Réseaux Mobiles

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Allocation de fréquence

Bandes de fréquences sans Licence

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

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Allocation de fréquence

Réseau cellulaire Auparavant et Aujourd’hui

Plusieurs émetteurs de faibles puissances

Placés de façon diversifiée pour couvrir toute la région.

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 miles2.

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Réutilisation de la fréquence

Plan

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

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Réutilisation de la fréquence

Réutilisation de la fréquence

Réseau cellulaire Auparavant

Capacité faible: Si la bande de fréquence allouée dans la cellule peut offrir 100 communications simultanées

Réseau cellulaire d’aujourd’hui

Capacité énorme: Si la bande de fréquence est réutilisée dans 10 autres cellules, alors on peut offrir 100 × 10 communications simultanées !!

Le concept cellulaire =⇒

Le concept cellulaire peut résoudre le problème de congestion spectrale et augmenter la capacité du système.

La capacité a été augmentée sans allocation supplémentaire du spectre (fréquence).

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Réutilisation de la fréquence

Idées de base du concept cellulaire

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

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Réutilisation de la fréquence

Idées 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 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.

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Réutilisation de la fréquence

Idées de base du concept cellulaire

Cluster Un cluster est un ensemble de cellules dans lequel chaque cellule utilise des fréquences différentes. Les fréquences de la cellule peuvent être réutilisés par d’autres cellules dans le système, mais ces cellules seront dans d’autres groupes et donc suffisamment loin pour ne pas provoquer des interférences.

Taille du cluster N=7

Distance de réutilisation D = Distance minimale entre les centres de deux cellules utilisant la même canal fréquentiel.

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Réutilisation de la fréquence

Idées de base du concept cellulaire

Pour augmenter la capacité, utiliser des cellules de faible taille.

=⇒ Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés (cid:29) 210

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Réutilisation de la fréquence

Pourquoi donc Concept cellulaire ?

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.

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Forme de la cellule

Plan

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

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Forme de la cellule

La 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

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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 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.

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Forme de la cellule

Pourquoi l’hexagone ?

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

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Plan

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

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Cluster

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.

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Réutilisation de fréquence (N=4, N=7)

Facteur de réutilisation de fréquence=1/N Chaque cellule utilise 1/N des canaux existants.

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Capacité

=⇒ compromis: Des valeurs réduites de N peut engendrer des interférences

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Taille du Cluster

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

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Localisation du co-canal pour N=3

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Localisation du co-canal pour N=3

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Géométrie de l’hexagone

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Exercice 1

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 km2 et la zone de couverture totale du système est de 2000 km2. 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

4

la capacité du système si la taille de cluster, N est 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.

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Solution Exercice 1

Pour N = 4

Zone d’un cluster avec réutilisation N = 4: 4 × 6 = 24km2 Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=4: 2000/24 = 83.33 (cid:39) 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 = 42km2 Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=7: 2000/42 = 47.62 (cid:39) 48 Nombre de canaux par cellule 960/7 = 137.15 (cid:39) 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 diminution du facteur de réutilisation N augmente la capacité du système.

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Concept cellulaire et Allocation du canal

Cluster et facteur de réutilisation

Distance D de réutilisation de fréquence

D2 = A2 − 2ABcos(θ) + B2 √

√

√

√

(cid:113)

(i

D =

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 réutilisation

Taux de réutilisation co-canal

R = Rayon de la cellule (du centre au vertex)

D = Distance de réutilisation de fréquence

Taux de réutilisation co-canal :

Q =

D R

√

3N

=

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Mesure de la qualité de signal

Plan

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

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Mesure de la qualité de signal

3 mesures de la qualité du signal

Signal to Noise Ratio SNR = S Pbruit

Signal to Interference & Noise Ratio SINR =

S Pbruit +PInterference

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 =

= S (cid:80)K

S PInterference

j=1 Ij

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

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Mesure de la qualité de signal

Borne inférieure de SIR tolérable/fiable

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.

Niveau minimum tolérable du SIR

Des tests subjectifs ont affirmé que la plupart des gens considèrent 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 supérieure à la puissance de bruit ou brouillage.

=⇒

10log10(60) = 17.78 (cid:39) 18dB

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Mesure de la qualité de signal

Puissance reçus

Pour une antenne, la puissance reçu à une distance d est donnée par :

Pr (d) = Pr (d0)

−γ

d d0

d0: la distance de l’antenne d’émission vers le point de référence (de 1 à 100 m) Pr (d0): puissance reçu à proximité d’un point de référence d0 dans la région de champ lointain de l’antenne. γ exposant de perte de trajet (entre 2 et 4 dans les zones urbaines)

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Mesure de la qualité de signal

Calcul de l’interférence co-canal

Le SIR est

il devient

S (cid:80)K j=1 Ij

R−γ j=1(Dj )−γ

(cid:80)K

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)

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Mesure de la qualité de signal

Calcul de l’interférence co-canal

Si Même distance est considérée : Dj = D. R−γ j=1(D)−γ √ (

SIR =

(cid:80)K

=

(D/R)γ K

=

3N)γ K

Pour une géométrie hexagonale, le nb de voisins co-canal de premier niveau est K=6. Pour atteindre SIR ≥ 18dB, il faut que N > 6.49 pour γ = 4 =⇒ N ≥ 7 doit être utilisé pour atteindre SIR = 18.66dB

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Mesure de la qualité de signal

Calcul de l’interférence co-canal

Pire des cas: Le mobile est à la frontière de la cellule (pt x), les distances depuis x sont des approximations

SIR =

R−γ (D − R)−γ + (D + R)−γ + 4D−γ

=

1 (Q − 1)−γ + (Q + 1)−γ + 4Q−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.

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Mesure de la qualité de signal

Quantité vs Qualité

Si N augmente, Distance D augmente =⇒ SIR meilleur Si N diminue, Capacité meilleur !

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Mesure de la qualité de signal

Exemple

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 =

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 capacité et amélioration de performance

Plan

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

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Augmentation de la capacité et amélioration de performance

Fractionnement cellulaire

Plan

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

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Augmentation de la capacité et amélioration de performance

Fractionnement cellulaire

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.

Cell splitting: fractionnement

Subdivise une cellule encombrée à des cellules plus petites, chacune avec sa propre station de base.

Puisque la superficie de la cellule Acell diminue, compte tenu de l’expression de la capacité C, elle augmente.

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Augmentation de la capacité et amélioration de performance

Sectoring

Plan

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

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Augmentation de la capacité et amélioration de performance

Sectoring

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.

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Augmentation de la capacité et amélioration de performance

Sectoring

Sectoring 60◦

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

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Augmentation de la capacité et amélioration de performance

Sectoring

Sectoring 120◦

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

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Augmentation de la capacité et amélioration de performance

Sectoring

Pourquoi Sectoring ?

√ Sachant que SIR = ( Avantages :

3N)γ K

; C = Atotal Acell

× S N

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.

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