Rhouma Rhouma https://sites.google.com/site/rhoouma
École Supérieure d’Économie Électronique
2eme année Master Pro MBDS
1 / 59
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
2 / 59
Un peu d’histoire
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
3 / 59
Un peu d’histoire
Maxwell en 1864 : Prédiction d’existence d’ondes électromagnétiques
Hertz en 1887 : Confirmation pratique du travail de Maxwell.
Tesla en 1893 : Transmission Radio par onde porteuse et invention du Radar Marconi :
en 1897 : Télégraphie sans fils en 1901 : Première Transmission sans fils à travers l’atlantique
Mawxell(1831–1879) Hertz(1857-1894)
Tesla(1856-1943)
Marconi(1874-1937)
4 / 59
fréquence, normes et évolution des standards
World War II
1946: AT&T introduit le premier système de Téléphonie mobile
1947: Bell Labs invente le concept système cellulaire
1971 : AT&T et Motorolla proposent d’utiliser la bande 800 MHz pour les réseaux cellulaires
1983: Première licence commerciale de réseau cellulaire. Déploiement du 1G AMPS (Analogique)
1988: Réseaux cellulaire numérique GSM :2G European (services offerts: voix et SMS )
1990: IEEE 802.11 Wireless LAN
1993: Début IS-95 (CDMA : 2G américain)
2000: 2.5G GPRS dans quelques pays (Commutation par packets) (Voix et données et augmentation de débit)
2000: 3G (UMTS) (Supporte données multimédias comme vidéo)
5 / 59
fréquence, normes et évolution des standards
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
5 / 59
fréquence, normes et évolution des standards
6 / 59
fréquence, normes et évolution des standards
7 / 59
fréquence, normes et évolution des standards
8 / 59
fréquence, normes et évolution des standards
UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz à 3 GHz = Radiofréquences
9 / 59
fréquence, normes et évolution des standards
Directionnelles Omnidirectionnelles
10 / 59
fréquence, normes et évolution des standards
11 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
Publicité
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
12 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
13 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
Les ressources spectrales sont limitées.
Chaque pays a une agence gouvernementale pour contrôler et allouer les ressources spectrales. Les ressources spectrales sont controlées par :
Mondiale : International Telecommunications Union (ITU). USA: Federal Communications commission (FCC). EU: European Telecommunications standards Institute (ETSI). Tunisia : Agence Nationale de la fréquence (ANF).
14 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
15 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
16 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
17 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
Des bandes de fréquences utilisés Gratuitement
Pour encourager l’innovation et les implémentation de faible coûts.
Des systèmes sans fils ont vu succès grâce à cette bande. ex: Blutooth, Wireless LAN, téléphones sans fils
18 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
Semblable au réseau de diffusion de la radio ou TV
Un seul émetteur puissant localisé dans un milieu assez haut.
Faible capacité. ex: Bell mobile system à New York en 1970s peut seulement supporter au maximum 12 communications simultanées sur 1000 miles [2] .
Plusieurs émetteurs de faibles puissances
Placés de façon diversifiée pour couvrir toute la région.
19 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
20 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence
21 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence
Supposer que le système admet S=70 canaux fréquentiels Système Pre-cellulaire (avant le système cellulaire):
= ⇒ Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés = 70 × 3 = 210
22 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence
Diviser les 70 canaux en 7 groupes (A,B,C,D,E,F,G) de 10 canaux. Les cellules qui utilisent le même groupe sont éloignées.
= ⇒ Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés = 10 × 7 × 3 = 210 = ⇒ Avec la même capacité, la puissance de transmission a passé de centaines de Watts à quelques Watts, et même < 1 W par canal.
23 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence
Taille du cluster N=7
Distance de réutilisation D = Distance minimale entre les centres de deux cellules utilisant la même canal fréquentiel.
24 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence
Pour augmenter la capacité, utiliser des cellules de faible taille.
= ⇒ Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés ≫ 210
25 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence
3 Enjeux:
Réduire la puissance de transmission Augmenter la capacité du système
étaler la couverture par autant de cellules que nécessaire augmenter le nombre maximum des utilisateurs accédant au réseau.
Réduire les interférences.
26 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule
Publicité
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
27 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule
Bien que la véritable empreinte (forme) de la cellule est de nature amorphe(irrégulière), une forme cellulaire régulière est nécessaire pour la conception de système et l’adaptation à la croissance future.
La forme Hexagonale est la plus adaptée
28 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule
Les antennes omnidirectionnelles rayonnent selon une forme circulaire (vue de dessus). Le problème est que les cellules circulaires ne peuvent pas être superposées sur une carte sans laisser des zones incouvertes ou sans créer des zones de chevauchement. 3 choix: Triangle équilatéral ou carré ou Hexagon.
29 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule
Une cellule doit être conçue pour servir les mobiles les plus faibles au sein de l’empreinte (forme), et ceux-ci sont généralement situé à la frontière de la cellule. l’hexagone possède la plus grande superficie parmis les trois fromes. En utilisant la géométrie hexagonale, le plus petit nombre de cellules peut couvrir une région géographique L’hexagone décrit mieux un cercle
30 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
31 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
La superficie totale de la couverture est divisée en clusters
Le nombre de cellules N dans chaque Cluster est appelé taille du cluster
les cellules dans un Cluster utilisent tous les canaux fréquentiels
il n’ya pas d’interférence co-canal dans un meme cluster. interférence co-canal provient de deux cellules utilisant la même bande fréquentielle
Le cluster est Reproduit sur toute la zone de couverture.
ex: l’image montre 3 Clusters de taille N=7.
32 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
Facteur de réutilisation de fréquence=1/N Chaque cellule utilise 1/N des canaux existants.
33 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
34 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
N peut avoir certaines valeurs précises selon i et j des entiers:
N = i [2] + j [2] + i × j
Pour localiser le co-canal le plus proche :
Se déplacer i cellules le long d’une chaîne d’hexagones, puis Tourner 60 degrés contre le sens de la montre et se déplacer j cellules.
ex: i=3; j=2 = ⇒ N=19
35 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
36 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
37 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
38 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
Considérons un système cellulaire dont le nb total des canaux vocaux disponibles pour gérer le trafic est 960. L’aire de chaque cellule est de 6 km [2] et la zone de couverture totale du système est de 2000 km [2] . Calculer
1 Combien de fois un cluster de taille 4 doit être reproduit pour couvrir toute la zone ?
2 nb de canaux par cellule ?
3 la capacité du système si la taille de cluster, N est 4
4 la capacité du système si la taille de cluster est 7
5 Est-ce que la diminution de la taille de cluster N augmente la capacité du système? Expliquez.
39 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
Pour N = 4
Zone d’un cluster avec réutilisation N = 4: 4 × 6 = 24 km [2]
Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=4: 2000 / 24 = 83 . 33 ≃ 83 Nombre de canaux par cellule 960/4 = 240 La capacité du système: 2000 / 6 × 960 / 4 = 80000 comm. simultanées Pour N=7
Zone d’un cluster avec réutilisation N = 7: 7 × 6 = 42 km [2]
Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=7: 2000 / 42 = 47 . 62 ≃ 48 Nombre de canaux par cellule 960 / 7 = 137 . 15 ≃ 137 La capacité du système: 2000 / 6 × 960 / 7 = 45714 comm. simultannées Il est évident que lorsqu’on diminue la valeur de N de 7 à 4, on augmente la capacité du système de 45714 à 80000 canaux. Ainsi, la
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
D [2] = A [2] − 2 ABcos ( θ ) + B [2]
~~ ~~ ~~√~~ D = ( i
Publicité
~~√~~ 3 R ) [2] + ( j
~~√~~ 3 R ) [2] − 2( i
~~√~~ 3 R )( j
3 R ) cos (120 [◦] )
~~ ~~ √ = R 3( i [2] + j [2] + ij )) = R
3 N
41 / 59
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
R = Rayon de la cellule (du centre au vertex)
D = Distance de réutilisation de fréquence
Taux de réutilisation co-canal :
√
Q =
R [=]
3 N
42 / 59
Mesure de la qualité de signal
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
43 / 59
Mesure de la qualité de signal
Signal to Noise Ratio SNR = PbruitS Signal to Interference & Noise Ratio SINR = Pbruit + PSInterference La meilleure conception de système cellulaire met les utilisateurs qui partagent le même canal, à une distance de séparation (la plus petite possible) où l’interférence intercellulaire est juste en dessous du niveau maximum tolérable pour un débit et BER donné. = ⇒ Dans les systèmes cellulaire, on ne considère que les interférences, ce qui signifie que la puissance d’interférence est beaucoup plus grande que la puissance de bruit. = ⇒ SIR = PInterferenceS [=] - KjS =1 S : Puissance du signal utile; Ij : Puissance d’interférence causé par le BTS de la jème cellule co-canal; K : nb des cellules co-canal d’interférence
44 / 59
Mesure de la qualité de signal
Les Cellules co-canal, doivent être suffisamment espacées pour que les interférences entre utilisateurs dans les cellules co-canal ne dégrade pas la qualité du signal au dessous d’un niveau tolérable.
= ⇒ 10 log 10(60) = 17 . 78 ≃ 18 dB
45 / 59
Mesure de la qualité de signal
Pour une antenne, la puissance reçu à une distance d est donnée par :
Pr ( d ) = Pr ( d 0)
d 0
−γ
d 0: la distance de l’antenne d’émission vers le point de référence (de 1 à 100 m) Pr ( d 0): puissance reçu à proximité d’un point de référence d 0 dans la région de champ lointain de l’antenne. γ exposant de perte de trajet (entre 2 et 4 dans les zones urbaines)
46 / 59
Mesure de la qualité de signal
Le SIR est S
- _K_
j =1
il devient R [−][γ]
- _K_
j =1 [(] [)] [−][γ]
Avec R : Rayon de la cellule; Dj : distance depuis le BTS de la jème cellule et le mobile; K : nb des cellules co-canal d’interférence (de premier niveau)
47 / 59
Mesure de la qualité de signal
Si Même distance est considérée : Dj = D .
R [−][γ] SIR =
- _K_
j =1 [(] [)] [−][γ]
√
[/] [)] [γ]
= [(] K
= [(] [/] [)] [γ]
3 N ) [γ]
K K
Pour une géométrie hexagonale, le nb de voisins co-canal de premier niveau est K=6. Pour atteindre SIR ≥ 18 dB, il faut que N > 6 . 49 pour γ = 4 = ⇒ N ≥ 7 doit être utilisé pour atteindre SIR = 18 . 66 dB
48 / 59
Mesure de la qualité de signal
Pire des cas: Le mobile est à la frontière de la cellule (pt x), les distances depuis x sont des approximations
R [−][γ] SIR =
1
( Q − 1) [−][γ] + ( Q + 1) [−][γ] + 4 Q [−][γ]
Pour N = 7, Q = 4 . 6. En supposant que γ = 4 = ⇒ SIR = 17 . 9 dB Puisque la situation pire des cas se produit rarement, N = 7 est acceptable.
49 / 59
Mesure de la qualité de signal
Si N augmente, Distance D augmente = ⇒ SIR meilleur
Publicité
Mesure de la qualité de signal
Si γ = 4,
Le système AMPS nécessite un SIR ≥ 18 dB pour une qualité accepté de la voix. Quel doit être le facteur de réutilisation N ?
Le système GSM nécessite un SIR ≥ 12 dB pour une qualité accepté de la voix. Quel doit être le facteur de réutilisation N ?
Solution :
Pour l’AMPS :
Pour le GSM :
N = [1] [≃] [4]
3 [[][6] [ ×] [ (][10][1] [.] [2][)]][2] [/] [4]
N = [1] [≃] [7]
3 [[][6] [ ×] [ (][10][1] [.] [8][)]][2] [/] [4]
51 / 59
Augmentation de la capacité et amélioration de performance
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
52 / 59
Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
53 / 59
Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire
Comme la demande pour les services sans fil augmente, le nombre de canaux attribué à une cellule n’est pas suffisant pour soutenir le nombre nécessaire de utilisateurs.
La Solution est d’augmenter les canaux par Unité de zone de couverture.
54 / 59
Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire Sectoring
55 / 59
Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring
Sectoring : La technique de réduction d’interférences co-canal par L’utilisation d’antennes directionnelles.
L’antenne omni-directionnelle unique au BTS est remplacée par plusieurs antennes directionnelles, chacune rayonnant dans un secteur donné.
Une cellule va recevoir moins d’interférences co-canal.
56 / 59
Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring
Parmi les 6 cellules co-canal, seulement une d’elles interfère avec la cellule centrale.
Si des antennes omnidirectionnelles ont été utilisés à chaque BTS, toutes les 6 cellules co-canal s’interfèrent avec la cellule centrale.
= ⇒ K change de 6 à 1
57 / 59
Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring
En supposant que le le facteur de réutilisation N=7, pour le cas de 120 [◦] sectoring, le nombre des cellules co-canal interférentes est réduit de six à deux
= ⇒ K change de 6 à 2
58 / 59
Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring
√ Sachant que SIR = [(]
3 N ) ; C =
K Acell
3 N ) [γ]
Acell [×] N
K Acell N
Avantages :
Réduire les interférences en réduisant K Augmenter SIR (une meilleure qualité de l’appel). L’augmentation du SIR peut nous permettre de réduire de la taille de cluster (N) pour augmenter la capacité. Inconvénients
Augmenter le nombre d’antennes à chaque station de base. Les canaux disponibles dans la cellule doit être subdivisée et dédiés à une antenne directionnelle spécifique.
59 / 59