R seaux Mobiles
Chap 1: Concept cellulaire
Rhouma Rhouma
https://sites.google.com/site/rhoouma
cole Sup rieure d conomie lectronique
2eme ann e Master Pro MBDS
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Plan
1 Un peu dhistoire
2
fr quence, normes et volution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Un peu dhistoire
Plan
1 Un peu dhistoire
2
fr quence, normes et volution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Invention de la radio-mobile
Un peu dhistoire
Maxwell en 1864: Pr diction dexistence dondes
lectromagn tiques
Hertz en 1887: Conrmation pratique du travail de Maxwell.
Tesla en 1893: Transmission Radio par onde porteuse et
invention du Radar
Marconi:
en 1897 : T l graphie sans ls
en 1901 : Premi re Transmission sans ls travers latlantique
Mawxell(18311879)
Hertz(1857-1894)
Tesla(1856-1943)
Marconi(1874-1937)
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fr quence, normes et volution des standards
World War II
1946: AT&T introduit le premier syst me de T l phonie mobile
1947: Bell Labs invente le concept syst me cellulaire
1971 : AT&T et Motorolla proposent dutiliser la bande 800 MHz
pour les r seaux cellulaires
1983: Premi re licence commerciale de r seau cellulaire.
D ploiement du 1G AMPS (Analogique)
1988: R seaux cellulaire num rique GSM :2G European
(services offerts: voix et SMS)
1990: IEEE 802.11 Wireless LAN
1993: D but IS-95 (CDMA : 2G am ricain)
2000: 2.5G GPRS dans quelques pays (Commutation par
packets) (Voix et donn es et augmentation de d bit)
2000: 3G (UMTS) (Supporte donn es multim dias comme vid o)
2010: 4G LTE (Supporte ultra-Wideband internet access)
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fr quence, normes et volution des standards
Plan
1 Un peu dhistoire
2
fr quence, normes et volution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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fr quence, normes et volution des standards
Classication selon la port e
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fr quence, normes et volution des standards
Classication selon d bit et mobilit
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fr quence, normes et volution des standards
volution des Standards
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fr quence, normes et volution des standards
Spectre
UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz 3 GHz = Radiofr quences
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fr quence, normes et volution des standards
Antennes
Directionnelles
Omnidirectionnelles
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fr quence, normes et volution des standards
Diversit spatiale
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Plan
1 Un peu dhistoire
2
fr quence, normes et volution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
Plan
1 Un peu dhistoire
2
fr quence, normes et volution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
Allocation du spectre de fr quence
Les ressources spectrales sont limit es.
Chaque pays a une agence gouvernementale pour
contr ler et allouer les ressources spectrales.
Les ressources spectrales sont control es par :
Mondiale : International Telecommunications Union
(ITU).
USA: Federal Communications commission (FCC).
EU: European Telecommunications standards Institute
(ETSI).
Tunisia : Agence Nationale de la fr quence (ANF).
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
Allocation du spectre UHF en USA
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
Allocation du spectre UHF en France
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
Allocation du spectre UHF en France (suite)
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
Bandes de fr quences sans Licence
Des bandes de fr quences utilis s Gratuitement
Pour encourager linnovation et les impl mentation de faible co ts.
Des syst mes sans ls ont vu succ s gr ce cette bande. ex:
Blutooth, Wireless LAN, t l phones sans ls
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R seau cellulaire Auparavant et Aujourdhui
Plusieurs metteurs de faibles
puissances
Plac s de fa on diversi e pour
couvrir toute la r gion.
Semblable au r seau de diffusion
de la radio ou TV
Un seul metteur puissant
localis dans un milieu assez
haut.
Faible capacit . ex: Bell mobile
system New York en 1970s peut
seulement supporter au
maximum 12 communications
simultan es sur 1000 miles2.
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Concept cellulaire et Allocation du canal
R utilisation de la fr quence
Plan
1 Un peu dhistoire
2
fr quence, normes et volution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Concept cellulaire et Allocation du canal
R utilisation de la fr quence
R utilisation de la fr quence
R seau cellulaire Auparavant
Capacit faible: Si la bande de fr quence allou e dans la cellule peut
offrir 100 communications simultan es
R seau cellulaire daujourdhui
Capacit norme: Si la bande de fr quence est r utilis e dans 10
autres cellules, alors on peut offrir 100 10 communications
simultan es !!
Le concept cellulaire
=
Le concept cellulaire peut r soudre le probl me de congestion
spectrale et augmenter la capacit du syst me.
La capacit a t augment e sans allocation suppl mentaire du
spectre (fr quence).
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Concept cellulaire et Allocation du canal
R utilisation de la fr quence
Id es de base du concept cellulaire
Supposer que le syst me admet S=70 canaux fr quentiels
Syst me Pre-cellulaire (avant le syst me cellulaire):
= Capacit du syst me =
nb dutilisateurs simultan s
= 70 3 = 210
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Concept cellulaire et Allocation du canal
R utilisation de la fr quence
Id es de base du concept cellulaire
Diviser les 70 canaux en 7 groupes (A,B,C,D,E,F,G) de 10 canaux.
Les cellules qui utilisent le m me groupe sont loign es.
= Capacit du syst me = nb
dutilisateurs simultan s
= 10 7 3 = 210
= Avec la m me capacit , la
puissance de transmission a pass de
centaines de Watts quelques Watts, et
m me < 1 W par canal.
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Concept cellulaire et Allocation du canal
R utilisation de la fr quence
Id es de base du concept cellulaire
Cluster
Un cluster est un ensemble de cellules dans lequel chaque cellule
utilise des fr quences diff rentes. Les fr quences de la cellule
peuvent tre r utilis s par dautres cellules dans le syst me, mais ces
cellules seront dans dautres groupes et donc sufsamment loin pour
ne pas provoquer des interf rences.
Taille du
cluster N=7
Distance de r utilisation D =
Distance minimale entre les
centres de deux cellules
utilisant la m me canal
fr quentiel.
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Concept cellulaire et Allocation du canal
R utilisation de la fr quence
Id es de base du concept cellulaire
Pour augmenter la capacit , utiliser des cellules de faible taille.
= Capacit du syst me
= nb dutilisateurs simultan s (cid:29) 210
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Concept cellulaire et Allocation du canal
R utilisation de la fr quence
Pourquoi donc Concept cellulaire ?
3 Enjeux:
R duire la puissance de transmission
Augmenter la capacit du syst me
taler la couverture par autant de cellules que n cessaire
augmenter le nombre maximum des utilisateurs acc dant au
r seau.
R duire les interf rences.
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Forme de la cellule
Plan
1 Un peu dhistoire
2
fr quence, normes et volution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Forme de la cellule
La Forme de la cellule
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Bien que la v ritable empreinte (forme) de la cellule est de nature
amorphe(irr guli re), une forme cellulaire r guli re est n cessaire
pour la conception de syst me et ladaptation la croissance
future.
La forme Hexagonale est la plus adapt e
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Forme de la cellule
Pourquoi Hexagonale ?
Les antennes omnidirectionnelles rayonnent selon une forme
circulaire (vue de dessus).
Le probl me est que les cellules circulaires ne peuvent pas tre
superpos es sur une carte sans laisser des zones incouvertes ou
sans cr er des zones de chevauchement.
3 choix: Triangle quilat ral ou carr ou Hexagon.
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Forme de la cellule
Pourquoi lhexagone ?
Une cellule doit tre con ue pour servir les mobiles les plus
faibles au sein de lempreinte (forme), et ceux-ci sont
g n ralement situ la fronti re de la cellule.
lhexagone poss de la plus grande supercie parmis les trois
fromes.
En utilisant la g om trie hexagonale, le plus petit nombre de
cellules peut couvrir une r gion g ographique
Lhexagone d crit mieux un cercle
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Plan
1 Un peu dhistoire
2
fr quence, normes et volution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Cluster
La supercie totale de la couverture est divis e en
clusters
Le nombre de cellules N dans chaque Cluster est
appel taille du cluster
les cellules dans un Cluster utilisent tous les
canaux fr quentiels
il nya pas dinterf rence co-canal dans un meme
cluster. interf rence co-canal provient de deux
cellules utilisant la m me bande fr quentielle
Le cluster est Reproduit sur toute la zone de
couverture.
ex: limage montre 3 Clusters de taille N=7.
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
R utilisation de fr quence (N=4, N=7)
Facteur de r utilisation de fr quence=1/N
Chaque cellule utilise 1/N des canaux existants.
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Capacit
= compromis: Des valeurs r duites de N peut engendrer des interf rences
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Taille du Cluster
N peut avoir certaines valeurs
pr cises selon i et j des entiers:
N = i 2 + j 2 + i j
Pour localiser le co-canal le plus
proche :
Se d placer i cellules le long dune
cha ne dhexagones, puis
Tourner 60 degr s contre le sens
de la montre et se d placer j
cellules.
ex: i=3; j=2 = N=19
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Localisation du co-canal pour N=3
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Localisation du co-canal pour N=3
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
G om trie de lhexagone
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Exercice 1
Consid rons un syst me cellulaire dont le nb total des canaux vocaux
disponibles pour g rer le trac est 960. Laire de chaque cellule est de
6 km2 et la zone de couverture totale du syst me est de 2000 km2.
Calculer
1 Combien de fois un cluster de taille 4 doit tre reproduit pour
couvrir toute la zone ?
2 nb de canaux par cellule ?
3
4
la capacit du syst me si la taille de cluster, N est 4
la capacit du syst me si la taille de cluster est 7
5 Est-ce que la diminution de la taille de cluster N augmente la
capacit du syst me? Expliquez.
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Solution Exercice 1
Pour N = 4
Zone dun cluster avec r utilisation N = 4: 4 6 = 24km2
Nombre de clusters pour couvrir la supercie totale avec N=4:
2000/24 = 83.33 (cid:39) 83
Nombre de canaux par cellule 960/4 = 240
La capacit du syst me: 2000/6 960/4 = 80000 comm.
simultan es
Pour N=7
Zone dun cluster avec r utilisation N = 7: 7 6 = 42km2
Nombre de clusters pour couvrir la supercie totale avec N=7:
2000/42 = 47.62 (cid:39) 48
Nombre de canaux par cellule 960/7 = 137.15 (cid:39) 137
La capacit du syst me: 2000/6 960/7 = 45714 comm.
simultann es
Il est vident que lorsquon diminue la valeur de N de 7 4, on
augmente la capacit du syst me de 45714 80000 canaux. Ainsi, la
diminution du facteur de r utilisation N augmente la capacit du
syst me.
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Distance D de r utilisation de fr quence
D2 = A2 2ABcos( ) + B2
(cid:113)
(i
D =
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3R)2 + (j
(cid:113)
3R)2 2(i
3R)cos(120 )
3R)(j
= R
3(i 2 + j 2 + ij)) = R
3N
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Concept cellulaire et Allocation du canal
Cluster et facteur de r utilisation
Taux de r utilisation co-canal
R = Rayon de la cellule (du
centre au vertex)
D = Distance de r utilisation
de fr quence
Taux de r utilisation co-canal :
Q =
D
R
3N
=
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Mesure de la qualit de signal
Plan
1 Un peu dhistoire
2
fr quence, normes et volution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Mesure de la qualit de signal
3 mesures de la qualit du signal
Signal to Noise Ratio SNR = S
Pbruit
Signal to Interference & Noise Ratio SINR =
S
Pbruit +PInterference
La meilleure conception de syst me cellulaire met les utilisateurs qui
partagent le m me canal, une distance de s paration (la plus petite
possible) o linterf rence intercellulaire est juste en dessous du niveau
maximum tol rable pour un d bit et BER donn . = Dans les syst mes
cellulaire, on ne consid re que les interf rences, ce qui signie que la
puissance dinterf rence est beaucoup plus grande que la puissance de
bruit. = SIR =
= S
(cid:80)K
S
PInterference
j=1 Ij
S : Puissance du signal utile;
Ij : Puissance dinterf rence caus par le BTS de la j me cellule
co-canal;
K : nb des cellules co-canal dinterf rence
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Mesure de la qualit de signal
Borne inf rieure de SIR tol rable/able
Les Cellules co-canal, doivent tre sufsamment espac es pour
que les interf rences entre utilisateurs dans les cellules co-canal
ne d grade pas la qualit du signal au dessous dun niveau
tol rable.
Niveau minimum tol rable du SIR
Des tests subjectifs ont afrm que la plupart des gens consid rent
que pour un signal FM (utilisant un canal de largeur de bande 30 kHz)
soit clair (perceptuellement), il faut que la puissance du signal soit au
moins soixante fois sup rieure la puissance de bruit ou brouillage.
=
10log10(60) = 17.78 (cid:39) 18dB
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Mesure de la qualit de signal
Puissance re us
Pour une antenne, la puissance re u une distance d est donn e par :
Pr (d) = Pr (d0)
d
d0
d0: la distance de lantenne d mission vers le point de r f rence (de
1 100 m)
Pr (d0): puissance re u proximit dun point de r f rence d0 dans la
r gion de champ lointain de lantenne.
exposant de perte de trajet (entre 2 et 4 dans les zones urbaines)
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Mesure de la qualit de signal
Calcul de linterf rence co-canal
Le SIR est
il devient
S
(cid:80)K
j=1 Ij
R
j=1(Dj )
(cid:80)K
Avec
R : Rayon de la cellule;
Dj : distance depuis le BTS de la j me cellule et le mobile;
K : nb des cellules co-canal dinterf rence (de premier niveau)
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Mesure de la qualit de signal
Calcul de linterf rence co-canal
Si M me distance est consid r e : Dj = D.
R
j=1(D)
(
SIR =
(cid:80)K
=
(D/R)
K
=
3N)
K
Pour une g om trie hexagonale, le
nb de voisins co-canal de premier
niveau est K=6.
Pour atteindre SIR e 18dB, il faut
que N > 6.49 pour = 4
= N e 7 doit tre utilis pour
atteindre SIR = 18.66dB
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Mesure de la qualit de signal
Calcul de linterf rence co-canal
Pire des cas: Le mobile est la fronti re de la cellule (pt x), les
distances depuis x sont des approximations
SIR =
R
(D R) + (D + R) + 4D
=
1
(Q 1) + (Q + 1) + 4Q
Pour N = 7, Q = 4.6. En
supposant que = 4 =
SIR = 17.9 dB Puisque la situation
pire des cas se produit rarement,
N = 7 est acceptable.
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Mesure de la qualit de signal
Quantit vs Qualit
Si N augmente, Distance D augmente = SIR meilleur
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Si N diminue, Capacit meilleur !
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Mesure de la qualit de signal
Exemple
Si = 4,
Le syst me AMPS n cessite un SIR e 18 dB pour une qualit
accept de la voix. Quel doit tre le facteur de r utilisation N ?
Le syst me GSM n cessite un SIR e 12 dB pour une qualit
accept de la voix. Quel doit tre le facteur de r utilisation N ?
Solution :
Pour lAMPS :
Pour le GSM :
N =
N =
1
3
1
3
[6 (101.8)]2/4 (cid:39) 7
[6 (101.2)]2/4 (cid:39) 4
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Augmentation de la capacit et am lioration de performance
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Allocation de fr quence
R utilisation de la fr quence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Fractionnement cellulaire
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R utilisation de la fr quence
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Cluster et facteur de r utilisation
4 Mesure de la qualit de signal
5 Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Fractionnement cellulaire
Fractionnement cellulaire
Comme la demande pour les services
sans l augmente, le nombre de canaux
attribu une cellule nest pas sufsant
pour soutenir le nombre n cessaire de
utilisateurs.
La Solution est daugmenter les canaux
par Unit de zone de couverture.
Cell splitting: fractionnement
Subdivise une cellule encombr e des
cellules plus petites, chacune avec sa
propre station de base.
Puisque la supercie de la cellule Acell
diminue, compte tenu de lexpression
de la capacit C, elle augmente.
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Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Sectoring
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Fractionnement cellulaire
Sectoring
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Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Sectoring
Sectoring
Sectoring: La technique de r duction
dinterf rences co-canal par Lutilisation
dantennes directionnelles.
Lantenne omni-directionnelle unique au
BTS est remplac e par plusieurs
antennes directionnelles, chacune
rayonnant dans un secteur donn .
Une cellule va recevoir moins
dinterf rences co-canal.
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Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Sectoring
Sectoring 60
Parmi les 6 cellules co-canal,
seulement une delles interf re
avec la cellule centrale.
Si des antennes
omnidirectionnelles ont t
utilis s chaque BTS, toutes les
6 cellules co-canal sinterf rent
avec la cellule centrale.
= K change de 6 1
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Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Sectoring
Sectoring 120
En supposant que le le facteur de
r utilisation N=7, pour le cas de
120 sectoring, le nombre des
cellules co-canal interf rentes est
r duit de six deux
= K change de 6 2
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Augmentation de la capacit et am lioration de performance
Sectoring
Pourquoi Sectoring ?
Sachant que SIR = (
Avantages :
3N)
K
; C = Atotal
Acell
S
N
R duire les interf rences en r duisant K
Augmenter SIR (une meilleure qualit de lappel).
Laugmentation du SIR peut nous permettre de r duire de la taille
de cluster (N) pour augmenter la capacit .
Inconv nients
Augmenter le nombre dantennes chaque station de base.
Les canaux disponibles dans la cellule doit tre subdivis e et
d di s une antenne directionnelle sp cique.
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