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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.
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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
-
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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
:
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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
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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
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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.
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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
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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
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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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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
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Ingnierie
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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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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
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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
,
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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)
-
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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
-
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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
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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
-
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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
-
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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
-
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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
-
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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
-
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Ingnierie et concept cellulaire
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
-
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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
-
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Ingnierie et concept cellulaire
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
-
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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
-
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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
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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).
-
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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.
-
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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).
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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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Ingnierie et concept cellulaire 163
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.
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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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