6.2.2.

Anten ne en rception

Une antenne de rception recueille lnergie dune onde lectromagntique plane

incidente pour alimenter une ligne aboutissant au rcepteur. La puissance recueillie

est proportionnelle la densit surfacique de puissance

au

point de lantenne avec un

coefficient appel >

(et parfois

>).

Par

dfinition, on a donc :

p y

=

s

a(e40

(6.4)

avec 3: = 2 A h le vecteur de Poynting des champs lectriques et magntiques et

@,$)

les angles dincidence de londe.

Une antenne est donc caractrise par son gain en mission et son aire

quivalente en rception. La mme antenne peut tre utilise soit

lmission soit

la rception. Gain g et aire quivalente a sont lis, daprs le principe de rciprocit

de llectromagntisme, par la relation suivante que nous admettons

[EYR731 :

(6.5)

(, ) /

a(,$)

=

4n;

1 h2

o

h

est la longueur de londe rayonne.

Lantenne isotrope de rfrence a un gain g=1 et donc une aire quivalente

a=h214n;.

6.2.3. Propagation en espace libre

Etudions dabord lantenne isotrope branche sur un metteur dune puissance

p

crant une onde sphrique dans le vide complet. Lensemble de lnergie mise serait

rcupr par une sphre centre autour de lmetteur. La densit surfacique

s

de

puissance une distance

d

est donne par

:

s

= pl(4n;d2). (6.6)

La puissance p y capte par lantenne isotrope de rfrence se dduit de (6 .4 ) et

(6.5)

:

2

P

- s - = P ( & )

2

4n;

-

Cette quation permet de calculer la puissance reue en fonction de la puissance

mise et de la distance entre les antennes isotropes.

Si on considre deux antennes de gain respectif g et

g r

diriges de faon

prsenter le gain maximal, la puissance reue par lantenne de rception peut tre

calcule par le mme raisonnement c tant la vitesse de la lumire)

:


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138 Rseaux GSM

Dans cette quation de propagation dans le vide, le dnominateur est indpendant

des antennes et correspond un affaiblissement fonction de la distance seule pourf

fix. Dans le cas dune propagation dans un milieu comportant des obstacles et des

rflecteurs, on essaye de se ramener

une formule similaire avec un facteur

dattnuation 1, obtenue

partir de formules empiriques :

Pr

=

Pg,g l*

(6.9)

Le facteur

1

dpend de paramtres plus ou moins nombreux suivant la

sophistication du modle de propagation utilis. On fait de plus lhypothse que le

rayonnement des antennes nest pas perturb par lenvironnement.

Lquation (6.9) peut sexprimer en dB et devient :

P r = P + G e + G r

- L .

Pour la propagation dans le vide, on peut calculer

partir de (6.8) :

avec d exprim en km etfen MHz.

L =

324 + 20Logo + 2OLog(d)

(6.

Pour que cette quation de propagation dans le vide soit applicable, il est

ncessaire non seulement quil ny ait aucun obstacle sur le segment de droite reliant

lmetteur situ au point A au rcepteur situ au point B, mais il faut un

environnement dgag. Plus prcisment, il faut que lellipsode dont les points

focaux sont A et B et dont le


12/39

Ingnierie

et

concept cellulaire 139

Le signal est donc affect par de nombreuses distorsions possibles :

de frquence (effet Doppler : mouvement des metteurs-rcepteurs et des

damplitude (vanouissement de Rayleigh ou fading d aux trajets multiples),

de phase (dispersion des temps de propagation sur les trajets multiples).

diffrents rflecteurs),

Ces phnomnes sont dterministes si les diffrents trajets sont bien identifis.

Cependant, ils fluctuent dans le temps et dpendent dune multitude de paramtres

qui ne sont pas matrisables

:

lenvironnement urbain volue (construction ou

destructions dimmeubles), les vhicules et les personnes en dplacement ont

galement une influence, de mme que les saisons et les feuilles mortes qui se

ramassent la pelle..

.

Il nest donc pas possible, connaissant la place et la puissance

de lmetteur, de prdire avec prcision le niveau de champ reu en un point donn.

Les quations de propagation utilisent donc des lois de probabilit pour intgrer une

incertitude sur les prdictions.

6.3.1. Modle gnral trois tages

Dans les cas les plus courants, le rcepteur et lmetteur ne sont pas en visibilit

directe. On approxime frquemment lattnuation du canal par un modle 3 tages

:

une attnuation mdiane due

la distance, un terme alatoire prenant en compte les

effets de masque (prsence dobstacles) et un autre terme alatoire dcrivant les

vanouissements.

Lattnuation

1,

exprime comme un rapport de puissance, scrit alors :

1

= [-)asaf

l(fd) (6.12)

Affaiblissement de parcours

Lattnuation mdiane pl est appele affaiblissement de parcours ou

Path

Loss.

Elle est fonction de la frquence et de la distance. Pour une gamme de frquence

donne, le facteur pl est proportionnel

dyavec y=3,5.

Effet de masque

Leffet de masque

as

est modlis une loi log-normale (en dB, la loi est donc

normale). Il reprsente une variation sur les conditions de propagation, tantt

favorable (par exemple visibilit directe), tantt dfavorable (par exemple lors de la

prsence dun obstacle important entre lmetteur et le rcepteur). En environnement

urbain, lcart type de la loi a une valeur typique de 6 dB. En rsum, la fonction de

rpartition de as exprim en dB est donne par :

220du avec (r = 6 dB et A,

=

10Log a,)

(A,

>

xdB)

=

___ e-

(6.13)

M

O L i y


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140 Rseaux

GSM

Evanouissement

Lvanouissement est d la rception simultane de signaux damplitudes

alatoires et de phase alatoire correspondant aux diffrents trajets dun mme

signal. Lenveloppe v du signal reu (i.e. lamplitude du champ) est modlise par

une loi de Rayleigh

:

P ( v >

de btiment dpend de

la nature des murs (brique, btons arms, etc.) et de leur paisseur. Des mesures ont

t faites

a

900 MHz et 1 800 MHz dans des conditions diffrentes par des quipes

diffrentes. Les rsultats sont divers et varis (voir [AGU941,

[GAH

941,

[TAN

931 et

[COST 2311). Il ny a pas dtude publique disponible permettant une relle

comparaison.

Il est cependant possible de souligner les phnomnes gnraux suivants

:

-

a pntration dune onde nest pas possible lorsque lpaisseur de lobstacle est

-

une onde pntre via une ouverture dont la taille est au moins de lordre de la

es phnomnes dvanouissement sont beaucoup plus svres lintrieur des

bien suprieure

la longueur donde,

longueur donde,

btiments.

Plus la frquence est haute, moins la pntration (par rfraction) est importante et

par consquent plus les rflexions sont grandes. Leffet guide donde est donc plus

important

1800

MHz qu 900 MHz et peut avoir tendance

favoriser la

propagation

lintrieur dun btiment. Cependant, si lmetteur est

lextrieur du

btiment, la bande des 900 MHz est favorise grce une pntration plus facile.

Des tudes 900 MHz font apparatre une perte supplmentaire de

12

dB moins

de 1 mtre dune fentre et une perte moyenne de

18

dB

lintrieur des btiments

avec des variations allant de

8

dB 37 dB. Des tudes

1800

MHz font apparatre

des pertes de 12 17 dB avec une valeur typique de 15 dB pour des btiments en

bton.

En conclusion, il est difficile de dire avec certitude quune gamme de frquence

est plus adapte que lautre

la couverture de lintrieur des btiments avec des

stations de base extrieures.

6.3.5.

Analyse des lois de propag ation

Les diffrentes lois de propagation font apparatre un affaiblissement de parcours

en lldy

o y

varie de

2

(espace libre) prs de

4

dans un environnement urbain dense

[MAL

901. Elles induisent donc des trs grandes dynamiques. Par exemple, un mobile

GSM

900 subira une attnuation denviron 96 dB

1

km de la station de base et de

137 dB

20

km

La diffrence denviron

40

dB signifie que,

puissance dmission

gale, un mobile 1 km de la station de base reoit une nergie 10

O00

fois

suprieure

celle reue

20

km.

Un affaiblissement typique supportable dans G S M D C S est de 143 dB. Un tel

affaiblissement correspond, daprs le tableau

6.4,

une porte de 30 km en zone

male semi-dgage pour GSM 900 et

20

k mpour

DCS 1800.

Ladaptation de


17/39

144 Rseaux GSM

GSM 1 800 MH z provoque une rduction de porte, dfavorable aux couvertures

des zones rurales. Cest pourquoi DCS 1800 est plus cibl pour les systm es urbains.

Les hautes frquences sont dfavorises de la mme faon en milieu urbain

micro-cellulaire. Daprs lquation 6.16, un mobile GSM 900,

une distance de 500

mtres de lantenne dmission, subit une attnuation de

94

dB. En DCS 1800, la

mme attnuation se produit une distance de 300 mtres. Ceci nest cependant pas

rellement pnalisant lorsque lenjeu est la capacit (la charge couler) et non la

couverture et quon utilise des petites cellules. De plus, pour un mme gain, les

antennes sont plus petites 1 8 0 0 MH z. Il est donc possible de compenser le

supplment dattnuation 1 800 MHz par lutilisation dantenne fort gain.

Cependant, plus le gain est fort, moins louverture verticale est importante. Il

y

a

donc une limite laugmentation du gain si lon veut conserver une bonne couverture

de la cellule. La limite de gain est du mme ordre pour

900

et 1

800

MHz.

6 4

Prvision de couve rture et quil ibrage d e l iaison

Loprateur doit dabord cho isir les sites sur lesquels placer les stations de base.

Le choix se fait en fonction des prvisions de propagation m ais aussi en fonc tion de

contraintes administratives ou autres (disponibilit de toits et cot de location des

emplacements ).

6.4..

Rappel sur les relations entre cham p lectrique et puis sanc e

Les outils de prdiction de couverture perm ettent, partir dune localisation de la

station de base, de la PIRE et du diagramme de rayonnement, de calculer le champ

lectrique en un point. Ils utilisent pour cela des modles de propagation

sophistiqus. En toute rigueur, il nest pas possible de calculer la puissance reue par

un mobile car celle-ci dpend de lantenne utilise. Les niveaux de champs sont

frquemment exprims en dBpV/m. Il est utile de rappeler les relations entre

champs, niveau de tension et puissances et de donner quelques formules simples de

transformation pour 1antenne isotrope.

Rappelons dabord que le dB permet dexprimer laccroissement

(ou

la

rduction) de niveau par rapport un niveau de rfrence implicite suivant une

chelle logarithmique. En rfrence une unit u de puissance, une valeur de X dBu

quivaut

ldui

Pour une unit v de tension, une valeur de X dBv quivaut

l d V O v. De cette faon un accroissement de tension de

N

dB provoque

un

accroissement de puissance de

N

dB.

Les niveaux de rfrences classiques en contexte radiomobile sont 1 mW ou 1

W

pour les puissances, 1 pV pour les tensions et 1 pV / m pour les cham ps. On a donc,

pour une puissance

p

exprime en W, des niveaux respectifs P exprim en dBm et P

exprim en dB W

:

A

,


18/39


145

P =

10 Log (p /l)

P

= 10 Log (pl0,OOl)

=

P + 30.

(6.21)

(6.22)

Un niveau

V

exprim en dBpV est li

une tension

v

exprime en Volts:

v = 20 Log (v/10-6)= 20 Log(v) + 120.

(6.23)

On sait quune tension (efficace) v applique aux bornes dune impdance z

p = v * / z ( 6 . 2 4 )

produit une puissance p telle que

:

Il est donc possible de relier les niveaux de puissance aux niveaux de tension si

limpdance utilise est connue. Suivant le contexte, cette impdance varie

:

elle est

de 600

SZ

en tlphonie mais gnralement de 50

SZ

en radio. On peut dduire de

(6.24) et (6.23) la relation (po ur une rfrence de 50

SZ :

(6.25)

=

P + 107

o

Vest en dBpV et P en dBm

Le cham p lectrique est li au cham p magntique dans le vide ou lair, par la

e / h =

120n;

(6.26)

relation suivante dduite des quations de Maxwell [VAS801

:

La valeur 12On; reprsente limpdance don de du v ide (la valeur

71;

na pas ici de

signification gomtrique). Les deux vecteurs sont orthogonaux loin de lantenne

dmission.

Soit une antenne de gain g r captant une onde lectromagntique, la puissance

p

reue est donne par lga lit suivante dduite de (6.26) (6.4) et (6.5) :

?L2

2

h2

(6.27)

4n; 480n2

p

= ( e h ) g ,

e g r ~

En notant respectivement par P et E les puissances et champs exprims en dBm

et dBpV / m et en exprimant la relation avec la frq uen cefen MH z, on peut tablir :

(6.28)

Pour une antenne isotrope, on a donc

:

E = P + 20Log(f) + 772 ofest en MHz, E en dBpV/m et P en dBm

(6.29)


19/39

146

Rseaux GSM

Frqu ence Puissance Tension

Pl

(

v>

Lensemble des rsultats peut se rsumer dans le tableau de la figure 6.5.

Champ

0

MHz

900

1800

dBW

dBm

d B p V d B p V

1

m

-1

30

-1 O0

2,24

7 36

-1

30

-1 O0

2,24 7 42

Il arrive frquemme nt quon crive des puissances en dB et non d BW en sou s-entendant que

le niveau de rfrence est de 1W.

Calculs faits pour une imp dance de

50

R

t une anten ne isotrope.

Figure

6.5.

Conversion champ lectrique/puissance

6 4 2

Dtermination du seuil de couverture

Loprateur doit vrifier

partir des modles de propagation que les zones sur

lesquelles il veut offrir le service sont couvertes avec une qualit suffisante. Il faut

sassurer que sur la zone de service, la puissance reue est au minimum suprieure

la sensibilit du rcepteur. Le seuil choisi par loprateur doit intgrer plusieurs

marges : en zone urbaine, une marge due la rutilisation des frquences (cf. 6.5.2.4)

et de faon gnrale, une marge due

leffet de masque.

Les modles de propagation permettent de prvoir laffaiblissement mdian mais

nintgrent pas leffet de masque. On ralise en gnral une couverture avec

un

certain niveau de qualit en intgrant une certaine marge. Par exemple, on veut que

sur 90 de la zone de service, le champ reu soit suprieur un seuil donn

(-102 dBm pour le systme

GSM).

En supposant une attnuation conforme au

modle 3 tages prsent plus haut et en ngligeant les vanouissements, il est

possible de convertir la fonction de rpartition du signal reu sur un disque de rayon

R en une fonction de rpartition sur un cercle de rayon R . Pour un effet de masque

dcart type 7 dB et un affaiblissement en l/@, si 75 des chantillons sont

au-del dun seuil sur le primtre, alors 90 des chantillons sur toute la surface

lintrieur de ce primtre se trouvent au-dessus du seuil

[JAKES

41.

Or, pour une distribution normale, 75 des chantillons sont suprieurs la

valeur rn-0,70 o rn est la moyenne et

O

lcart-type de la distribution. Pour assurer

le niveau requis, on intgre une marge de 0,70 soit 5 dB sur le champ moyen

la

priphrie.

Le cumul de toutes les marges permet de dterminer le seuil de couverture. Avec

la configuration de la figure 6.6, le seuil ncessaire est de -94 dBm pour une

sensibilit de -102 dBm. Loprateur considrera que la couverture est assure


20/39

Ingnierie et concep t cellulaire 147

partout

o

les modles de propagation donneront une puissance mdiane suprieure

-94 dBm ou de faon quivalente un champ de 42 dBpV/m. Sil veut assurer une

couverture

a

lintrieur des btiments, il doit considrer un seuil de -79 dBm

lextrieur, soit un champ mdian de

57

dBpV/m.

Pour couvrir certaines zones particulires (sous-sols de btiments, tunnel,

autoroute), loprateur peut utiliser des techniques spcifiques : installation de

rpteurs, utilisation de cbles rayonnants pour les tunnels, utilisation dantennes

directives pour les couvertures dautoroute.

6.4.3. Equilibrage de la liaison

A

partir du seuil intgrant les diffrentes marges, loprateur peut dterminer la

couverture obtenue en fonction de la puissance des metteurs. La couverture se

calcule

partir des modles de propagation et intgre le gain des antennes et les

pertes dues aux cbles et aux couplages. La puissance des metteurs peut ainsi tre

ajuste pour assurer une bonne couverture.

Lusager du rseau a une indication du champ reu sur son portatif (li au

RXLEV dcrit en 7.9.3) et qui lui permet davoir lassurance que la liaison

descendante est de bonne qualit. Sans quilibrage pralable, il nest pas vident que

la liaison montante soit de qualit quivalente. Si une station de base transmet

trs

forte puissance, un portatif (metteur de faible puissance) peut recevoir un signal trs

important et ne pas tre reu par la station de base lorsquil transmet. Lquilibrage

de la liaison consiste choisir des gains dantenne et ventuellement placer des

attnuateurs pour que la puissance du signal reu sur la voie montante soit voisine de

celle reue sur la voie descendante lorsque le terminal est en limite de porte. La

qualit perue par les deux intervenants dune communication est alors voisine.

Pour disposer de terminaux qui soient conomiques et de dimensions rduites, on

admet de faibles puissances et une sensibilit moyenne. Dans un rseau macro-

cellulaire, les cellules sont de grande taille et en nombre moyen, on optimise donc

lmission et la rception des BTS en choisissant des antennes de fort gain et en

utilisant la diversit spatiale (cf. 6.4.4). En contexte urbain trs dense, loprateur

dploie un grand nombre de BTS couvrant des micro-cellules, les caractristiques

des mobiles et des BTS sont alors voisines.

6.4.4. Bilan de liaison

Lensemble des paramtres introduits dans lquation 6.1 est habituellement

repris sous forme dun tableau synthtique permettant de vrifier lquilibrage de la

liaison et dindiquer les seuils de couverture et de puissance fixer.

Des exemples de bilan de liaison sont donns aux figures 6.6 et 6.7 pour des

liaisons quilibres. Les diffrents seuils et marges pris en compte sont proposs par

la norme. Les oprateurs adaptent ce schma de base en le raffinant suivant les


21/39

148 Rseaux GSM

Puissance dmission (classes 2 et 7)

Perte de couplage + isolateurs

Perte totale cbles et connecteurs

Gain dantenne

environnements en fonction de leur exprience

:

une grande part du savoir-faire des

oprateurs repose sur cette connaissance des paramtres prendre en compte pour

que la couverture relle so it proche des prvisions thoriques.

33 dBm

O dB

O dB

O dBi

Les deux bilans de liaison supposent que les mobiles mettent la puissance

nominale mais la norme admet une tolrance de k 2

dB

sur les valeurs annonces

:

cette tolrance peut dsquilibrer la liaison et rduire de

2

dB laffaiblissement

maximal supportable ; la porte est rduite denviron 230 mtres en extrieur et de

100

mtres en intrieur. On voit sur cet exemple lattention extrme porter dans le

choix des paramtres.

Affaiblissement maximal

Perte due au corps humain

Affaiblissement de parcours

Porte en extrieure

Porte intrieure (marge de 15 dB)

l Sens de la liaison

137 dB 137 dB

3 dB 3 dB

134 dB 134 dB

2 k m

07 km

~~

Partie rception

Sensibilit

Marge de protection (cf. 6.5.2.4)

Perte totale cble et connecteur

Gain dantenne

Marge de masque (90 de la surface)

Puissance mdiane ncessaire

Mon tan te

BTS

104 dBm

3 dB

4 dB

12 dBi

5 dB

104 dBm

Descend an te

M S

102 dBm

3 dB

O dB

O dBi

5 dB

94 dBm

Partie mission

I

MS

I

BTS

38 dBm

3 dB

4 dB

12 dBi

P IRE 3 3 d B m 4 3 d B m

Bilan de liaison

C

D

E

F

G

H=C+D+E-F+G

1

K

L

M

N=I-K-L+M

O=N-H

P

O-P

On considre un cble de perte 2 dB/100m dune longueur de 120 mtres dans la station de

base, un m obile de puissance 2W.

La porte est calcule sur la valeur O-P en con sidrant la loi dOkum ura H ata pour une zone

urbaine (figure 6.4).

Daprs [GSM 03.30 Annexe A.11.

Figure 6 6 Exemple de

bilan

de

liaison

pour

G SM 900


22/39

Ingnierie et conce pt cellulaire 149

Sens d e la liaison

partie rception

Marge de protection (cf. 6.5.2.4)

Perte totale cble et connecteur

Gain dantenne

Gain de diversit

Marge de m asque

(90

% de la surface)

Puissance mdiane ncessaire

on tante Desce ndan e

BTS

M S

~ _ _ _ _ _ _ _ _

- 1 0 4 d B m - 1 0 2d B m C

3 dB 3 d B D

2

dB OdB E

18 dBi OdBi F

5

d B O d B F

6 dB 6 d B G

116 dBm 91 dBm H=C+D+E-F-F+G

Affaiblissement de parcours 143 dB 143 dB

O-P

Partie mission MS BT S

Puissance dmission (classes

1

et 2) 30 dBm 42 dB m

Perte de couplage + isolateurs

O

d B 3 d B

Perte totale c bles et con necteurs O d B 2 d B

Gain dantenne O dBi 18 dBi

PIRE 30 dBm

55

dBm

Bilan de liaison

Perte due au corps humain 3 dB 3 d B

Affaiblissement maximal 146 dB 146 dB

I

I

1

K

L

M

N=I-K-L+M

O=N-H

P

Porte en extrieure

Porte intrieure (marge de

15

dB)

I 1

2km

07 km

On considre un mo bile de pu issance 1W.

La porte est calcule en considrant la loi dHata pour une zone urbaine.

Noter lutilisation de la diversit dans la station d e base e t lutilisation dantenne s

fort gain

pour supporter des affaiblisseme nts plus imp ortants que pour le bilan d e liaison GS M

900

(ces

techniques peuvent tre aussi employes pour GS M 900).

Daprs [GSM 03 .30 A nnexe A.31.

Figure 6 7 Exemple de bilan

de

liaison

p o ur

DCS 1800

6 4 5 Utilisation de la diversit

La liaison montante est gnralement plus difficile

assurer que la liaison

descendante, car la puissance des terminaux est limite. Lvanouissem ent slectif en

frquence peut provoquer des affaiblissements trs svres. Il a t

exprimentalement dtermin [LEE

891

quen deux points distants de dix

vingt

longueurs don de sur un m me plan horizontal, les rceptions dun mm e signal sont

corrles avec un coefficient gal

0 7.

11est intressant dutiliser,

la station de base, plusieurs antennes de rception de

faon

recevoir le mme signal avec des multitrajets diffrents. Cette technique est


23/39

150 Rseaux GSM

appele

N

diversit spatiale

.

Il y a plusieurs mthodes de combinaisons des signaux

reus su r les diffrentes antennes [HESS931

[GIB

961 :

slection du meilleur signal switching combining),

combinaison des signaux avec le mme poids

equal gain combining),

combinaison des signaux affects de poids proportionnels leurs niveaux

maximal ratio combining).

Lutilisation de la diversit spatiale perm et damliorer le rapport E,J du signal

reu denviron 5 dB. Elle est couramm ent utilise avec des distances typiques entre

antennes de 3 6 mtres.

6.5.

Rutilisation des ressources

Loprateur dispose dun e zone

couvrir et dune bande de frquences. D ans les

systmes tels que GSM , cette bande est partage en deux sous-bandes dont lune est

utilise pour les liaisons mobiles vers infrastructure (liaison montante) e t lautre pour

le sens infrastructure vers mobiles (liaison descendante). Chaque sous-bande est

ensuite partage en un certain nombre de porteuses. Un porteuse peut couler une ou

plusieurs com munications simultanment.

Dautre part, la zone

couvrir est dcoupe en


24/39

Ingnierie et

concept

cellulaire

15

1

Soit un large territoire homogne

couvrir par des cellules de mme dimension.

Sur lensemble de ce territoire, la mme loi de propagation sapplique et la puissance

de tous les quipements (Station de Base et Station Mobile) est constante. La

demande en trafic est uniformment rpartie, le mme nombre de porteuses est donc

affect

chaque station de base.

On appelle


25/39

152

Rseaux GSM

Les premiers entiers qui vrifient une telle relation sont 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16,

19,

21,

25, 27, etc., et correspondent

des tailles de motifs possibles.

@ 4 @ 4 @ 4 @ 4

4 Q 4 Q 4 @ 4 1

2 3 2 3 2 3 2

3 2 3 2 3 2 3

@ 4 @ 4 @ 4 9 4

Figure 6.8. Exemple de motif cellulaire

K = 4 )

Considrons une cellule particulire. Les centres des cellules utilisant la mme

frquence sont situs sur un ensemble de cercles autour de cette cellule. Ces cercles

sont appels


26/39


153

Les motifs rguliers les plus courants comprennent

3,

4, 7,

9, 12, 21

ou

27

cellules. Il est possible dutiliser des motifs non rguliers mais la distance de

rutilisation ne peut tre plus grande que celle du motif rgulier de taille

immdiatement infrieure.

6.5.1.2.

Systmes limits par le bruit

Considrons dabord le cas dune zone tendue avec une trs faible demande en

trafic. Loprateur peut, en premire approche, utiliser une seule cellule pour

lensemble de la zone. Dans ce cas, les interfrences Co-canal et canaux adjacents

sont ngligeables devant le bruit

:

k d V .

Le rapport

C/(I+N)

est donc ici un rapport signal sur bruit

C/N

gal au

EJN0

(cf.

6.1.2.).

Il suffit quen tout point de la cellule, le signal reu ait une puissance

suprieure la sensibilit du rcepteur pour que la qualit des signaux reus soit

acceptable. La taille de la zone

couvrir dtermine la puissance ncessaire sur les

metteurs. Mais cette puissance est limite. Le dcoupage en cellules est ralis pour

des questions de couverture et non par la mise en uvre de la rutilisation de

ressources. La taille des cellules est dtermine par lensemble des points pour lequel

le signal est suprieur avec une certaine marge au bruit du rcepteur N . On dsigne

un

tel systme par le terme

c

systme limit par le bruit

>>

noise-limited system).

Cest le cas typique des zones rurales qui sont faiblement peuples. Les mmes

frquences peuvent tre rutilises sur des sites trs loigns ce qui revient utiliser

des motifs de grande taille.

6.5.1.3. Systmes limits par les interfrences

Si loprateur veut disposer de beaucoup de canaux sur chaque station de base, il

va rutiliser au maximum les frquences. Linterfrence Co-canal va tre

prpondrante par rapport tous les autres brouillages

:

N


27/39

154 Rseaux GSM

On a donc

:

C =

a

P, R-Y

1 = a

P , Dk -Y o Dk

est la distance entre le mobile et la kime station

de base interfrente et a un coefficient de proportionnalit.

Il est possible de considrer seulement les six stations de base de la premire

couronne et de ngliger linterfrence cre par les autres cellules. Pour ces six

cellules, la distance Dk peut de plus tre approxime par la distance D . Linterfrence

totale peut donc tre approxime par :

Ainsi, le rapport

C/Z

a la forme

:

C/I

=

l / b (D/R)Y .

A

\

\

/

/

\

/

/

\

/

\

/

/

\

/ /

15

\

\

6

\

/

/

\

/

\

\

Figure 6 10

Interfreurs su r

la

premire couronne

Le rapport C/Z sexprime donc uniquement en fonction de D/R et ne dpend pas

des puissances utilises. Cest pourquoi

D/R

est parfois appel


28/39


155

6.5.2. Etude du mod le classique

6.5.2.1. Cas des

systmes T D M M F D M A

Le calcul prcdent a t ralis en raisonnant sur laffectation des frquences

aux stations de base. Il sapplique donc directement sur les systmes FDMA purs. La

majorit des systmes numriques sont des systmes FDMNTDMA. En gnral, on

ralise la planification en affectant les frquences aux sites : le calcul prcdent

sapplique donc galement ce cas.

Il est

a priori

difficile de raliser la planification canal radio par canal radio (i.e.

un intervalle de temps sur une frquence radio) dans un systme FDMA/TDMA. Si

lon considre la liaison montante, les trames ne sont pas forcment synchronises

entre cellules diffrentes. De plus, le dlai de propagation intervient de sorte quun

mobile peut tre brouill par des mobiles diffrents au cours dune mme mission car

les dots de cellules diffrentes peuvent se chevaucher.

Il

nest donc plus possible de

dire quune mission est interfre par exactement six missions sur le mme canal.

6.5.2.2.

Utilisation d ante nne s directives

La location et la maintenance des sites reprsente une part non ngligeable du

cot de fonctionnement du rseau pour loprateur. Ce dernier a intrt limiter le

plus possible le nombre des sites installs. Dans ce but, les oprateurs utilisent en

gnral des antennes dont le diagramme de rayonnement est celui de la figure 6.3. La

couverture assure sapproche alors de lhexagone dont un des coins est la station de

base. Il est alors possible sur un mme site dassurer la couverture de 3 cellules. Dans

les ouvrages amricains, lensemble de la zone couverte par un site est appel une

cellule et la surface couverte par une antenne est appele

un


29/39

156

Rseaux GSM

Pour une mme taille de motif, une analyse de la distribution du C/Z montre que

la sectorisation introduit une lgre dgradation de qualit par rapport une

couverture om inidirectionnelle. Cependant, il est plus facile de >

les antennes.

Loprateur, par lajustement prcis des directions de vise, peut ainsi mieux

matriser la couverture. De plus, la dgradation de qualit est ngligeable par rapport

la rduction des cots provoque par la rduction du nombre de sites. Le motif

minimal souvent considr dans GSM est donn en figure 6.11. Il est de taille 12

mais parfois not 4/12 pour mon trer quil est rparti sur quatre sites.

6.5.2.3. Prise en compte de leffet de masque

Le calcul prcdent suppose un affaiblissement uniquement fonction de la

distance. Dans la ralit, il faut prendre en com pte leffet de m asque, approxim par

une loi log norm ale. De ce fait, il nest plus possible de calculer une borne infrieure

pour le C l .

En revanche, on peut tracer la fonction de rpartition du C/I pour lensemble des

mobiles uniformment rpartis sur la cellule [STJ851. La figure 6.12. donne cette

fonction de rpartition pour diffrentes taille de motifs dans le cas dun rseau tri-

sectoris. Un rseau est planifi pour limiter le nombre de m obiles qui recoiven t un

signal infrieur au seuil de fonctionnement du systme. Typiquem ent, on accepte un

taux de 5 % 10 .

V

s

s

-10

-5

O

5 10

15

20 25 30

x

dB

Simulation effectue en considrant la liaison descendante.

Cas dun rseau tri-sectoris avec des antennes conforme

la figure

6.3.

Propagation suivant une loi en

1 r315

avec un effet de masque dcart-type 7dB et sans

corrlation entre les interfreurs.

On

constate avec ce graphique que 90

%

des usagers ont un C/I suprieur

12 dB avec un

motif

12.

Figure

6 12 Rpartition

du C/I

suivant la taille de motif


30/39

Ingnierie

et concept

cellulaire

157

Les spcifications de GSM prvoient un fonctionnement correct au dessus dun

niveau C/Z de

9

dB. La taille du motif de rutilisation minimal est donc K =

9

(contre

21 pour les systmes analogiques).

6.5.2.4.

Prise en compte d u bruit et des inte rences

Les deux calculs prcdents (6.5.1.2 et 6.5.1.3) reposent sur les hypothses

Z


31/39

158

Rseaux GSM

Interfrence Co-canal

WO

certaine m arge sur les seuils, il est commode de considrer le rapport de suppression

sur le canal adjacent (ACS,

Adjacent Channel Suppression)

dfini comme Za/Zq: De

faon quivalente, on peut dfinir des rapports AC S pour les deuxime et troisieme

canaux adjacents comme

Za2/Zc

et

Za3/Zc.

Loprateur se fixe un seuil de qualit de

C/Z, et en dduit tous les autres seuils en fonction du seuil ACS.

Cl&

9 dB

Interfrence

1

er canal adjacent

( f o 5 2 0 0 k H ~ )

c4l1

Interfrence ler canal adjacent

cILL2

fok400kH~)

Interfrence ler canal adjacent CiZa3 - 4 9 d B A C S 3 = 5 8 d B

( f 0 ~ 6 0 0 k H z )

~~~

-9 dB ACS1=18 dB

-41 dB ACS2=50 dB

Figure 6.13. Seuil

de protection sur les canaux adjacents

Il

est impossible dutiliser deux canaux adjacents sur le m me site. En revanche

il est thoriquement possible dutiliser deux canaux adjacents sur deux sites

adjacents de mme puissance [GSM 3.301. En e ffet, les puissances reues des stations

de base,

la frontire de deux cellules, sont gales (dans le m odle thorique simple),

Si on considre deux canaux adjacents, le rapport C/Z est donc gal O dB (en

ngligeant toutes les interfrences lointaines) et vrifie largement la contrainte

impose.

a

Pour assurer un transfert intercellulaire correct, les cellules se chevauchent et il

est frquent quun mobile reste un m oment sur une frquence alors que la puissance

reue sur une autre frquence est suprieure. En considrant un systme planifi avec

une marge de 3 dB par rapport au tableau 6.13 (pour lensemble des seuils),

le

signal

interfrant sur le canal adjacent peut tre suprieur de 6 dB par rapport au signal utile

tout en respectant la contrainte (la valeur du paramtre HO-MAR GIN dcrite dans

lannexe 4 peut prendre une valeur de 6 d B). De la mme faon sur la voie montante,

deux mobiles peuvent se trouver sur une zone commune deux cellules mais

rattachs des stations de base diffrentes. Un mobile interfrant sur le canal

adjacent peut bnficier dun affaiblissement plus faible de 6 dB par rapport au

mobile transmettant le signal utile sans perturber le systme. En conclusion, il est

possible que deux cellules utilisant des canaux adjacents se chevauchent largement.

Il nest pas possible, cependant, dutiliser des canaux adjacents sur des cellules

dpendant du mme site

cause de la voie montante. En effet, la zone de

recouvrement se situe autour dune radiale passant par la station de base. Si deux

mobiles se trouvent sur la zone de recouvrement et utilisent des frquences

adjacentes, le rapport C/Zapeut tre trs infrieur 9 dB (cf. figure 6.14).


32/39

Ingnierie et co ncept cellulaire 159

Cet exemple illustre limpossibilit dutiliser 2 canaux adjacents sur 2 cellules dun mme

site.

La voie montante est considre.

Le mobile B est reu sur la frquence

2,

adjacente 1, avec une puissance forte C2.

Le mobile

A

est reu sur la frquence

1

avec une puissance faible C1 (par exemple 40

dB

en

dessous du niveau

C2).

Su rf i, le rapport

C/Za=C11C2

=

-40

dB so it une valeur trs infrieure au seuil de -9 dB exig

par la norme.

Figure

6.14.

Inteqrence canaux adjacents

sur

la

voie montante

Pour les mmes raisons que prcdemment, il nest pas possible dutiliser dans

tous les cas, le deuxime canal adjacent

un canal donn sur la mme cellule.

Cependant, le contrle de puissance et le

handover

intracellulaire (cf. chapitre 10)

permettent dviter des dynamiques importantes entre signaux reus de mobiles

diffrents et dassurer le respect de la contrainte C/Zaz

>

-41 dB.

En gnral, on simpose un cart minimal de 600

kHz

entre frquences dun

mme site et on vite dutiliser deux canaux adjacents sur deux sites adjacents. Un

des intrts du motif 12 est de permettre le respect dune telle contrainte (cf. figure

6.11). Nous laissons aux lecteurs le soin de le vrifier.

6.5.3.

Aspects pratiques de la planification cellulaire

La planification et le dimensionnement des cellules ncessitent de prvoir

lvolution en trafic (trafic global que doit couler le systme et trafic local par zone)

et laffectation des cellules en fonction du motif retenu. On considre alors chaque

cellule comme un ensemble de circuits et son dimensionnement est dtermin de

faon couler le trafic prvu.


33/39

160 Rseaux GSM

Dans lestimation de la demande en trafic et service, plusieurs paramtres sont

la densit de population et le pouvoir dachat des habitants dune rgion qui

- lactivit conomique (heures de pointe et localisation des centres daffaires)

considrs dont :

permettent destimer le taux de pntration du service,

qui dtermine les heures, lieux et densits de trafic.

Selon la zone gographique, les objectifs de planification du rseau seront

diffrents

:

en ville il sagit doffrir une capacit en trafic leve alors quen milieu

rural lobjectif est avant tout dassurer une couverture la plus complte possible et la

moins coteuse en quipements. Par exemple, les taux de blocage admissibles seront

plus levs en zone urbaine dense

( 5

%)

quen zone rurale

(2

%)

o

les problmes de

capacit sont moins importants.

Le dimensionnement du rseau est ralis en ayant recours aux rsultats de la

thorie du trafic (formules dErlang principalement) [LEE931 [YAC931. Ce type de

dimensionnement thorique est cependant limit par les effets dirrgularits du

trafic en fonction du temps et de la zone. De plus, le recouvrement entre cellules fait

que les lois dErlang ne sont plus directement applicables. Les ingnieurs suivent en

gnral la dmarche suivante

:

ils planifient afin de couvrir le mieux possible toutes

les zones pour satisfaire les besoins en trafic prvu, en conomisant au maximum les

ressources spectrales. Ensuite, en fonction de lobservation du comportement des

abonns (en fonction du temps et des lieux) et en fonction des qualits de service

observes (coupures de communication dues au trous de couverture, saturation de

cellules dues au manque de capacit, etc.), loptimisation et ladaptation du plan de

frquence initial sont ralises et la couverture est ajuste progressivement.

6 6

Paramtres influenant la capacit

6 6 1

Saut de frquence

A

lorigine, le mcanisme de saut de frquence fut introduit dans les systmes

militaires. Il consiste pour un metteur changer rgulirement de frquence de sorte

obtenir une diversit de frquences et une diversit des brouilleurs. Il a pour

consquence daugmenter lefficacit du codage et de lentrelacement dans GSM, et

ce, pour les mobiles en arrt ou se dplaant lentement [GSM 05.011.

Dans la littrature, la distinction est souvent faite entre le saut de frquence lent

SFH, Slow Frequency Hopping) ,

dont il est question ici, et le saut de frquence

rapide

(Fast Frequency Hopping) ,

tel quil est mis en uvre dans des systmes

talement de spectre

(Spread S pectrurn).

Le saut de frquence lent consiste

changer

de frquence chaque mission de message ou de

burst

par exemple, alors que le

saut de frquence rapide consiste changer de frquence plusieurs fois lors de

lmission dun message (saut de frquence au rythme symbole par exemple).


34/39

Ingnie rie et conce pt cellulaire 161

Le recours au mcanisme de saut de frquence offre les deux principaux

avantages suivants : obtenir une diversit en frquences et une diversit de

brouille

u

rs

.

6.6.1.1. Protection contre les vanou issem ents slectifs

En gnral, les vanouissements sur un canal radio sont dcorrls dune

frquence une autre ( condition quelles soient espaces dau moins un certain

cart, plusieurs centaines de

kHz

par exemple), Ainsi, lutilisation de plusieurs

frquences diffrentes pour une comm unication, diminue la probabilit de perte de

messages par vanouissements.

De cette faon, et grce en particulier la

redondance introduite dans les diffrents messages (par utilisation de techniques de

codages adquates), un message perdu pour cause dvanouissement sur une

frquence donne, peut tre reconstitu au niveau du rcepteur grce aux

informations transportes par les messages transmis sur les autres frquences. Le

gain apport par la diversit de frquences est de lordre de quelques dB .

6.6.1.2. La diversit d e brouilleurs

Le saut de frquence permet de crer une d iversit de brouilleurs. Dans les zones

urbaines, les systmes sont principalement limits par les interfrences. Ainsi,

limplantation du mcanisme d e saut de frquence a pour objectif de

c

moyenner

>>

le niveau dinterfrences global sur toutes les porteuses plutt que davo ir un n iveau

de brouillage lev sur certaines porteuses uniquement.

Loprateur ralise une planification pour que le C/Z soit dans 95 des cas

suprieur au seuil de fonctionnement. La contrainte est donc impose par les

5

des

cas les plus dfavorables. La planification est donc ralise au pire cas. Considrons,

sur le modle thorique rgulier prsent au 6.5, la voie montante et tudions le pire

cas. Il intervient lorsque la station de base reoit un signal utile venant dun mobile

situ en bordure de cellule et six signaux interfrents provenant de mobiles situs

lextrmit de leur cellule sur le ct le plus proche d e la station considre. Une telle

configuration est reprsente

la figure 6.14.a en ne considrant quune seule cellule

interfrente. Ce cas se produit rarement mais lorsquil se produit, cest la

communication entire qui est brouille, si lon suppose les terminaux peu mobiles.

Supposons maintenant que le mobile puisse utiliser lensemble des frquences

dune station de base et que les squences de frquences utilises soient pseudo-

alatoires : il change alors de frquence chaque mission. De cette faon , un mobile

est brouill par des mobiles diffrents chaque mission. Le pire cas considr plus

haut peut toujours se produire. Cependan t, il ne se produira plus pendant toute une

communication mais une fois de temps en temps. Grce aux techniques

dentrelacement, cest--dire dtalement dans le temps et de codage protecteur par

des redondances, on peu t recevoir correctemen t le signal lorsque le niveau moyen est

suprieur

un seuil mme si le niveau de

CI1

de certains chantillons est nettement

infrieur ce seuil.


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36/39


A (f l ,f2,f3)

- _

_

_

_

IY

( f l ,f2,f3)

D (fl ,f2,f3)

Tous les mobiles sont sur les 3 frquences f l , f2 et f3 et sur le mme

dot.

Figure 6 14 c Exem ple de configuration de brouillage avec le saut de frqu enc e

niveaux de

signal en d B

IY

1,

~

It

Avec le saut d e frque nce, le signal m is par A est interfr par Y, Z et T. Le C/Z moyen est

suprieur au seuil et la comm unication n'est pas brouille. De m m e pour B et C.

Les 3 communications peuvent avoir lieu simultanment.

Figure 6 14 d Evolution du

C/I

en prsence de saut de frquence

6.6.2. Contrle

de

puissance

Dans un rseau couvrant des environnements diffrents (ruraux, urbains), les

cellules sont de taille varie. La puissance d'mission des stations de bases est donc

paramtrable. Afin de ne pas entraner un dsquilibre entre la voie montante et la

voie descendante, chaque station de base indique aux mobiles de la cellule la

puissance nom inale

utiliser. On parle quelquefois de contrle de puissance statique.

Cette fonctionnalit est prsente dans les systmes analogiques et dans GSM.

En m ilieu urbain de densit moyenne, les cellules sont dimensionnes pour des

terminaux portatifs de 2 W pour GSM 900. Un terminal de classe

2

8

W)

n'met pas

puissance nominale dans les zones urbaines

:

sa puissance est bride par le rseau

2w.


37/39

164

Rseaux

GSM

Le mcanisme de contrle de puissance dynamique consiste ajuster la puissance

dun metteur radio de faon minimiser la puissance requise par cet metteur tout

en conservant la qualit de la communication. La consquence principale du recours

cette technique est la diminution du niveau dinterfrence Co-canal. Lautre

consquence est laugmentation de lautonomie des mobiles, due la diminution de

la quantit dnergie ncessaire aux missions.

La puissance dmission varie ainsi dans une certaine marge. Le contrle est

effectu soit uniquement pour les stations mobiles, soit pour les stations mobiles et

les stations de bases. Le contrle de puissance est un mcanisme qui est gr un

niveau centralis, cest--dire en pratique par une entit situe au niveau du rseau.

La raison principale de cette situation est que le contrle de puissance est une

dcision qui rsulte dune observation globale du systme, observation que seul le

rseau peut raliser.

Les principales causes conduisant laugmentation ou la diminution de la

puissance mise sont dune part lloignement ou le rapprochement dune M S de sa

station de base, et dautre part, laugmentation ou la diminution du niveau

dinterfrence sur le canal radio utilis.

6.6.3. Transmission discontinu e

Dans les communications de parole, il est rare que les deux intervenants parlent

en mme temps. De plus, les caractristiques de la parole font apparatre des silences

trs courts entre les mots. Le taux dutilisation du canal de transmission usager est en

moyenne de 40

.

Cest--dire que chaque canal (dans un sens comme dans lautre)

est inutilis pendant 60 du temps. La


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Ingnierie et conc ept cellulaire 165

6.7.

Conclusions

Lingnierie cellulaire consiste organiser le dcoupage du rseau en cellules de

faon

satisfaire les contraintes de couverture et de trafic. Il faut, dune part assurer

que les signaux changs entre les terminaux et le rseau soient reus avec une

puissance et une qualit suffisante sur la zone de service dfinie par loprateur, et,

dautre part que le trafic coul (en Erlang/Hertz/km2) par le rseau soit suffisant

pour le nombre dabonns prvus.

Loprateur dfinit le seuil de couverture E J N o et le seuil

C/Z

pour un

environnement donn. A partir du seuil de couverture, de la puissance dmission des

terminaux et des marges de scurit, loprateur dtermine les valeurs minimales de

champ lectromagntique

B

assurer pour quilibrer les sens montants et descendants

de la liaison radio. 11en dduit la puissance des stations de base

utiliser.

Lutilisation doutils informatiques de planification cellulaires guide la recherche

de sites. Ces outils utilisent des modles numriques de terrain et des modles de

propagation. Il est gnralement ncessaire de valider les prvisions par un travail sur

le terrain,

cause des incertitudes des modles qui ne permettent pas de prdire avec

une prcision suffisante la couverture radio.

Le seuil de CIZ conditionne la taille du motif de rutilisation des frquences. Plus

ce rapport est lev, meilleure est la qualit des communications mais moins

nombreux sont les abonns susceptibles dtre servis simultanment. A contrario,

plus ce rapport est faible, moins bonne est la qualit des communications mais plus

lev est le nombre potentiel des usagers susceptibles de se connecter simultanment

au systme. Loprateur, partir du seuil C/Z choisi, affecte les frquences de faon

couler le trafic attendu. Il doit vrifier statistiquement la qualit des signaux reus.

Dans les systmes o le trafic couler est faible, la taille des cellules est limite

par la couverture assurer. Dans les zones o le trafic est lev, loprateur est

conduit

diminuer la taille des cellules pour augmenter la capacit du systme. En

pratique, le cot des quipements conjugu

la difficult de trouver des sites en

milieu urbain impose une contrainte supplmentaire sur la diminution possible de la

taille des cellules.

Les mcanismes de saut de frquence, de contrle de puissance et de transmission

discontinue ont pour consquence de diminuer le niveau dinterfrence global du

systme. La conjugaison de ces trois mcanismes mne potentiellement des gains

importants de capacit. Cependant, un mcanisme tel que le contrle de puissance

doit tre introduit avec prcaution compte tenu des risques dinstabilit que son

utilisation peut entraner. De la mme manire, lutilisation du mcanisme de saut de

frquence ncessite lutilisation dun nombre consquent de porteuses au niveau de

chaque station de base. Son introduction au niveau dun systme en cours de

fonctionnement ncessite aussi une replanification des frquences si lon veut

profiter du gain de capacit.


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ingenierie radio

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