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Promotion 2008
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
-------------------------------------
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
------------------------------------
DEPARTEMENT TELECOMMUNICATION
MÉMOIRE DE FIN D’ETUDES
en vue de l’obtention
du DIPLÔME de LICENCE-ES SCIENCES TECHNIQUES
Spécialité : Télécommunication
Option : Radiocommunication
par : BE Hugo Adolphe
PLANIFICATION ET DIMENSIONNEMENT DES
RESEAUX CELLULAIRES EN GSM
Soutenue Mardi le 31 mars 2009 à 08h 00mn, devant la commission d’Examen
composé de :
Président : M. ANDRIAMIASY Zidora
Examinateurs :
M. RATSIHOARANA Constant
M. BOTO ANDRIANANDRASANA Jean Espérant
Mme RAMAFIARISONA Malalatiana
Directeurs de mémoire :
M. RAKOTOMALALA Mamy Alain
M. RASAMIMANANA Andry
N° d’ordre : 04/L3/TCO Année Universitaire : 2007 / 2008
A mon Papa & ma Maman
A mes deux sœurs
A toute ma famille & mes amis
A mes encadreurs & toute personne qui un jour m’a appris une chose
REMERCIEMENTS
Au terme de ce travail, je tiens à remercier toute personne ou organisme qui m’a aidé à mener ce
projet et en particulier :
L’École Supérieure Polytechnique d’Antananarivo qu’elle porte à la formation de ses Ingénieurs
Mr RAMANANTSIZEHENA Pascal, Directeur de l’École Supérieure Polytechnique
d’Antananarivo (E.S.P.A), qui m’a autorisé à faire cette soutenance.
Mes reconnaissances vont à l'endroit de Monsieur RANDRIAMITANTSOA Paul Auguste,
Chef de Département de la filière Télécommunications.
J’adresse mes vifs remerciements à Monsieur
RAKOTOMALALA Mamy Alain, Assistant d’enseignement et de Recherche à l’E.S.P.A, qui a
encadré mon travail et m’a fait partager son savoir et son enthousiasme. Un énorme merci pour sa
disponibilité sans bornes, pour tout son soutien moral et pédagogique durant l’élaboration de ce
mémoire.
Je tiens à remercier Orange Madagascar et ses Ingénieurs du service BSS et particulièrement :
Mr RASAMIMANANA Andry, qui a pris l’initiative d’être mon encadreur professionnel, un
énorme merci pour sa disponibilité sans limites, pour ses soutiens technique et moral durant ce
projet.
Encore mes remerciements et reconnaissances vont également à Monsieur
ANDRIAMIASY Zidora, Maître de conférences à l’E.S.P.A, qui a accepté de présider cette
soutenance, ainsi qu’à tous les membres du jury qui ont pris de leur temps pour ce mémoire :
Monsieur RATSIHOARANA Constant, Maître de conférences à l’E.S.P.A
Monsieur BOTO ANDRIANANDRASANA Jean Espérant, Assistant d’enseignement et de
Recherche à l’E.S.P.A
Madame RAMAFIARISONA Malalatiana, Assistant d’enseignement et de Recherche à l’E.S.P.A
Je ne saurais oublier tous mes enseignants à l’E.S.P.A, qui ont donné leur maximum pour faire de
ces années d’études une réussite.
Enfin, j’ai une pensée noble et pleine de gratitude à l'endroit de mes chers parents, mes sœurs et
tous les membres de ma famille et tout particulièrement ma Cynthia pour sa patience.
Mes remerciements s’adressent également à mes « Mpiara-mianatra » du TCO, que ce soit ceux de
ma promotion, ceux qui ont déjà finis ou encore ceux qui suivront ; à tous les amis du Campus
Vontovorona, à tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réussite de ce mémoire,
j’adresse mes remerciements les plus sincères.
i
TABLES DES MATIÈRES
REMERCIEMENTS .......................................................................................................................................
TABLES DES MATIÈRES ........................................................................................................................... i
LISTE DES TABLEAUX .............................................................................................................................................. iv
LISTE DES FIGURES ................................................................................................................................................... v
NOTATIONS ............................................................................................................................................... vi
ABRÉVIATIONS ....................................................................................................................................... viii
INTRODUCTION GÉNÉRALE ..................................................................................................................1
Chapitre 1. SYSTEME GSM ET CONCEPT CELLULAIRE. .................................................................2
1.1. Stations mobiles et stations de base radio ........................................................................................................... 2
1.1.1. La station mobile ........................................................................................................................................... 2
1.1.2. La station de base radio. ............................................................................................................................... 3
1.1.3. Une interface radio élaborée ........................................................................................................................ 4
1.1.4. Itinérance et handover .................................................................................................................................. 5
1.2. Concept cellulaire ................................................................................................................................................ 5
1.2.1. Système cellulaire .......................................................................................................................................... 6
1.2.2. Pavage régulier .............................................................................................................................................. 6
1.2.3. Notion des cellules ......................................................................................................................................... 6
1.2.4. Motif cellulaire régulier ................................................................................................................................ 7
1.2.5. Type de sites et ses antennes. ........................................................................................................................ 7
1.2.6. Différents types des cellules .......................................................................................................................... 8
1.3. Conclusion ........................................................................................................................................................... 9
Chapitre 2. PLANIFICATIONS CELLULAIRES ........................ ...........................................................10
2.1. Schéma général d'une liaison radio mobile ...................................................................................................... 10
2.2. Sensibilité d'un récepteur. ................................................................................................................................. 12
2.3. Paramètres fondamentaux d'une antenne ........................................................................................................ 13
2.3.1. Antenne en émission .................................................................................................................................. 13
2.3.1.1. Gain et diagramme de rayonnement ...................................................................................................................... 13
2.3.1.2. Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente ............................................................................................................. 14
2.3.1.3. Cas du dipôle élémentaire. ..................................................................................................................................... 15
2.3.1.4. Antennes des terminaux GSM/DCS ........................................................................................................................ 16
2.3.1.5. Antennes des stations de base GSM/DCS ............................................................................................................... 16
2.3.2. Antenne en réception . ................................................................................................................................ 17
2.4. Propagation en espace libre. ............................................................................................................................. 18
2.5. Les modèles de propagations ............................................................................................................................. 19
2.5.1. Modèle général à trois étages ..................................................................................................................... 20
2.5.1.1. Affaiblissement de parcours ................................................................................................................................... 20
ii
2.5.1.2. Effet de masque ...................................................................................................................................................... 20
2.5.1.3. Évanouissement. ..................................................................................................................................................... 20
2.5.2. Modèles en macrocellules . ......................................................................................................................... 21
2.5.2.1. Modèle de Hata ...................................................................................................................................................... 22
2.5.2.2. Modèle COST 231-Hata ......................................................................................................................................... 22
2.5.2.3. Modèle de Walfish-Ikegami .................................................................................................................................... 23
2.5.3. Modèle en micro-cellulaire ......................................................................................................................... 23
2.5.4. Propagation à l'intérieur des bâtiments . .................................................................................................. 23
2.6. Prévision de couverture et équilibrage de liaison ............................................................................................. 24
2.6.1. Relations entre champ électrique et puissance ........................................................................................ 24
2.6.2. Détermination du seuil de couverture . ..................................................................................................... 26
2.6.3. Équilibrage de la liaison ............................................................................................................................. 27
2.6.4. Bilan de liaison ............................................................................................................................................ 27
2.6.5. Utilisation de la diversité. ........................................................................................................................... 28
2.7. Les différents types de planifications cellulaires .............................................................................................. 28
2.7.1. Réutilisation des ressources . ...................................................................................................................... 29
2.7.1.1. Modèle hexagonal classique ................................................................................................................................... 30
2.7.1.2. Motifs réguliers et distance de réutilisation ........................................................................................................... 31
2.7.2. Étude du modèle hexagonal classique ....................................................................................................... 33
2.7.2.1. Cas des systèmes TDMA/FDMA............................................................................................................................. 33
2.7.2.2. Utilisation d'antennes directives ............................................................................................................................ 33
2.7.2.3. Prise en compte de l'effet de masque. ..................................................................................................................... 34
2.7.2.4. Prise en compte du bruit et des interférences ......................................................................................................... 35
2.7.2.5. Prise en compte des canaux adjacents ................................................................................................................... 36
2.8. Conclusion ........................................................................................................................................................ 38
Chapitre 3. DIMENSIONNEMENTS CELLULAIRES ..........................................................................40
3.1. Notions générales sur le trafic et les paramètres influençant la capacité d’un système ........................ 40
3.1.1. Quelques définitions .................................................................................................................................... 40
3.2. Absorption des charges . ............................................................................................................................. 41
3.3. Paramètres influençant la Capacité .......................................................................................................... 43
3.3.1. Saut de fréquence ........................................................................................................................................ 43
3.3.1.1. Protection contre les évanouissements sélectifs ..................................................................................................... 44
3.3.1.2. La diversité de brouilleurs...................................................................................................................................... 44
3.3.2. Contrôle de puissance ................................................................................................................................. 46
3.3.3. Transmission discontinue ........................................................................................................................... 47
3.4. Densification des réseaux GSM ................................................................................................................. 48
3.4.1. Augmentation de la capacité intrinsèque. ................................................................................................. 48
3.4.2. Motifs fractionnaires. ................................................................................................................................. 48
3.5. Saut de fréquence synthétisé ...................................................................................................................... 50
iii
3.5.1. Systèmes à charge partielle ........................................................................................................................ 50
3.5.2. Impact sur les matériels .............................................................................................................................. 50
3.5.3. Capacité souple ........................................................................................................................................... 51
3.6. Densification cellulaire ............................................................................................................................... 52
3.6.1. Découpage des cellules ................................................................................................................................ 52
3.6.2. Déploiement micro cellulaire et réseaux multicouches. ........................................................................... 53
3.7. Réseaux multi-bandes. ................................................................................................................................ 54
3.8. Utilisation d’antennes adaptatives ............................................................................................................. 54
3.8.1. Réduction d'interférence. ........................................................................................................................... 54
3.8.2. Remarques ................................................................................................................................................... 55
3.9. Conclusion ................................................................................................................................................... 55
Chapitre 4. SIMULATIONS.......................................................................................................................57
4.1. Conception du CPDT ......................................................................................................................................... 57
4.2. Faisabilité........................................................................................................................................................... 57
4.3. Spécification des besoins ................................................................................................................................... 58
4.4. Présentation du CPDT ....................................................................................................................................... 58
4.5. Spécification Générale ....................................................................................................................................... 60
4.6. Exemple de planification ................................................................................................................................... 60
4.7. Conception de la base de données ..................................................................................................................... 61
4.8. Conclusion ......................................................................................................................................................... 62
CONCLUSION GENERALE .....................................................................................................................63
ANNEXE 1: Classification des stations (MS-BTS) selon les plages de puissance et leur sensibilité. ....................... 64
ANNEXE 2 : Interface radio GSM .............................................................................................................................. 66
ANNEXE 3:Bilan de liaison et types d’affaiblissements suivant l’environnement .................................................... 67
ANNEXE 4: Abaque sur la loi d’Erlang-B et les tables de la base de données .......................................................... 71
BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................................................................73
RÉSUMÉ : .................................................................................................................................................................... 76
iv
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 3-1 Nombre de TCH en fonction de nombre de fréquences ............................................................................. 43
Tableau 4-1 Classe de puissance des terminaux (MS). .................................................................................................. 64
Tableau 4-2 Classe de puissance des BTS normales avant coupleurs ........................................................................... 64
Tableau 4-3 Classe de puissance de micro-BTS après coupleurs éventuels .................................................................. 64
Tableau 4-4 Sensibilité des BTS .................................................................................................................................... 65
Tableau 4-5 Principale caractéristique de l'interface radio GSM ................................................................................. 66
Tableau 4-6 Exemple des motifs usuels ......................................................................................................................... 66
Tableau 4-7 Affaiblissement moyen en fonction de la distance ..................................................................................... 67
Tableau 4-8 Conversion champ électrique/puissance ................................................................................................... 67
Tableau 4-9 Exemple de bilan de liaison pour GSM 900 .............................................................................................. 68
Tableau 4-10 Exemple de bilan de liaison pour DCS 1800 ........................................................................................... 69
Tableau 4-11 . Seuil de protection sur les canaux adjacents ......................................................................................... 69
Tableau 4-12 Capacités pour différentes stratégies de planification cellulaire ............................................................ 69
Tableau 4-13 Abaque sur la loi d’Erlang-B. ................................................................................................................. 71
Tableau 4-14 Table Site ................................................................................................................................................ 72
Tableau 4-15 Table Emetteur ........................................................................................................................................ 72
Tableau 4-16 Table Antenne .......................................................................................................................................... 72
v
LISTE DES FIGURES
Figure 1-1types de polygones .......................................................................................................................................... 6
Figure 1-2 Pavage en hexagones réguliers du plan ........................................................................................................ 6
Figure 1-3 Exemple de motif cellulaire (K=3) ................................................................................................................ 7
Figure 1-4 Types de sites ................................................................................................................................................. 7
Figure 1-5 exemple théorique de couverture cellulaire ................................................................................................... 8
Figure 2-1 Schéma-bloc général d'une liaison radio mobile ......................................................................................... 11
Figure 2-2 Azimut et élévation ....................................................................................................................................... 14
Figure 2-3 Diagramme de rayonnement ........................................................................................................................ 14
Figure 2-4 Distance de réutilisation .............................................................................................................................. 31
Figure 2-5Motif régulier pour la première planification ............................................................................................... 32
Figure 2-6. Seuil de protection sur les canaux adjacents .............................................................................................. 33
Figure 2-7 Exemple de motif tri sectoriel à 12 .............................................................................................................. 34
Figure 2-8 Répartition du C/I suivant la taille de motif ................................................................................................ 35
Figure 2-9 Interférence canaux adjacents sur la voie montante .................................................................................... 37
Figure 3-1 Etude du taux de refus d’appel en fonction du trafic demandé, pour un nombre de porteuses attribué à la cellule variant de 1 à 8. ................................................................................................................................................. 43
Figure 3-2 Exemple de configuration de brouillage sans le saut de fréquence. ............................................................ 45
Figure 3-3 Évolution du �/� en l'absence de saut de fréquence .................................................................................. 45
Figure 3-4 Exemple de configuration de brouillage avec le saut de fréquence ............................................................. 46
Figure 3-5 Évolution du �/� en présence de saut de fréquence .................................................................................... 46
Figure 3-6 Exemple de motif fractionnaire .................................................................................................................... 49
Figure 3-7 Types de saut de fréquence .......................................................................................................................... 51
Figure 3-8 Découpage en cellules plus petites .............................................................................................................. 52
Figure 3-9 Limite des macrocellules ............................................................................................................................. 52
Figure 3-10 Exemple de microcellules ......................................................................................................................... 53
Figure 3-11 Réseau multicouche ................................................................................................................................... 53
Figure 4-1 Structure interne du CPDT .......................................................................................................................... 57
Figure 4-2 Page d'accueil CPDT................................................................................................................................... 59
Figure 4-3 Interface d’entré des données ...................................................................................................................... 59
Figure 4-4 Groupe de projet sur la réalisation du CPDT ............................................................................................. 60
Figure 4-5 La base de données sous SQL serveur 2005 ................................................................................................ 61
Figure 4-6 Sites tri-sectorisés avec K=3 ....................................................................................................................... 62
vi
NOTATIONS
���, � : surface de captation ou (Aire équivalent)
: vitesse de la lumière
� : distance entre E/R
� : fréquence d’émission
: gain d’antenne
� : gain en émission
� : gain en réception
�� : hauteur de l’antenne de station mobile (1-3m)
�� : hauteur de la base d’antenne (4-50 m)
� : facteur d’atténuation
� : puissance fournie à l’antenne
�� : puissance reçue ou captée par l'antenne isotrope
�� : affaiblissement de parcours (path loss)
� : densité surfacique de puissance à une distance d
s ��� : le vecteur de Poynting des champs électriques et magnétiques
� : 3,5
� : azimut
� : longueur de l'onde rayonnée
� : élévation
�� : largeur spectrale
� : puissance du signal utile
�� : Capacité Intrinsèque
��
: rapport porteuse / interférences (rapport signal/interférence Co-canal)
��
: rapport porteuse/bruit (rapport signal/bruit)
��� � �
: rapport porteuse/interférence et bruit
: distance de réutilisation
!" : l'énergie d'un bit transmis
vii
!"�# : un rapport d'énergie E%/N'
(!"�#)*�+,-
: rapport d'énergie seuil
.� : gain d’antenne de station de base
./ : gain d’antenne d’émission
.� : gain d’antenne de mobiles
.� : gain d’antenne de réception
� : ensemble des interférences
0 : Motif cellulaire
1 : affaiblissement
1� : les pertes introduites par le coupleur émission
1"� : la perte due au câble duplexeur-antenne au niveau (BTS)
12 : la perte due au câble E/R –antenne dans le MS
13 : la perte dans le duplexeur
1-45 : affaiblissement (line of Sight)
1���, � : une perte supplémentaire
1+ : Affaiblissement urbain
� : puissance du bruit
�4 : densité spectrale de puissance d’un bruit blanc gaussien
6 : la puissance fournie à l’antenne
67��, � : puissance rayonnée
6� : puissance reçue ou captée par un récepteur
8 : facteur de réduction d’interférence
9 : sensibilité du récepteur
viii
ABRÉVIATIONS
ACS : Adjacent Channel Suppression
AMPS Advanced Mobile Phone System
BS : Base Station
BTS Base Transceiver Station
BSS : Base Station Sub-System
COST : COoperation in the field of Scientific and Technical research
CPDT : Cellular Plannig and Dimensioning Tools
DCS : Digital Cellular System (Deux sous-bandes de 75 MHz)
ETSI : European Telecommunications Standards Institute.
FCH : Frequency CHannel
GSM : Global System for Mobile Communications (Deux sous-bandes de 35 MHz)
GPRS : General Packed Radio Service
IMEI : International Mobile Equipement Identity
LAPD : Link Access Protocol on the D channel
LAPDm : Link Access Protocol on the Dm channel
MOU : Memorandum Of Understanding
MS : Mobile Station
NMT : Nordic Mobile Telephone
PABX : Private Automatic Branch eXchange
PAR : Puissance Apparente Rayonnée
PCS 1900 : Transitions de la norme GSM à 1900 MHz
PIRE : Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente
PLMN : Public Land Mobile Network
RES : Radio Equipment and Systems
RR : Radio Resource
RTC : Réseau Téléphonique Commuté
RTCP : Réseau Téléphonique Commuté Public
SCH : Synchronisation CHannel
SDMA : : Spatial Division Multiple Access
SDCCH : Stand Alone Dedicated CHannel
SACCH : Slow Associated Control Channel
ix
SIM : Subscriber Identity Mobile
SFIR : Spatial Filtering for Interference Reduction
TCH : Trafic CHannel
TDMA : Time Division Multiple Access
TMN : Telecommunications Management Network
TRX : Transceiver (Emetteur/ Récepteur)
UIT : Union International des Télécommunications
WARC : World Administrative Radio Conference
1
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Dans le panorama des systèmes de télécommunication, les réseaux mobiles occupent, notamment
depuis leur apparition, une place importante en termes de recherche et d’investissement.
Les travaux menés par les groupes de recherche ont fourni plusieurs normes dont la plus
importante est la norme GSM (Global System for Mobile Communication).
Avec environ de trois milliards d’abonnés actuellement, la norme GSM est désormais la norme
cellulaire la plus répandue dans le monde. En parallèle au succès de ce réseau et avec la croissance
de la demande en services de transmission de données, de nouvelles technologies qui intègrent à la
fois le service voix et le service données sont apparues. Parmi ces nouvelles technologies, on cite
la technologie GPRS et la technologie EDGE qui sont une évolution de la norme GSM et sont
basées sur son infrastructure.
Dans la perspective où un réseau GSM se compose d’un sous-système radio, d’un sous-système
réseau et d’un sous-système de données, les opérations de planification et de dimensionnement
varient d’un sous-système à un autre vu la diversité des tâches qu’assure chacun. Dans le présent
projet, on va se focaliser sur la planification et le dimensionnement du sous-système radio et plus
précisément au niveau de réseaux cellulaires, le terminal mobile MS (Mobile Station), ainsi que
l’interface entre les deux entités c'est-à-dire le lien de transmission radio (Air interface).
Si le dimensionnement cherche à optimiser l’utilisation des ressources de manière plus rentable
pour un opérateur, leur intégration dans le réseau nécessite une analyse de l’architecture cellulaire.
Cette analyse permet de déployer les nouveaux sites dans des emplacements adéquats dans le
respect des contraintes radio, c’est donc l’étape de la planification cellulaire.
Cet ouvrage contient quatre chapitres, le premier est constitué de système GSM et concept
cellulaire, le second renferme les techniques de la planification cellulaire. Quant à troisième
chapitre, on y trouve les différentes techniques de dimensionnements cellulaires. En fin le dernier
chapitre, il sera consacré à la simulation de différentes méthodes proposées dans les deux parties
théoriques précédemment.
2
Chapitre 1. SYSTEME GSM ET CONCEPT CELLULAIRE.
Avec environ de 3 milliards d’abonnés actuellement dans le monde contre 250 millions à la fin
1999, le système GSM (Global System for Mobile Communications) est maintenant largement
utilisé. C’est la première norme de téléphonie cellulaire de seconde génération, c'est-à-dire qui soit
pleinement numérique. Elle constitue désormais la référence mondiale pour les systèmes radio
mobiles.
Les systèmes de première génération sont analogiques, le signal de parole est transmis sur la voie
radio par une modulation analogique de fréquence ou de phase tout à fait classique. La méthode
d’accès utilisé est le simple multiplexage en fréquence. Divers systèmes ont été élaborés dans ce
contexte à partir de la fin des années 70. Si le système AMPS (Advanced Mobile Phone System)
domine en Amérique, Le système NMT (Nordic Mobile Téléphone) a connu un succès certain en
Europe. Cependant de multiples systèmes nationaux ont été mise au point au Japon, en
Allemagne, en Italie, etc. C’est dans le cadre des systèmes de première génération qu’a mûri le
concept cellulaire qui permet une réutilisation efficace des ressources spectraux.
1.1. Stations mobiles et stations de base radio
Un système de radiotéléphonie a pour premier objectif de permettre l'accès au réseau téléphonique
à partir d'un terminal portatif sur un territoire étendu. Ce service utilise une liaison radio électrique
entre le terminal et le réseau. Selon le système, plusieurs bandes de fréquences sont utilisées,
parmi les quelles, on compte les bandes 900 MHz, et 1800 MHz.
Pour que le service soit disponible, il faut que la liaison radio entre le terminal (MS: Mobile
Station) et le réseau soit de qualité suffisante, ce qui demande en faite une puissance importante
des émetteurs. Afin de limiter cette puissance et d’équilibrer la liaison radio, l’opérateur du réseau
radio mobile place un ensemble de station de base BTS (Base Transceiver Station) sur le territoire
à desservir pour que le terminal soit toujours à moins de quelques kilomètres de la station de base.
1.1.1. La station mobile
Le terme station mobile désigne un équipement terminal muni d'une carte SIM (Subscriber
Identity Module), qui permet d’accéder aux services de télécommunications d'un PLMN (Public
Land Mobile Network GSM). Dans le cas où un service de transmission de données est demandé,
il comprend également le terminal de données et les éventuels dispositifs d'adaptation.
3
La majorité des terminaux sont aujourd’hui des portatifs d’un volume compris entre 150 et 450
2:, d’un poids de 150 à 350 grammes et de dimensions allant de 130 à 200 mm de longueur, 30
à 65 mm de largeur et de 20 à 50 mm d'épaisseur. Leur autonomie est de neuf à soixante-dix
heures en veille et d’une à quatre heures en communication. L’affichage comprend de 2 à 5 lignes
de 8 à 16 caractères chacune. La majorité des postes portables et portatifs acceptent des cartes SIM
de format carte (SIM Full-Size), certains portatifs (le tiers environ) n’acceptent que des micro-
SIM (SIM Plug-in).
Afin de détecter les terminaux non agréés ou volés, chaque terminal est muni d'une identité
particulière, l’IMEI (International Mobile Equipement Identity). Cette identité permet de
déterminer le constructeur de l’équipement. Parmi les principaux constructeurs, on peut citer
Alcatel, Ericsson, Motorola, Nokia, Orbitel, Panasonic, Philips et Siemens.
La norme définit les terminaux de plusieurs classes suivant leur puissance maximale d’émission
(cf. Tableau 4-1 de l’annexe 1.) Pour le GSM 900, la majorité des terminaux vendus sont des
portatifs de classe 4 d’une puissance de 2 <. Les postes montés à demeure dans les véhicules
sont de classe 2, soit une puissance de 8<. Pour le DCS 1800 (Digital Communication System),
les terminaux sont en général des portatifs d’une puissance de 1W (classe 1).
Les terminaux réduisent la puissance d’émission suivant les demandes du réseau : le niveau
minimal d’émission est de 3 2< (5 dBm) en GSM 900 et de 1 2< (0 dBm) en DCS 1800. La
valeur du pas de progression est de 2 �@ avec une tolérance pouvant aller jusqu’à A5 �@.
La puissance des terminaux conditionne bien sûr leur portée : en 900 MHz, une puissance de 8 W
permet une portée de plusieurs dizaines de kilomètres ; une puissance de 2 < la limite à quelques
kilomètres. Ces chiffres donnent des ordres de grandeur car la portée effective dépend fortement
de l’environnement et de l’Ingénierie du réseau.
1.1.2. La station de base radio.
La station de base radio BTS est un ensemble d'émetteurs-récepteurs appelés TRX. Elle a la
charge de la transmission radio : modulation, démodulation, égalisation, codage correcteur
d'erreur.
Elle gère plus généralement toute la couche physique : multiplexage TDMA (Time Division
Multiple Access), saut de fréquence lent, chiffrement. Elle réalise aussi l'ensemble des mesures
radio nécessaires pour vérifier qu'une communication en cours se déroule correctement.
4
Ces mesures ne sont pas exploitées par la BTS, mais directement transmises au BSC (Base Station
Controller).
La BTS gère la couche liaison de données pour l'échange de signalisation entre les mobiles et
l'infrastructure (LAP Dm).
Enfin, elle gère la liaison de données avec le BSC afin d'assurer la fiabilité du dialogue (LAP D).
La capacité maximale d'une BTS est typiquement de 16 porteuses, c’est-à-dire qu’elle peut
supporter au plus une centaine de communications simultanées. En zone rurale, la BTS peut être
restreinte à la gestion d'une seule porteuse écoulant jusqu’à 7 communications simultanées.
En zone urbaine, les BTS comportent généralement de 2 à 4 TRX pouvant écouler environ de 14 à
28 communications simultanées.
La norme distingue les BTS dites normales des micro-BTS. Les premières correspondent aux
stations de base classiques des systèmes cellulaires avec des équipements installés dans des locaux
techniques et des antennes sur les toits reliées par des câbles. Des dispositifs de couplage
permettent d'avoir une seule antenne pour plusieurs TRX, mais peuvent réduire considérablement
la puissance disponible à l'entrée de l'antenne. La norme spécifie la sensibilité et les puissances
maximales des TRXs, sans prendre en compte ces dispositifs de couplage (cf. Tableau 4-2; 4-3 et
4-4 de l’annexe 1). Les valeurs indiquées sont ainsi très supérieures à celles données dans le
Tableau 4-1 de l’annexe 1 pour le mobile. Une certaine tolérance est acceptée sur la puissance
maximale effective.
Les micro-BTS sont prévus pour assurer la couverture de zones urbaines denses à l'aide de
microcellules. Ce sont des équipements de faible taille, intégrant les dispositifs de couplage et
d’un coût plus faible que les BTS normales car elles sont en plus grand nombre et peuvent être
montées à l’extérieur. La norme propose des puissances faibles pour avoir des portées limitées et
impose de fortes contraintes pour permettre le fonctionnement de deux BTS à proximité. Les
différentes classes de puissance et les sensibilités sont données dans les Tableau 4-3; 4-4 de
l’annexe 1. Si le mobile se trouve près d’une BTS, la recommandation prévoit qu’elle peut réduire
la puissance effective d’émission vers ce mobile. Les classes de puissance définissent donc bien
des valeurs maximales de puissance.
1.1.3. Une interface radio élaborée
La définition d’une interface radio s’appui sur quelques grands choix (multiplexage, duplexage,
largeur de bande) résumés dans le Tableau 4-5 de l’annexe 2.
5
La norme GSM innove sur de nombreux points : la transmission numérique, le partage en temps,
le codage de la parole réduit à 13 0CDE/�, le codage de canal et la transmission discontinue.
En quelques mots, GSM est un système TDMA à bande moyenne (200 0GH) utilisant le
duplexage fréquentiel où huit communications simultanées peuvent être multiplexé sur un même
couple de fréquences. L’interface radio, qui représente le maillon faible de la chaîne de
transmission nécessite des traitements spécifique, permettant l’établissement d’un lien sur un canal
perturbé. Le système GSM est plus résistant aux brouillages et aux évanouissements que les
systèmes analogiques ou sans cordon. Ceci exige une transmission numérique; les dispositifs de
codage de canal permettent d’abaisser le seuil du rapport signal sur bruit de fonctionnement. La
redondance introduite double les débits transmis. Le faible débit de sortie du codec de parole rend
tolérable cette accroissement.
Dans un système radio mobile, le lien entre le terminal et le réseau est fluctuant du fait de
l’instabilité du canal radio et du déplacement du terminal. Une architecture spécifique est définie
sur l’interface radio (Um) afin de permettre à chaque station mobile de surveiller constamment son
environnement.
1.1.4. Itinérance et handover
L’usager d’un réseau de la radiotéléphonie qui se déplace en différents points des territoires
couverts, doit pouvoir appeler et être appelé. C’est la notion d’itinérance ou de roaming.
Pendant une communication, le terminal est en liaison radio avec une station de base déterminée.
Il est souhaitable d’assurer la continuation de service alors que l’utilisateur se déplace. Il peut être
nécessaire de changer la station de base avec laquelle le terminal est relié tout en maintenant la
communication : C’est le transfert intercellulaire ou handover.
1.2. Concept cellulaire
Le concept cellulaire consiste à partitionner une zone géographique en des plus petits zones
uniforme appelé « cellules ». L’intérêt de cette partition repose sur la mise en place des sites BTS
et en vue de l’application des techniques de réutilisation des ressources fréquentiels dans tout
territoire pour un déploiement cellulaire fixé par un opérateur.de téléphonie GSM.
Vu la distance entre le mobile et un équipement fixe de radiotéléphonie, la portée de couverture est limitée
par les conditions de propagations des ondes radio. Pour limiter la puissance d’émission nécessaire et
d’augmenter l’autonomie des mobiles, la norme GSM repose en grande partie sur ce concept cellulaire. En
effet, cette réduction de puissance contribue une part importante à la réduction des interférences
6
Co-canal et des interférences canaux adjacents ainsi que le niveau de bruit généré par les
composants électroniques. En fin, il permet la mobilité des équipements mobiles toute en
maintenant la communication ainsi que le transfert intercellulaire (handover).
1.2.1. Système cellulaire
Un système de téléphonie cellulaire assure sur un territoire étendu l’itinérance et le handover. Il
permet de mettre en contacte des abonnés mobiles avec des abonnés fixes du RTCP (Réseau
Téléphonique Commuté Public).
1.2.2. Pavage régulier
Le pavage régulier consiste à partitionner un plan en des polygones régulier. Pour ce faire, on a
trois types de polygones réguliers pouvant effectuer un pavage parfait du plan :
le triangle équilatéral
le carré
l’hexagone
Figure 1-1types de polygones
1.2.3. Notion des cellules
Le choix de l’hexagone a été privilégié par sa forme la plus proche d’un cercle, ainsi que les
partitions du plan en hexagones réguliers sont appelés « cellules »
Figure 1-2 Pavage en hexagones réguliers du plan
7
3 1
2
2 2 2
1 3 1 3 1
1 3 1
3 1
2
2 2
3
3
Schéma d’allocation des
fréquences suivant le motif K=3.
Site tri sectorisé avec des
antennes directionnelles
f1
f2 f3
R 120
Site mono sectorisé avec des
antennes directionnelles
f1
f3 f2
Antenne omnidirectionnel dans
un site unicellulaire
1.2.4. Motif cellulaire régulier
Des considérations géométriques et arithmétiques permettent de démontrer qu’un motif ayant un
nombre de fréquences données est optimal s'il est régulier c'est-à-dire s'il est invariant par une
symétrie ou une rotation de 120°. Dans ce cas, la taille du motif 0 s’obtient par la théorie de
graphe pour le coloriage des nœuds (ici on compare un nœud par une cellule dans laquelle on
alloue une ou de groupe de ressources fréquentielles) :
0 I DJ � D. L � LJ �MN D NE L, NOEDNP� O�EQPN�� RQ OQ�� �2.1
Les premiers entiers qui vérifient une telle relation sont donnés au Tableau 4-6 de l’annexe 2et
correspondent à des tailles de motifs possibles.
Figure 1-3 Exemple de motif cellulaire (K=3)
1.2.5. Type de sites et ses antennes.
En général on distingue trois types de sites selon l’orientation et les caractéristiques d’antenne
utilisé. Dans les zones rurales on met en œuvre le plus souvent un site utilisant une antenne
omnidirectionnelle, tandis que dans les zones urbaines, on préfère des sites sectorisés avec les
antennes directionnelles que ce soit aux sites mono sectorisés ou dans des sites tri sectorisés. Ce
dernier a été privilégié par sa simplicité d’orientation et de tilter lors de l’optimisation de
couverture cellulaire.
Figure 1-4 Types de sites
8
1.2.6. Différents types des cellules
On distingue les cellules selon la dimension du milieu dont il recouvre :
Dans les zones urbaines denses, l’opérateur utilise des microcellules de quelques centaines
de mètres de rayon pour écouler un trafic important par unité de surface. Du fait de
l’atténuation en �SJ qui pénalise les hautes fréquences, un système DCS est plus
contraignant quand à la couverture (il demande une densité plus grande de station de base)
mais la largeur de bande disponible est plus confortable. Il est donc adapté aux zones
urbaines à fortes densité de trafic. L’utilisation d’antennes intelligentes peut dans certains
cas faciliter la couverture.
Dans les zones rurales faiblement peuplées, les cellules sont de tailles importantes jusqu’ à
30 02 de rayon et sont appelés des macrocellules. Dans ce dernier cas, l’utilisation d’un
portatif n’est donc pas toujours possible sur la totalité de la surface d’une cellule rurale.
L’interopérabilité totale entre GSM 900 et DCS 1800 n’introduit aucun nouveau problème au
niveau technique. A condition de disposer d’une licence sur les deux bandes, un opérateur peut
déployer des stations de base 900 MHz et 1800 MHz connectées aux mêmes sous-systèmes
réseau. On rencontre ce cas dans la densification des réseaux et le fonctionnement des réseaux bi-
bande. Les différents environnements (urbain/rural, intérieur/extérieur, etc.) et les prévisions de
demande en trafic imposent des diverses contraintes sur l’interface radio et le déploiement des
systèmes cellulaires. Les systèmes radio mobiles ont des ambitions diverses. Les systèmes de
radio téléphonie cellulaires occupent la place importante par rapport aux autres systèmes
téléphonie (sans cordon et système satellitaire). Ils sont adaptés à des environnements variés. (cf.
Figure 1-5). Ils sont parfaitement à même d’offrir un service global de téléphonie mobile de
densité de populations moyennes ou forte comme dans des grands pays.
Figure 1-5 exemple théorique de couverture cellulaire
Zone périurbaine
Zone urbaine micro cellules
Zone rurale
Macro cellule
9
1.3. Conclusion
Le système GSM a vu le jour suite à la recherche en vue d’augmenter la capacité du réseau de la
première génération pour une zone de couverture. La partie radio a été définie par la norme, on y
rencontre la station de base et la station mobile et leur fonction respective. Entre ces deux stations,
la norme définie ainsi, une interface (Um) servant le lien de transmission pendant la
communication faite par les deux stations.
Le concept cellulaire fait en grande partie une base du système cellulaire. Il permet une
réutilisation spectrale d’une manière efficace lors d’un déploiement fixé. Il facilite la gestion à la
réduction des interférences ainsi qu’à la réduction des bruits.
10
Chapitre 2. PLANIFICATIONS CELLULAIRES
La planification d'un réseau cellulaire est sans doute l'une des tâches les plus importantes et les
plus sensibles rencontrées lors du déploiement d'un système cellulaire. Elle conditionne de façon
importante la qualité de service offert. L'opérateur doit d'abord assurer une couverture en fonction
de ses objectifs. Quels types de terminaux veut-il privilégier, portatifs ou téléphones de voiture de
forte puissance ? Veut-il couvrir l'intérieur des bâtiments ou seulement les rues ? En fonction des
réponses, il fait un bilan de liaison pour en déterminer les paramètres fondamentaux (puissances,
types d'antennes, taille des cellules, seuils d'ingénierie etc.).
Le concept cellulaire permet, théoriquement d'atteindre des capacités illimitées en densifiant le
réseau des stations de base.
Pour un déploiement fixé, la réutilisation de fréquences est limitée par le rapport �/�
(Carrier/Interférence ou rapport porteuse/interférences). Il faut donc trouver un compromis entre
ce rapport (pour garder une qualité de service minimum pour tous les usagers) et la capacité du
système (pour que le système implanté soit économiquement valable à l'opérateur).
2.1. Schéma général d'une liaison radio mobile
On considère une liaison radio qui permet à un terminal mobile de recevoir un signal émis par la
station de base, Cette liaison comprend les principaux éléments représentés dans la Figure 2-1.
Un des émetteurs de la station de base génère une onde électromagnétique modulée à la
fréquence désirée.
Un « coupleur » permet de superposer les ondes produites par les différents émetteurs sur
un même conducteur électrique.
Un câble transmet les ondes produites et se comporte comme un guide d'ondes.
Un « duplexeur » sépare les voies montantes et les voies descendantes.
Une antenne, appelée aussi « aérien », assure la transition entre le guide d’ondes et
l’espace libre dans lequel ces ondes vont se propager.
L’espace permet aux ondes de se propager. Différents obstacles, diffracteur ou réflecteurs,
réfracteurs influent sur la propagation.
Le signal est reçu par l’antenne du terminal mobile, transmis par un câble (qui peut être
très court) vers l’émetteur-récepteur. Le mobile ne comprend généralement pas de
dispositifs de couplage car il est constitué d’un seul émetteur-récepteur.
11
E/R
Sensibilité
E E E E
Coupleur
Duplexeur
R R R R
Multi-Coupleur
Puissance
Puissance Sensibilité
PIRE
Affaiblissement L Câble
Antenne
Perte
Gain Gb
Lcb
Le
E=Émetteur, R=Récepteur.
Lcm
Gm Gain
Perte
Ld
Chacun de ces éléments n'est pas forcément présent dans toutes les configurations. Il est possible,
par exemple, d'installer des antennes d’émission et de réceptions séparées pour supprimer le
duplexeur
Figure 2-1 Schéma-bloc général d'une liaison radio mobile
Exemple de configuration possible (tous les éléments ne sont pas présents dans toutes les
configurations).
Chaque élément de ce schéma de liaison introduit des pertes : seule une fraction de la puissance
arrive à l'équipement suivant.
De façon classique, les puissances et les pertes sont exprimées en �@. Dans cette 2ème partie nous
utiliserons de préférence les lettres minuscules pour référencer les valeurs exprimées en échelles
linéaires et les lettres majuscules pour les grandeurs en �@ ; ainsi T I 10�R �� où �R est le
logarithme en base 10.
Les notations classiques �/� et !"/�# sont cependant conservées, elles sont mixtes. Le rapport
�/� exprimé en �@ correspondrait bien sûr à 10�R �/D et non 10�R �/10�R �D si et D sont
les valeurs en linéaire (non utilisé dans ce qui suit).
L'ensemble des pertes est alors la somme de la perte introduite par chaque équipement.
Pour les antennes, il s'agit plutôt d'un gain que nous définirons au paragraphe (2.3.1.1).
L'équation générale liant la puissance reçue 6� par la station mobile en fonction de la puissance
émise 6� par la station de base est :
6� I 6� U 1"� U 1� U 13 � .� U 1 � .� U 1"� �2.1
Où 1"� , 1� NE 13 sont des pertes respectives introduites par le câble de la station de base, le
coupleur émission et le duplexeur ; .� et .� désignent le gain des antennes de station de base et
du mobile, 1 représente l'atténuation dans l'espace et 1"� est la perte due au câble dans le mobile.
12
2.2. Sensibilité d'un récepteur.
Un émetteur est caractérisé par sa puissance, un récepteur par sa sensibilité. Pour assurer une
réception correcte, le rapport signal/bruit �/�, mesuré à un certain point de l'étage de réception
(après démodulation), doit être supérieur à un seuil donné. Ce rapport s'exprime fréquemment
comme un rapport d'énergie !"/�# où le paramètre !" est l'énergie d'un bit transmis, appelé :
quelquefois « chip », et où �4 désigne la densité de bruit.
En l’absence de tout signal, l'agitation thermique des électrons dans un conducteur produit un bruit
blanc de densité spectrale de puissance �4 I 0V où 0 est la constant de Boltzmann (0 I1,38. 10SJ: J/K et V est la température en Kelvin. Pour une modulation de largeur spectrale
�� (bande de Nyquist), la puissance du bruit est environ égale à �4/��. Comme la durée d'un
symbole est 1/ ��, la puissance du signal est donnée par � I !" �1/��. Il y a donc équivalence
entre rapport d’énergie et rapport de puissance :
!"�# I !" ���#�� I �
� �2.2
La « sensibilité » 9 est le niveau de puissance minimale � pour lequel le rapport !"/�# est
supérieur au seuil de fonctionnement. Dans une échelle logarithmique on a donc :
9 I (!"�#)*�+,-
� � �2.3
Dans le cas du système GSM, le seuil !"/�# est de 8 �@ en présence d'évanouissement sélectif
(fading).
La largeur de la modulation est de 271 ZGH, ce qui donne un bruit thermique de
1,1.10S[J 2< soit U120 �@2 à 290 0. Outre le bruit thermique, le premier étage d'amplification de puissance dans le dispositif de
réception augmente le bruit d'un facteur typique de 8 à 10 �@. En considérant une valeur
de 10 �@, on obtient un bruit de fond de U110 �@2 et une sensibilité minimale de U102 �@2
pour un portatif. Des contraintes différentes sur les facteurs de bruit des stations de bases
expliquent les différentes sensibilités minimales exigées par les recommandations (cf. Chapitre 1).
Les constructeurs peuvent évidemment concevoir des matériels ayant une meilleure sensibilité
mais l'opérateur doit toujours prévoir son réseau pour des mobiles respectant la norme au plus
juste.
13
2.3. Paramètres fondamentaux d'une antenne
Outre les aspects mécaniques, les principales caractéristiques d'une antenne sont :
la bande de fréquence de fonctionnement,
l’impédance (en général 50 ^),
la puissance maximale admissible,
le gain,
le diagramme de rayonnement.
Ces deux dernières classes de paramètres définissent la façon dont l'antenne rayonne dans les
différentes directions ; elles sont particulièrement importantes.
2.3.1. Antenne en émission [8]
2.3.1.1. Gain et diagramme de rayonnement
Une antenne produit un champ électromagnétique d'induction et de rayonnement. Aux distances
habituellement considérées, seul le champ rayonnant subsiste. Il est composé d'un champ
électrique e ���et un champ magnétique h�� orthogonal à e ���. La densité de puissance transportée par
unité de surface s'exprime par le vecteur de Poynting � ��� I N ���^� .����� On caractérise une antenne en comparant son rayonnement par rapport à une antenne de référence.
La référence classique est une antenne isotrope idéale qui rayonne de la même façon dans toutes
les directions, bien qu'une telle antenne soit irréalisable dans la pratique. Une antenne particulière
est définie par deux principales caractéristiques :
le rapport entre la puissance maximale rayonnée (qui correspond à une direction
privilégiée) et la puissance rayonnée par l'antenne isotrope de référence alimentée par la
même énergie est appelé « gain » de l'antenne,
l'évolution du rapport entre la puissance rayonnée dans une direction et la puissance
maximale est appelée « diagramme de rayonnement » ou « diagramme de directivité ».
Le gain de l'antenne est exprimé en �@ mais, pour signifier que l'antenne de référence utilisée est
isotrope, il est d'usage de parler de �@D (pour �@ isotrope). Plus l'antenne est directive, plus le
rayonnement est concentré dans une direction et par conséquent, plus le gain est fort.
Un diagramme de rayonnement correspond à une surface dans l'espace. Pour simplifier les
représentations, on indique la coupe du diagramme suivant un plan vertical et suivant un plan
horizontal conformément aux coordonnées polaires classiques � et �. Les angles � et � sont
14
Azimut
Élévation
φ
θ
10
0 -60°
-32,5° 3
60°
32,5°
0°
Diagramme vertical
(θ=0, φ variable)
1
0 -60°
-32,5° 3
60°
32,5°
0°
Diagramme horizontal
(θ variable, φ= π/2+ tilt)
couramment appelés azimut et élévation (cf. Figure 2-2). Un exemple de diagramme de
rayonnement est donné à la Figure 2-3.
Figure 2-2 Azimut et élévation
Le diagramme de rayonnement permet de déterminer l'ouverture à 3 �@, c'est-à-dire l'angle à
l'intérieur duquel la puissance est atténuée d'au plus 3 �@ par rapport à la direction principale dans
le plan considéré. De façon très synthétique, il est possible de caractériser une antenne par
l'ouverture à 3 �@, l’ouverture à 10 �@ et le rapport avant-arrière, c'est-à-dire le rapport en �@
entre la puissance rayonnée dans la direction opposée à la direction principale et la puissance
rayonnée dans la direction principale.
Figure 2-3 Diagramme de rayonnement
L’antenne représentée possède :
une ouverture horizontale de 65° à 3 �@, de 120° à 10 �@
un rapport avant-arrière supérieur à 25 �@. un tilt électrique de 6°.
Source : d'après catalogue Kathrein, antenne n° 732691
2.3.1.2. Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente
La puissance rayonnée par une antenne est appelée « Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente »
(PIRE) ou Effective Isotropic Radiated Power (EIRP). Elle correspond à la puissance qu’il
faudrait fournir à une antenne isotrope pour obtenir le même champ à la même distance.
Pour déterminer la puissance rayonnée 67��, � dans une direction définie par ��, �, on
décompose le calcul en deux étapes en utilisant les paramètres précédents :
On considère une antenne isotrope fictive dont le gain . est celui de l'antenne étudiée.
15
On applique une perte supplémentaire 1� ��, � dans la direction considérée en utilisant le
diagramme de rayonnement donné par le constructeur.
La PIRE est donc donnée en �@ par:
67��, � I 6 � . U 1���, � �2.4
Où 6 est la puissance fournie à l’antenne.
Pour étudier la portée d'une station de base, on considère la direction principale de l'antenne où le
rayonnement est maximal �D. N. 1� ��, � I 0 �@. En l'absence de précision explicite (ce qui est
le plus souvent le cas), la PIRE est donc :
67 I 6 � . �2.5
Soit, par exemple, une antenne de gain 16 �@D et de diagramme de rayonnement conforme à la
Figure 2-3, et un émetteur de 2 < supposé branché sans perte sur l'antenne. Il fournit ainsi une
puissance de 33 �@2. La PIRE est donc de 33 � 16 I 49 �@2. Dans une direction de 32,5° par rapport à l'azimut, la puissance rayonnée est de 46 �@2 suivant le diagramme représenté.
2.3.1.3. Cas du dipôle élémentaire [10].
L'antenne la plus simple à réaliser consiste en un conducteur de longueur dl, placé verticalement,
appelé « dipôle » ou « doublet élémentaire » [10]. Elle rayonne de façon isotrope dans le plan
horizontal : elle est dite « omnidirectionnelle » (bien que le rayonnement ne soit pas isotrope dans
un plan vertical). Le champ électrique est orthogonal au plan horizontal passant par le centre du
dipôle pour tous les points de ce plan. Le champ magnétique appartient à ce plan ; il est donc
appelé plan H.
Lorsqu’on place deux dipôles en parallèle, le champ électrique appartient au plan vertical passant
par les dipôles pour tous les points de ce plan. Il est appelé plan E.
Les calculs des rayonnements montrent qu'il est intéressant de considérer un dipôle de
longueur �� I λ/2. Ce dipôle a un gain de 2,15 �@ et une ouverture verticale de 78° à 3 �@. Il
est fréquent de considérer, comme antenne de référence, un tel dipôle de longueur �/2 au lieu de
l’antenne isotrope. Au lieu de PIRE, on parle alors de « Puissance Apparente Rayonnée » (PAR)
ou Effective Radiated Power (ERP). Le gain est exprimé en �@� (d pour dipôle). Le gain en �@�
est lié au gain en �@D par :
.�DO3f3 I .�DO3f, U 2,15 �@ �2.6
La PAR se déduit donc simplement de la PIRE :
6Tg I 6�g! U 2,15 �@ �2.7
16
Il est plus facile de raisonner en PIRE qu'en PAR. Dans tout le chapitre, tous les gains sont
exprimés en �@D et tous les raisonnements se font en utilisant la PIRE.
2.3.1.4. Antennes des terminaux GSM/DCS
Les antennes des mobiles et des portatifs sont généralement des dipôles de longueur �/4 appelés «
antenne 1/4 �hRO�N ». Ce type d'antenne repose sur l’hypothèse que la surface de support (sol,
toit d'une voiture) est conductrice et qu'elle réfléchit les ondes. La longueur de l'antenne apparaît
doublée. Dans le plan horizontal, les antennes sont omnidirectionnelles. Le gain théorique est alors
de 3 �@� soit 5,15 �@D. En pratique le support n’est pas un réflecteur parfait et le gain considéré est 0 �@D à la fois pour
les portatifs et pour les antennes sur véhicules.
Pour les antennes montées sur un véhicule, il est possible de disposer d'antennes colinéaires
constituées de deux brins) �/2 qui présentent un gain typique de 5 �@D. Ces antennes sont dites «
à gain ».
Dans tous les cas, il est nécessaire de prendre en compte l'environnement immédiat. Le
rayonnement d'une antenne placée sur l'aile d'un véhicule n'est pas le même que lorsqu'elle se
trouve au centre du toit.
Pour les portatifs, le corps humain situé à proximité de l'antenne induit un masque supplémentaire
typique de 3 �@.
2.3.1.5. Antennes des stations de base GSM/DCS
Plusieurs types d'antennes de station de base sont disponibles suivant l'environnement à couvrir:
antennes omnidirectionnelles à monter en extérieur et principalement destinées aux zones
rurales,
antennes directionnelles en forme de panneaux, à installer en extérieur sur des mâts et
utilisées pour couvrir les zones urbaines et aussi rurales,
antennes cylindriques omnidirectionnelles à monter en intérieur, se présentant comme un
cylindre,
antennes directionnelles panneaux pour intérieur ou extérieur.
Les antennes omnidirectionnelles offrent un gain variant de 2 �@D (il s’agit alors d'un simple
dipôle λ/2) à 11 �@D. Dans ce dernier cas, l'ouverture verticale à 3 �@ est de 6,5°, la hauteur, de 3
mètres pour GSM 900 et de 1,6 mètre pour DCS 1800.
17
Les antennes directionnelles présentent un gain pouvant aller jusqu’à 18 �@D. De la même façon
que pour les antennes omnidirectionnelles, plus l'antenne est haute plus le gain est grand.
L'ouverture verticale à 3 �@ est de 6,5° (pour une antenne 18 �@D), c'est-à-dire que l'énergie est
concentrée dans un plan horizontal contenant l'antenne. Or celle-ci est généralement montée en
hauteur pour être dégagée des obstacles proches. Il est donc intéressant d'incliner l'antenne de
quelques degrés vers le bas afin de bien couvrir le sol. Cette opération s'appelle le « down-tilt » ou
simplement « tilt ». Elle peut être mécanique ou bien obtenue électriquement en jouant sur les
déphasages des signaux sur les différents dipôles constituant l'antenne. Les constructeurs
proposent des antennes avec un tilt électrique de 2 à 10° (cf. Figure 2-3).
Le rayonnement est modifié par l'environnement proche de l’antenne : autres antennes à
proximités, obstacles, corps etc.
Dans la pratique, on essaye de dégager l'antenne pour que l'influence de l'environnement soit
négligeable en contexte macro cellulaire.
En environnement micro-cellulaire ; l'antenne est généralement installée contre un mur, le
rayonnement est alors directionnel même pour une antenne omnidirectionnelle.
Les antennes sont en général adaptées à une bande de fréquence particulière. Il existe cependant
des antennes d'intérieur multi-bandes qui peuvent être utilisées à la fois pour GSM 900 et pour
DCS 1800.
2.3.2. Antenne en réception [10].
Une antenne de réception recueillie l'énergie d'une onde électromagnétique plane incidente pour
alimenter une ligne aboutissant au récepteur. La puissance recueillie est proportionnelle à la
densité surfacique de puissance i au point de l'antenne avec un coefficient appelé « aire
équivalente » et parfois « surface de captation ». Par définition, on a donc :
jk I i. l�m, n �2.8
Avec : � ��� I N ���^� .����� est le vecteur de Poynting des champs électriques et magnétiques et ��, � les
angles d'incidence de l'onde.
Une antenne est donc caractérisée par son gain en émission et son aire équivalente en réception.
La même antenne peut être utilisée soit à l'émission soit à la réception. Gain et aire équivalente
���, � sont liés, d'après le principe de réciprocité de l'électromagnétisme, par la relation suivante
que nous admettons [10]:
18
o�m, nl�m, n I pq
rs �2.9
Où � est la longueur de l'onde rayonnée.
L’antenne isotrope de référence a un gain I 1 et donc une aire équivalente � I tuvw .
2.4. Propagation en espace libre [9].
Étudions d’abord l’antenne isotrope branchée sur un émetteur d'une puissance � créant une onde
sphérique dans le vide complet. L’ensemble de l’énergie émise serait récupéré par une sphère
centrée autour de l'émetteur. La densité surfacique i de puissance à une distance x est donnée par :
� I �4y�J �2.10
La puissance �� captée par l'antenne isotrope de référence se déduit de (2.8) et (2.9) :
�� I �. �J4y I �. ( �
4y�)J �2.11 Cette équation permet de calculer la puissance reçue en fonction de la puissance émise et de la
distance entre les antennes isotropes.
Si on considère deux antennes de gain respectif � et � dirigées de façon à obtenir le gain
maximal, la puissance reçue par l'antenne de réception peut être calculée par le même
raisonnement (c étant la vitesse de la lumière) :
�� I �. � . � . ( �4y�)J I �. � . �
z4y {J . �J. �J �2.12
Dans cette équation de propagation dans le vide, le dénominateur est indépendant des antennes et
correspond à un affaiblissement fonction de la distance seule pour � fixé. Dans le cas d'une
propagation dans un milieu comportant des obstacles et des réflecteurs, on essaye de se ramener à
une formule similaire avec un facteur d’atténuation �, obtenue à partir de formules empiriques :
�� I �. � . � . � �2.13
Le facteur � dépend de paramètres plus ou moins nombreux suivant la sophistication du modèle de
propagation utilisé. On fait de plus l’hypothèse que le rayonnement des antennes n’est pas
perturbé par l’environnement.
L’équation (2.13) peut s’exprimer en �@ et devient :
6� I 6 � .� � .� U 1 �2.14
19
Pour la propagation dans le vide, on peut calculer à partir de (3.12) :
1 I 32,4 � 20 . �R �� � 20. �R �� �2.15
Avec � exprimé en Z2 et � en |GH.
Pour que cette équation de propagation dans le vide soit applicable, il est nécessaire non seulement
qu'il n’y ait aucun obstacle sur le segment de droite reliant l’émetteur situé au point A au récepteur
situé au point B, mais il faut un environnement dégagé. Plus précisément, il faut que l'ellipsoïde
dont les points focaux sont A et B et dont le « petit diamètre » est }��. T@ ne contienne aucun
obstacle [9]. Cet ellipsoïde s’appelle « ellipsoïde de Fresnel ». Pour une fréquence à 900 |GH et
une distance de 1 Z2, il faut donc un dégagement de 18 2èEPN� (13 2èEPN� à 1800 |GH) de
part et d’autre du segment de droite AB pour avoir une propagation en espace libre. On voit donc
qu’il y a rarement visibilité directe dans le contexte radio mobile en macro-cellulaire.
2.5. Les modèles de propagations
En communications radio mobiles, les signaux radioélectriques reçus par les stations comprennent
un certain nombre de composantes. Un signal comporte éventuellement l'onde émise en trajet
direct mais également les contributions des ondes réfléchies, des ondes réfractés et des ondes
diffractés par l'environnement (immeuble, arbre, montagne, etc.). Il est rare que l'émetteur et le
récepteur soient en visibilité directe. Un récepteur ne reçoit très souvent qu’un ensemble d’ondes
réfléchies correspondant à des « trajets multiples ».
Le signal est donc affecté par de nombreuses distorsions possibles :
de fréquence (due à l’effet Doppler : mouvement des émetteurs-récepteurs et des différents
réflecteurs),
d'amplitude (évanouissement de Rayleigh ou fading due aux trajets multiples),
de phase (dispersion des temps de propagation sur les trajets multiples).
Ces phénomènes sont déterministes si les différents trajets sont bien identifiés. Cependant, ils
fluctuent dans le temps et dépendent d’une multitude de paramètres qui ne sont pas maîtrisables :
l'environnement urbain évolué (construction ou destructions d'immeubles),
les véhicules et les personnes en déplacement ont également une influence, de même que
les saisons etc.
Il n’est donc pas possible, connaissant la place et la puissance de l’émetteur, de prédire avec
précision le niveau de champ reçu en un point donné. Les équations de propagation utilisent donc
des lois de probabilité pour intégrer une incertitude sur les prédictions.
20
2.5.1. Modèle général à trois étages
Dans les cas les plus courants, le récepteur et l'émetteur ne sont pas en visibilité directe. On
approxime fréquemment l'atténuation du canal par un modèle à 3 étages :
une atténuation médiane due à la distance,
un terme aléatoire prenant en compte les effets de masque (présence d'obstacles)
et un autre terme aléatoire décrivant les évanouissements.
L'atténuation, exprimée comme un rapport de puissance, s'écrit alors :
1� I ( 1
����, �) �5. �� �2.16
2.5.1.1. Affaiblissement de parcours
L'atténuation médiane �� est appelée affaiblissement de parcours ou Path Loss. Elle est fonction de
la fréquence et de la distance. Pour une gamme de fréquence donnée, le facteur �� est
proportionnel à �� �MN � I 3,5. 2.5.1.2. Effet de masque
L'effet de masque �5 est modélisé par une loi log-normale (en �@, la loi est donc normale). Il
représente une variation sur les conditions de propagation, tantôt favorable (par exemple visibilité
directe), tantôt défavorable (par exemple lors de la présence d'un obstacle important entre
l'émetteur et le récepteur). En environnement urbain, l'écart type de la loi a une valeur typique
de 6 �@. En résumé, la fonction de répartition de �5 exprimé en �@ est donnée par :
6�T5 � ��@ I 1�√2y � NS +u
J�u�
�. �Q �MN � I 6 �@ NE T5 I 10. �R ��5 �2.17
2.5.1.3. Évanouissement [7].
L'évanouissement est dû à la réception simultanée de signaux d'amplitudes aléatoires et de phase
aléatoire correspondant aux différents trajets d'un même signal. L'enveloppe v du signal reçu (i.e.
l'amplitude du champ) est modélisée par une loi de Rayleigh :
6�M � � I 1 U NS �uwv.��u M� �� M��NQP 2R�NOON �N M. �2.18
De ce fait, l'évanouissement est appelé couramment évanouissement de Rayleigh, fading de
Rayleigh ou bien évanouissement rapide.
21
Si la largeur de bande du canal utile est inférieure à la bande de cohérence du canal de propagation
alors l'évanouissement est plat, sinon il est sélectif. Le coefficient �� , exprimé comme un rapport
de puissance, vérifie une loi exponentielle [7].
L'évanouissement sélectif peut conduire à des variations du signal reçu de l'ordre de plusieurs
dizaines de �@ et dépend de multiples facteurs tels que la modulation utilisée, la vitesse du
mobile etc. En général, son effet est atténué par l'utilisation de la diversité d'espace ou de
fréquence, le codage de canal et l'entrelacement. Lors des prévisions de couverture,
l'évanouissement n’est pas analysé en détail par les modèles statistiques de propagation. Il est pris
en compte en ajoutant une marge aux niveaux de champs nécessaires.
2.5.2. Modèles en macrocellules [12] [22].
A partir de nombreuses mesures effectuées dans les environs de Tokyo à différentes fréquences,
Y. Okumura a calculé l'affaiblissement médian en fonction de la distance et en a déduit des
graphiques permettant des prévisions en fonction de divers paramètres [22]. M. Hata a établi, à
partir de ces courbes, des formules empiriques qui ont été reprises dans le rapport 567-4 du CCIR
[12]. Ces formules ont été complétées par le COST 231 (European COoperation in the field Of
Scientific and Technical research, ensemble de comités réunissant des constructeurs et opérateurs
européens travaillant sur des questions spécifiques parmi lesquels le 231 étudie la propagation).
Ce modèle est souvent désigné sous le terme de formule d’Okumura-Hata et sert de base à une
grande variété de modèles plus affinés.
Les modèles de Hata et du COST 231-Hata s’appliquent pour des tailles de cellules relativement
grandes (de rayon supérieur ou égal à 1 Z2) et surtout lorsque l'antenne de la station de base est
située au-dessus des niveaux des toits avoisinants.
Les conditions d'applications du modèle sont les suivantes :
hauteur de l'antenne de la station de base �� (en mètres) comprise entre 30 et 200 m,
hauteur de l'antenne du mobile �� (en mètres) comprise entre 1 NE 10 2, distance entre le mobile et la station de base � (en kilomètres) entre 1 NE 20 Z2,
fréquence exprimée en |GH.
22
2.5.2.1. Modèle de Hata
Le modèle de Hata s'applique aux fréquences comprises entre 150 et 1 000 MHz.
• En milieu urbain, l'affaiblissement en �@ appelé ici 1+ est donné par :
1+ I 69,55 � 26,16. �R �� U 13,82. �R ��� U ���� � �44,9 U 6,55. �R ����. �R �� �2.19
Le paramètre ���� est un facteur de correction dépendant de la hauteur de l’antenne de la station
mobile et de l'environnement dont la valeur est :
���� I �1,1. �R �� U 0,7�. �� U �1,56. �R �� U 0,8� �RQP QON MD��N �N E�D��N 2R�NOON. ���� I 3,2��R �11,75. ���J U 4,97 �RQP QON P�O�N MD��N �NE �Q �N��Q� �N 400|GH.
Dans le cas d'un utilisateur au sol, c'est-à-dire pour une hauteur de 1,5 2, le coefficient ���� est
tout à fait négligeable.
• En milieu suburbain, l'affaiblissement 15+ exprimé en �@ est donné en appliquant la
formule du milieu urbain (4.4) affectée d'une correction :
15+ I 1+ U 2. ��R ( �28)�J U 5,4. �2.20
• En milieu rural, on distingue le cas où l'environnement est totalement dégagé comme dans
un désert (affaiblissement 1�4) ou bien semi-dégagé comme dans une campagne
sympathique (1��4) :
1�4 I 1+ U 4,78. ��R ���² � 18,33. �R �� U 40,94 �2.21
1��4 I 1+ U 4,78. ��R ���² � 18,33. �R �� U 35,94 �2.22
2.5.2.2. Modèle COST 231-Hata
Le modèle COST 231-Hata s’applique aux fréquences comprises entre 1500 et 2 000 MHz.
• En milieu urbain, l’affaiblissement 1+ exprimé en �@ est donné par :
1+ I 46,33 � 33,9. �R �� U 13,82. �R ��� U ���� � �44,9 U 6,55 . �R ����. �R ��� �� �2.23
Avec
���� I �1,1 . �R �� U 0,7� . �� U �1,56 . �R �� U 0,8� �RQP QON MD��N �N E�D��N 2R�NOON, �� I 0 �@ �RQP �N� MD��N� �N E�D��N 2R�NOON NE �N� C�O�DNQ�N�,
�� I 3 �@ �RQP �N� P�O� NOEPN� 2éEPR�R�DE�DO�. Le Tableau 4-7 de l’annexe 3 illustre l'application des formules précédentes dans le cas de GSM et
de DCS 1800 pour une antenne mobile à 1,5 m.
23
2.5.2.3. Modèle de Walfish-Ikegami
Les formules d'Okumura-Hata s'appliquent pour des distances supérieures à 1 Z2. Le modèle de
Walfish-Ikegami repris par le COST 231 est valide, pour des distances supérieures à 20 2,
lorsque l'antenne de station de base est située au-dessus du toit mais à côté de bâtiments plus
élevés. Il permet d'estimer l'affaiblissement de parcours en fonction de multiples paramètres
largeur des rues, hauteur et longueur des immeubles entre deux rues, angle de la rue par rapport au
trajet direct etc.
2.5.3. Modèle en micro-cellulaire
En milieu urbain, lorsque l'antenne de la station de base est située en dessous du niveau des toits et
que les puissances d'émission sont faibles, la zone couverte est appelée « microcellule ». Si le
mobile est en visibilité de la station de base (LOS, Line Of Sight), le trajet direct de l'onde est
prépondérant devant les diffractions et les réflexions. L'affaiblissement est estimé par la formule
suivante, proposée par le comité COST 231 :
1-45 I 42,6 � 20. �R �� � 26. �R �� �RQP � � 0,02 02. �2.24
Elle est pertinente pour des fréquences de 800 à 2 000 |GH, une antenne mobile entre 1 NE 3 2 et
une antenne de station de base entre 4 NE 50 2. Un modèle simple, lorsque le mobile ne se trouve plus dans la même rue que la station de base
consiste à considérer que les ondes se propagent le long des rues comme dans un guide d'onde, et
à compter la distance suivant les rues. Il est possible d'utiliser alors la formule (2.24) et d'ajouter
20 �@ de perte supplémentaire par coin de rue.
1-45 I 42,6 � 20. �R �� � 26. �R �� U O. 20 �RQP � � 0,02 02. �2.25
De nombreux autres modèles micro-cellulaires plus sophistiqués existent.
2.5.4. Propagation à l'intérieur des bâtiments [13] [15] [16] [19].
L'atténuation supplémentaire apportée par la « traversée » de bâtiment dépend de la nature des
murs (brique, bétons armés, etc.) et de leur épaisseur, Des mesures ont été faites à
900 |GH NE à 1 800 |GH dans des conditions différentes par des équipes différentes. Les
résultats sont divers et variés (voir [16], [15], [19] et [13]). Il n'y a pas d'étude publié permettant
de faire une réelle comparaison.
Il est cependant possible de souligner les phénomènes généraux suivants :
24
la pénétration d'une onde n’est pas possible lorsque l'épaisseur de l'obstacle est bien
supérieure à la longueur d'onde,
une onde pénètre via une ouverture dont la taille est au moins de l'ordre de la longueur
d'onde,
les phénomènes d'évanouissement sont beaucoup plus sévères à l'intérieur des bâtiments.
Plus la fréquence est haute, moins la pénétration (par réfraction) est importante et par conséquent
plus les réflexions sont grandes. L'effet guide d'onde est donc plus important à 1 800 |GH qu'à
900 |GH et peut avoir tendance à favoriser la propagation à l'intérieur d'un bâtiment. Cependant,
si l'émetteur est à l'extérieur du bâtiment, la bande des 900 |GH est favorisée grâce à une
pénétration plus facile.
Des études à 900 |GH font apparaître une perte supplémentaire de 12 �@ à moins de 1
mètre d'une fenêtre et une perte moyenne de 18 �@ à l'intérieur des bâtiments avec des
variations allant de U 8 �@ à 37 �@.
Des études à 1800 |GH font apparaître des pertes de 12 à 17 �@ avec une valeur typique
de 15 �@ pour des bâtiments en béton.
En conclusion, il est difficile de dire avec certitude qu'une gamme de fréquence est plus adaptée
que l'autre à la couverture de l'intérieur des bâtiments avec des stations de base extérieures.
2.6. Prévision de couverture et équilibrage de liaison
L'opérateur doit d'abord choisir les sites sur lesquels il veut placer les stations de base. Le choix se
fait en fonction des prévisions de propagation mais aussi en fonction de contraintes
administratives ou autres (disponibilité de toits et coût de location des emplacements !).
2.6.1. Relations entre champ électrique et puissance [5]
Les outils de prédiction de couverture permettent, à partir d'une localisation de la station de base,
de la PIRE et du diagramme de rayonnement, de calculer le champ électrique en un point. Ils
utilisent pour cela des modèles de propagation sophistiqués. En toute rigueur, il n’est pas possible
de calculer la puissance reçue par un mobile car celle-ci dépend de l’antenne utilisée. Les niveaux
de champs sont fréquemment exprimés en �@�M/2. Il est utile de rappeler les relations entre
champs, niveau de tension et puissances et de donner quelques formules simples de transformation
pour l'antenne isotrope.
25
Rappelons d'abord que le �@ permet d'exprimer l'accroissement (ou la réduction) de niveau
par rapport à un niveau de référence implicite suivant une échelle logarithmique. En référence à
une unité de puissance, une valeur de � �@. Q équivaut à 10�/[�Q. Pour une unité v de tension,
une valeur de � �@M équivaut à 10�/J�M De cette façon un accroissement de tension de � �@
provoque un accroissement de puissance de � �@.
Les niveaux de références classiques en contexte radio mobile sont 1 2< ou 1 < pour les
puissances, 1 μ� pour les tensions et 1 μ� / 2 pour les champs. On a donc, pour une puissance
� exprimée en <, des niveaux respectifs 6 exprimé en �@2 et 6h exprimé en �@< :
6� I 10. �R (61) �2.26
6 I 10. �R ( 60,001) I 6� � 30 �2.27
Un niveau � exprimé en �@�� est lié à une tension v exprimé en volts :
� I 20. �R z M10S�{ I 20. �R �M � 120 �2.28
On sait qu'une tension (efficace) M appliquée aux bornes d’une impédance H produit une puissance
� telle que :
� I MJH �2.29
Il est donc possible de relier les niveaux de puissance aux niveaux de tension si l'impédance
utilisée est connue. Suivant le contexte, cette impédance varie : elle est de 600^ en téléphonie
mais généralement de 50 ^ en radio. On peut déduire de (2.28) et (2.29) la relation (pour une
référence de 50 ^) :
� I 6 � 107 Rù dBμ� N�E NO MR�EN NE 6 NO �@2 �2.30
Le champ électrique est lié au champ magnétique, dans le vide ou l'air, par la relation suivante
déduite des équations de Maxwell [5] :
N� I 120y �2.31
La valeur 120π � représente l'impédance d'onde du vide (la valeur π n'a pas ici de signification
géométrique). Les deux vecteurs sont orthogonaux loin de l'antenne d'émission.
Soit une antenne de gain P captant une onde électromagnétique, la puissance � reçue est donnée
par l'égalité suivante déduite de (2.31), (2.4) et (2.5) :
� I �N�. � . �J4y NJ � . �J
480yJ �2.32
26
En notant respectivement par 6 et ! les puissances et champs exprimés en �@2 et �@μ�/2 et en
exprimant la relation avec la fréquence � en |GH, on peut établir :
! I 6 U .� � 20. �R �480. yJ9 . 10� �2.33
Pour une antenne isotrope, on a donc :
! I 6 � 20. �R �� � 77,2 Rù � N�E NO |GH, ! NO �@��/2 NE6 NO �@2 �2.34
L’ensemble des résultats peut se résumer dans le Tableau 4-8 de l’annexe 3.
2.6.2. Détermination du seuil de couverture [2].
L'opérateur doit vérifier à partir des modèles de propagation que les zones sur lesquelles il veut
offrir de service sont couvertes avec une qualité suffisante. Il faut s'assurer que sur la zone de
service, la puissance reçue est au minimum supérieure à la sensibilité du récepteur.
Le seuil choisi par l'opérateur doit intégrer plusieurs marges :
en zone urbaine, une marge due à la réutilisation des fréquences (cf. 2.7.2.3)
et de façon générale, une marge due à l’effet de masque.
Les modèles de propagation permettent de prévoir l'affaiblissement médian mais n'intègrent pas
l'effet de masque. On réalise en général une couverture avec un certain niveau de qualité en
intégrant une certaine marge. Par exemple, on veut que sur 90 % de la zone de service, le champ
reçu soit supérieur à un seuil donné (U102 �@2 pour le système GSM).
En supposant une atténuation conforme au modèle à 3 étages présenté plus haut et en négligeant
les évanouissements, il est possible de convertir la fonction de répartition du signal reçu sur un
disque de rayon R en une fonction de répartition sur un cercle de rayon R. Pour un effet de masque
d'écart type 7 �@ et un affaiblissement en 1/�:,�, si 75 % des échantillons sont au-delà d'un seuil
sur le périmètre, alors 90 % des échantillons sur toute la surface à l’intérieur de ce périmètre se
trouvent au-dessus du seuil [2].
Or, pour une distribution normale, 75 % des échantillons sont supérieurs à la valeur 2 U 0,7� où
2 est la moyenne et � l'écart type de la distribution. Pour assurer le niveau requis, on intègre une
marge de 0,7 σ soit 5 �@ sur le champ moyen à la périphérie.
Le cumul de toutes les marges permet de déterminer le seuil de couverture. Avec la configuration
du
Tableau 4-9 de l’annexe 3, le seuil nécessaire est de U94 �@2 pour une sensibilité de -102 dBm.
L'opérateur considérera que la couverture est assurée. Partout où les modèles de propagation
27
donneront une puissance médiane supérieure à U94 �@2 ou de façon équivalente un champ de
42 �@μ�/2. S'il veut assurer une couverture à l'intérieur des bâtiments, il doit considérer un seuil
de U79 �@2 à l'extérieur, soit un champ médian de 57 �@μ�/2.
Pour couvrir certaines zones particulières (sous-sols de bâtiments, tunnel, autoroute), l'opérateur
peut utiliser des techniques spécifiques installations de répéteurs, utilisation de câbles rayonnants
pour les tunnels, utilisation d'antennes directives pour les couvertures d'autoroute.
2.6.3. Équilibrage de la liaison
A partir du seuil intégrant les différentes marges, l'opérateur peut déterminer la couverture obtenue
en fonction de la puissance des émetteurs. La couverture se calcule à partir des modèles de
propagation et intègre le gain des antennes et les pertes dues aux câbles et aux couplages. La
puissance des émetteurs peut ainsi être ajustée pour assurer une bonne couverture.
L’usager du réseau a une indication du champ reçu sur son portatif et qui lui permet d'avoir
l'assurance que la liaison descendante est de bonne qualité. Sans équilibrage préalable, il n’est pas
évident que la liaison montante soit de qualité équivalente. Si une station de base transmet à très
forte puissance, un portatif (émetteur de faible puissance) peut recevoir un signal très important et
ne pas être reçu par la station de base lorsqu’il transmet.
L’équilibrage de la liaison consiste à choisir des gains d'antenne et éventuellement placer des
atténuateurs pour que la puissance du signal reçu sur la voie montante soit voisine de celle reçue
sur la voie descendante lorsque le terminal est en limite de portée. La qualité perçue par les deux
intervenants d'une communication est alors voisine.
Pour disposer de terminaux qui soient économiques et de dimensions réduites, on admet de faibles
puissances et une sensibilité moyenne. Dans un réseau macro cellulaire, les cellules sont de grande
taille et en nombre moyen, on optimise donc l'émission et la réception des BTS en choisissant des
antennes de fort gain et en utilisant la diversité spatiale (cf. 2.6.5). En contexte urbain très dense,
l'opérateur déploie un grand nombre de BTS couvrant des microcellules, les caractéristiques des
mobiles et des BTS sont alors voisines.
2.6.4. Bilan de liaison
L'ensemble des paramètres introduits dans l’équation (2.1) est habituellement repris sous forme
d’un tableau synthétique permettant de vérifier l'équilibrage de la liaison et d’indiquer les seuils de
couverture et de puissance à fixer.Des exemples de bilan de liaison sont donnés aux
28
Tableau 4-9, 4-10 de l’annexe 3 pour des liaisons équilibrées. Les différents seuils et marges pris
en compte sont proposés par la norme. Les opérateurs adaptent ce schéma de base en le raffinant
suivant les environnements en fonction de leur expérience : une grande part du savoir-faire des
opérateurs repose sur cette connaissance des paramètres à prendre en compte pour que la
couverture réelle soit proche des prévisions théoriques.
Les deux bilans de liaison supposent que les mobiles émettent à la puissance nominale mais la
norme admet une tolérance de A2 �@ sur les valeurs annoncées:
cette tolérance peut déséquilibrer la liaison et réduire de 2 �@ l’affaiblissement maximal
supportable,
la portée est réduite d'environ 230 mètres en extérieur et de 100 mètres en intérieur.
2.6.5. Utilisation de la diversité [4] [6] [18].
La liaison montante est généralement plus difficile à assurer que la liaison descendante, car la
puissance des terminaux est limitée. L’évanouissement sélectif en fréquence peut provoquer des
affaiblissements très sévères. Il a été expérimentalement déterminé [18] qu’en deux points distants
de dix à vingt longueurs d'onde sur un même plan horizontal, les réceptions d'un même signal sont
corrélées avec un coefficient égal à 0,7.
Il est intéressant d'utiliser, à la station de base avec plusieurs antennes de réception de façon à
recevoir le même signal venant des différents trajets. Cette technique est appelée « diversité
spatiale ».
Il y a plusieurs méthodes de combinaisons des signaux reçus sur les différentes antennes [4], [6] :
sélection du meilleur signal (switching combining),
combinaison des signaux avec le même poids (equal gain combining),
combinaison des signaux affectés de poids proportionnels à leurs niveaux (maximal ratio
combining).
L'utilisation de la diversité spatiale permet d'améliorer le rapport E%/N' du signal reçu d'environ
5 �@. Elle est couramment utilisée avec des distances typiques entre antennes de 3 à 6 mètres
2.7. Les différents types de planifications cellulaires
La planification de réseaux cellulaires consiste à mettre en place des sites BTS utilisant de
différents canaux sur l’ensemble des zones géographiques à couvrir. Dans la pratique, il nécessite
l’optimisation du placement, sous les deux contraintes de type radio et trafic.
29
Il s’agit de tester, en fonction du type d’antenne, de sa puissance d’émission et de son orientation,
la zone couverte par l’émetteur. Vu que la bande de fréquence attribuée à un opérateur est limité.
Elle est basée sur la réutilisation des ressources fréquentiels dans des sites distants suffisamment
éloigné en tenant compte le minimum d’interférence possible.
Dans un déploiement fixé, la réutilisation de fréquences est limitée par le rapport �/�� � �
(rapport porteuse/bruit). Il faut donc trouver un compromis entre ce rapport afin de garder une
qualité de service suffisante pour tous les usagers. Ensuite, il faut optimiser la capacité du système
implanté pour qu’il soit économiquement valable pour l'opérateur.
Pour ce faire, on va voir deux cas, la première se fait en négligeant l’évanouissement sélectif et
l’effet de masque, tandis que le second fait référence à l’introduction de ces deux paramètres.
2.7.1. Réutilisation des ressources [3].
L'opérateur dispose d'une zone à couvrir et d'une bande de fréquences. Dans les systèmes tels que
GSM, cette bande est partagée en deux sous bandes dont l'une est utilisée pour les liaisons mobiles
vers infrastructure (liaison montante) et l'autre pour le sens infrastructure vers mobiles (liaison
descendante). Chaque sous bande est ensuite partagée en un certain nombre de porteuses. Une
porteuse peut écouler une ou plusieurs communications simultanément.
D'autre part, la zone à couvrir est découpée en « cellules ». On affecte ensuite à chaque cellule (à
chaque station de base), un certain nombre de porteuses de la bande en fonction du trafic estimé
dans cette cellule. Il est possible de réutiliser une même porteuse dans des cellules différentes si
celles-ci sont suffisamment éloignées. La réutilisation de fréquences permet donc à un opérateur
de couvrir une zone géographique d'étendue illimitée en ayant recours à une bande de fréquences
de largeur limitée.
Ainsi, grâce au concept de réutilisation de fréquence, l'architecture cellulaire permet d'atteindre
potentiellement une capacité illimitée (en nombre d'usagers par unité de surface) [3]. Cependant,
la réutilisation de la même fréquence radio à l'intérieur d'une zone géographique limitée (telle une
ville) pose un ensemble de problèmes complexes. Un mobile va recevoir non seulement un signal
utile provenant de la station de base à laquelle il est rattaché mais aussi des signaux interférents
provenant des stations de base utilisant la même fréquence dans des zones voisines.
30
2.7.1.1. Modèle hexagonal classique
On considère une station de base servant une cellule. Si on néglige les évanouissements sélectifs et
l'effet de masque, un canal radio présente seulement une atténuation dépendant de la distance
séparant l'émetteur du récepteur. Avec ce modèle de propagation, une cellule est un cercle.
On cherche à couvrir le territoire par un ensemble de cellules. Soit un large territoire homogène à
couvrir par des cellules de même dimension. Sur l'ensemble de ce territoire, la même loi de
propagation s'applique et la puissance de tous les équipements (Station de Base et Station Mobile)
est constante. La demande en trafic est uniformément répartie, le même nombre de porteuses est
donc affecté à chaque station de base.
On appelle « motif » le plus petit groupe de cellules contenant l'ensemble des canaux une et une
seule fois. Ce motif est répété sur toute la surface à couvrir. La distance minimale entre deux
émetteurs utilisant la même fréquence est appelé la « distance de réutilisation ». Plus le motif
est grand, plus la distance de réutilisation, exprimée en nombre de cellules, est grande.
Déterminons le motif minimal pour un système donné, c’est-à-dire le motif qui donne pour
l'ensemble des points de la cellule, et dans tous les cas de fonctionnement du système, une qualité
de réception suffisante.
Nous allons faire l'analyse sur la liaison descendante, la liaison montante peut être étudiée de
manière similaire. Considérons un mobile dans une cellule particulière. Il reçoit un signal utile de
puissance � de sa station de base et des signaux perturbateurs de deux types :
des interférences
et du bruit. Les interférences sont dues aux stations en émission sur la même fréquence (interférences co-
canal) et aux stations en émission sur des fréquences voisines (interférences de canaux adjacents).
On désigne par �, la puissance totale des interférences.
La puissance du bruit est notée �., elle corresponde principalement au bruit de fond du récepteur.
Le rapport �/�� � � permet d'apprécier la qualité du signal reçue.
Le seuil �/�� � � au-delà duquel la réception est correcte est une des caractéristiques
essentielles d'une interface radio. Il dépend du type de transmission utilisée sur la voie radio.
La planification cellulaire consiste à déterminer la taille du motif nécessaire pour avoir un
certain �/�� � �. Il est clair que plus le �/�� � � seuil est bas, plus la distance de réutilisation
sera faible. Ainsi, la taille du motif pourra être réduite.
31
D
R
2.7.1.2. Motifs réguliers et distance de réutilisation
Considérons une cellule particulière, les centres des cellules utilisant la même fréquence sont
situés sur un ensemble de cercle autour de cette cellule. Ces cercles sont appelés « couronnes ».
Le rayon du plus petit cercle correspond à la distance de réutilisation . Ce cercle comporte
toujours six cellules, quelque soit la taille du motif.
On peut démontrer que la distance de réutilisation est donnée par la relation :
I g. √30 �2.35
Où g est le rayon de la cellule et 0 est la taille du motif Cellulaire
Figure 2-4 Distance de réutilisation
2.7.1.2.1. Systèmes limités par le bruit
Considérons d'abord le cas d'une zone étendue avec une très faible demande en trafic. L'opérateur
peut, en première déploiement, utiliser une seule cellule pour l'ensemble de la zone. Dans ce cas,
les interférences Co-canal et canaux adjacents sont négligeables devant le bruit: � ¢¢ �.
Le rapport �/�� � � devient ici un simple rapport signal sur bruit �/� égal au !£/�# (cf.2.2) Il
suffit tous simplement qu’en tout point de la cellule, le signal reçu ait une puissance supérieure à
la sensibilité du récepteur pour que la qualité des signaux reçus soit acceptable. La taille de la zone
à couvrir détermine donc la puissance nécessaire sur les émetteurs. Comme cette puissance est
limitée par la norme, le découpage en cellules est donc réalisé pour uniquement des questions de
couverture mais non par la mise en œuvre de la réutilisation de ressources.
La taille des cellules est déterminée par l'ensemble des points pour lequel le signal est supérieur
avec une certaine marge au bruit du récepteur �. On désigne un tel système par le terme « système
limité par le bruit » (noise-limited system).
C'est le cas typique des zones rurales qui sont faiblement peuplées. Les mêmes fréquences peuvent
être réutilisées sur des sites très éloignés, ce qui revient à utiliser des motifs avec des cellules de
grande taille.
32
Figure 2-5Motif régulier pour la première planification
2.7.1.2.2. Systèmes limités par les interférences
Si l’opérateur veut disposer de beaucoup de canaux sur chaque station de base, il va réutiliser au
maximum les fréquences. L'interférence Co-canal va être prépondérante par rapport à tous les
autres brouillages: � ¢¢ �. Le rapport �/�� � �a donc la forme :
�� I �
∑ �¥¥¦f§ �2.36
Où @, est l'ensemble des stations de base en émission sur la fréquence de réception du mobile et
�¥ est l'interférence reçue sur la Z U è2N cellule de la 1èPN couronne.
Il faut donc estimer le �/� minimal sur la cellule. Le �/� est calculé dans le pire cas qui
correspond aux conditions suivantes :
La totalité des stations de bases en émission sont avec une puissance 6N �RO�E�OEN,
Le mobile se trouve à une distance g de la station de base.
On a donc :
� I ¨. 6� . gS� �2.37 �¥ I ¨. 6� . ¥S� �2.38
Où ¥ est la distance entre le mobile et la Z U Dè2N station de base interférente et ¨ un coefficient
de proportionnalité.
Il est possible de considérer seulement les six stations de base de la première couronne et de
négliger l'interférence créée par les autres cellules.
Pour ces six cellules, la distance ¥ peut de plus être approximée par la distance L’interférence
totale peut donc être approximée par:
� I 6. ¨. 6� S� �2.39
Ainsi, le rapport �/� a la forme:
�� I 1
6 zg {� I �8�6 I ©√3. 0ª�
6 �2.40
33
Figure 2-6. Seuil de protection sur les canaux adjacents
Le rapport �/� s'exprime donc uniquement en fonction de /g et ne dépend pas des puissances
utilisées. C’est pourquoi /g est parfois appelé « facteur de réduction d’interférence ».
En utilisant l'expression de 0 en fonction de /g, on peut déduire le motif nécessaire pour un
seuil de fonctionnement �/� donné.
On a:
0 I z6. �� {J�
3 �2.41
En pratique �/� � 10 �@, et γ compris entre 2 à 4 selon le modèle d’affaiblissement considéré.)
2.7.2. Étude du modèle hexagonal classique
2.7.2.1. Cas des systèmes TDMA/FDMA
Le calcul précédent a été réalisé en raisonnant sur l'affectation des fréquences aux stations de base.
Il s'applique donc directement sur les systèmes FDMA purs.
La majorité des systèmes numériques sont des systèmes FDMA/TDMA. En général, on réalise la
planification en affectant les fréquences aux sites : le calcul précédent s'applique donc également à
ce cas. Il est a priori difficile de réaliser la planification canal radio par canal radio (i.e. un
intervalle de temps sur une fréquence radio) dans un système FDMA/TDMA. Si l'on considère la
liaison montante, les trames ne sont pas forcement synchronisées entre cellules différentes. De
plus, le délai de propagation intervient de sorte qu’un mobile peut être brouillé par des mobiles
différents au cours d'une même émission car les slots de cellules différentes peuvent se
chevaucher. Il n’est donc plus possible de dire qu'une émission est interférée par exactement six
émissions sur le même canal.
2.7.2.2. Utilisation d'antennes directives
La localisation et la maintenance des sites représentent une part non négligeable du coût de
fonctionnement du réseau pour l'opérateur. Ce dernier a intérêt de limiter le plus possible le
I1
I2
I3
I4
I5 I6
CD
34
nombre des sites installés. Dans ce but, les opérateurs utilisent en général des antennes dont le
diagramme de rayonnement est celui de la Figure 2-3. La couverture assurée s'approche alors de
l'hexagone dont un des coins est la station de base. Il est alors possible sur un même site d'assurer
la couverture de 3 cellules. Dans les ouvrages américains, l'ensemble de la zone couverte par un
site est appelé une cellule et la surface couverte par une antenne est appelée un « secteur ».
Cependant dans le cadre de GSM, chaque antenne couvre une cellule. Il y a donc trois stations de
base différentes qui seront logiquement reliées au même BSC, et 3 cellules différentes utilisant des
fréquences différentes.
Figure 2-7 Exemple de motif tri sectoriel à 12
Pour une même taille de motif, une analyse de la distribution du �/� montre que la sectorisation
introduit une légère dégradation de qualité par rapport à une couverture omnidirectionnelle.
Cependant, il est plus facile de « tilter» les antennes. L'opérateur, par l'ajustement précis des
directions visées, peut ainsi mieux maîtriser la couverture. De plus, la dégradation de qualité est
négligeable par rapport à la réduction des coûts provoquée par la réduction du nombre de sites. Le
motif minimal souvent considéré dans GSM est donné au Figure 2-7, Il est de taille 12 mais
parfois noté 4/12 pour montrer qu'il est réparti sur quatre sites.
2.7.2.3. Prise en compte de l'effet de masque [5].
Le calcul précédent suppose un affaiblissement uniquement fonction de la distance. Dans la
réalité, il faut prendre en compte l'effet de masque, approximé par une loi log normale. De ce fait,
il n’est plus possible de calculer une borne inférieure pour le �/�.
En revanche, on peut tracer la fonction de répartition du �/� pour l'ensemble des mobiles
uniformément répartis sur la cellule [5].
La Figure 2-8.donne cette fonction pour différentes taille de motifs dans le cas d'un réseau tri
sectorisé. Dans ce cas, la planification d’un réseau vise à limiter le nombre de mobiles qui
reçoivent un signal inférieur au seuil de fonctionnement du système. Typiquement, on accepte un
taux de 5% à 10%.
4 7 1 8 5 12 4 7
11 3 10 2 9 6 11
8 5 12 4 7 1 8 5
2 9 6 11 3 10 2
11 3 10 2 9 6 11
4 7 1 8 5 12 4 7
2 9 6 11 3 10 2
35
Figure 2-8 Répartition du C/I suivant la taille de motif
Simulation effectuée en considérant la liaison descendante dans le cas d'un réseau tri sectorisé
avec utilisation des antennes conforme à la Figure 2-3.La propagation suivant une loi en 1/�:,�
avec un effet de masque d'écart type 7 �@ et sans corrélation entre les interféreurs.
On constate que 90 % de la surface ont un �/� supérieur à 12 �@ avec un motif à 12
Les spécifications de GSM prévoient un fonctionnement correct au dessus d’un niveau �/� de9 �@. La taille du motif de réutilisation minimal est donc 0 I 9
2.7.2.4. Prise en compte du bruit et des interférences
Les deux calculs précédents (2.7.1.2.1 et 2.7.1.2.2.) reposent sur les hypothèses � ¢¢ � ou
� ¢¢ �. Ces hypothèses permettent de faire des calculs simples mais elles ne sont pas totalement
vérifiées dans la pratique.
La quantité qui définit la qualité du système est le rapport �/�� � �. Cependant, le rapport �/� il est indépendant des puissances d'émission. I1 est possible de raisonner en �/� sans considérer le
bruit et de raisonner en !"/�# (équivalent à �/� d'après 2.1) sans considérer les interférences
mais en prenant des marges de sécurité.
Par exemple, on considère des marges respectives de 5 �@ et 3 �@ par rapport aux seuils
minimaux �/� et !"/�#.
On obtient un seuil �/� de 9 � 5 I 14 �@ et un seuil !"/�# de 8 � 3 I 11 �@. De cette
façon, en limite de cellule où on peut considérer que les seuils sont atteints, on a :
� I 10[,v. � et � I 10[,[ �, ce qui permet de calculer :
CI � N � 1
10S[,v � 10S[,[ I 100�10�.� � 10�. I 8,38 soit environ 9dB �2.42
0 ,3
0,2
0 ,1
0,0
0,7
0 ,6
0,5
0,4
0 ,9
0 ,8
1 ,0
-10 -5 0 5 15 10 20 25 30
P(C
/I< x
dB
)
x dB
K=1 K=3 K=9
K=12
K=21
K=27
36
Ces marges correspondent à celles prises dans les bilans de liaison des
Tableau 4-9 ; 4-10 de l’annexe 3 (marge de 3 dB).
On peut considérer ici que le système est limité à la fois par le bruit et les interférences.
La marge prise sur le seuil de �/� conduit à prendre un motif plus grand que 12. En milieu urbain très dense, où il est nécessaire de réutiliser les ressources le plus efficacement
possible, la marge sur le seuil E%/N' est accrue pour diminuer le seuil �/� On prendra ainsi 14 �@
et 10 �@ pour les seuils !"/�#et �/� de façon à obtenir un �/�� � � �N 9 �@
La marge prise sur le seuil !"/�# conduit à augmenter les puissances d'émission. Dans ce cas, le
système est bien limité par les interférences.
2.7.2.5. Prise en compte des canaux adjacents
Les calculs de �/� ne prennent pas en compte les interférences produites par les émissions sur les
canaux adjacents. Or le spectre théorique d'un signal modulé en fréquence comporte une infinité
de lobes, il n’est pas possible de le contenir dans une bande stricte. L'interférence produite par une
émission sur les canaux adjacents n'est pas négligeable. Pour apprécier celle-ci, on utilise le
rapport �/�́ [ où �́ [ représente le signal que recevrait un récepteur accordé sur une fréquence
adjacente à la fréquence �� utilisée pour le signal utile �. Ce rapport n’a pas à proprement parler
de réalité physique, puisque un récepteur sur �R ne va recevoir qu’une partie de la puissance �́ [. Il
est donc logique de tolérer des �/�́ [ supérieurs au �/�" qui désigne le �/� uniquement dû aux «
co-canaux ».
La norme GSM spécifie les seuils tolérables pour les deux canaux adjacents et indique un seuil
possible pour le troisième canal. L'opérateur pouvant prendre une certaine marge sur les seuils, il
est commode de considérer le rapport de suppression sur le canal adjacent ACS (Adjacent Channel
Suppression) défini comme �́ /�". De façon équivalente, on peut définir des rapports ACS pour la
deuxième et le troisième canal adjacents comme IµJ/I% et Iµ:/I%. L'opérateur se fixe un seuil de
qualité de �/�" et en déduit tous les autres seuils en fonction du seuil ACS, (cf. Tableau 4-11 de
l’annexe 3)
Il est impossible d’utiliser deux canaux adjacents sur le même site. En revanche il est
théoriquement possible d’utiliser deux canaux adjacents sur deux sites adjacents de même
puissance. En effet, les puissances reçues des stations de base, à la frontière de deux cellules, sont
égales (dans le modèle théorique simple). Si on considère deux canaux adjacents, le rapport �/�́ [
37
est donc égal à 0 �@ (en négligeant toutes les interférences lointaines) et vérifie largement la
contrainte imposée.
Pour assurer un transfert intercellulaire correct, les cellules se chevauchent et il est fréquent qu'un
mobile reste un moment sur une fréquence alors que la puissance reçue sur une autre fréquence est
supérieure. En considérant un système planifié avec une marge de 3 �@ par rapport au Tableau
4-11 de l’annexe 3. (pour l’ensemble des seuils), le signal interférant sur le canal adjacent peut
être supérieur de 6 �@ par rapport au signal utile tout en respectant la contrainte. De la même
façon sur la voie montante, deux mobiles peuvent se trouver sur une zone commune à deux
cellules mais rattachés à des stations de base différentes. Un mobile interférant sur le canal
adjacent peut bénéficier d'un affaiblissement plus faible de 6 �@ par rapport au mobile
transmettant le signal utile sans perturber le système.
En conclusion, il est possible que deux cellules utilisant des canaux adjacents se chevauchent
largement. Il n'est pas possible, cependant, d'utiliser des canaux adjacents sur des cellules
dépendant du même site à cause de la voie montante. En effet, la zone de recouvrement se situe
autour d’un radial passant par la station de base. Si deux mobiles se trouvent sur la zone de
recouvrement et utilisent des fréquences adjacentes, le rapport �/�́ peut être très inférieur à 9 �@
(cf. Figure 2-9).
Figure 2-9 Interférence canaux adjacents sur la voie montante
Cet exemple illustre l'impossibilité d'utiliser 2 canaux adjacents sur 2 cellules d'un même site.
La voie montante est considérée.
Le mobile B est reçu sur la fréquence 2, adjacente à �[, avec une puissance forte �J.
Le mobile A est reçu sur la fréquence 1 avec une puissance faible �[ (par exemple 40 �@ en
dessous du niveau �J).Sur �[ le rapport �/�́ I �[/�J I U40�@ soit une valeur très inférieure au
seuil de U9 �@ exigé par la norme.
Pour les mêmes raisons que précédemment, il n'est pas possible d'utiliser dans tous les cas, le
deuxième canal adjacent à un canal donné sur la même cellule. Cependant, le contrôle de
puissance et le handover intracellulaire permettent d'éviter des dynamiques importantes entre
signaux reçus de mobiles différents et d'assurer le respect de la contrainte �/�́ J � U41�@.
C2
f1
f2 C1
A
B
A
38
En général, on s'impose un écart minimal de 600 ZGH entre fréquences d'un même site et on évite
d'utiliser deux canaux adjacents sur deux sites adjacents. Un des intérêts du motif à 12 est de
permettre le respect d'une telle contrainte (cf. Figure 2-7).
2.8. Conclusion [1]
Dans le système GSM, les paramètres fondamentaux d’une liaison radio dépendent généralement
des atténuations générer par les différents équipements intégrés dans une BTS selon sa
configuration et ceux des stations mobiles mais aussi, il faut tenir compte la diversité de milieux
de propagation qui chacun peut provoquer des atténuations différents. Pour assurer une bonne
liaison entre les stations, on doit se référer aux différents modèles de propagations.
Les différentes lois de propagation font apparaître un affaiblissement de parcours en [
3¶ où � varie
de 2 �N���N �DCPN à �Pè� �N 4 dans un environnement urbain dense [1]. Elles induisent donc
des très grandes dynamiques. Par exemple, un mobile .9| 900 subira une atténuation d'environ
96 �@ à 1 Z2 de la station de base et de 137 �@ à 20 Z2. La différence d'environ 40 �@ signifie
que, à puissance d'émission égale, un mobile à 1 Z2 de la station de base reçoit une énergie
10 000 �RD� supérieure à celle reçue à 20 Z2.
Un affaiblissement typique supportable dans GSM/DCS est de 143 �@ Un tel affaiblissement
correspond, d'après le Tableau 4-7 de l’annexe 3, à une portée de 30 Z2 en zone rurale semi-
dégagée pour GSM 900 et à 20 Z2 pour DCS 1800. L'adaptation de GSM à 1 800 |GH provoque
une réduction de portée, défavorable lorsqu’il s’agit d’une couverture des zones rurales. C'est
pourquoi DCS 1800 est plus ciblé pour les systèmes urbains. Les hautes fréquences sont
défavorisées de la même façon en milieu urbain micro-cellulaire.
D'après l'équation (2.20), un mobile GSM 900, à une distance de 500 2èEPN� de l'antenne
d'émission, subit une atténuation de 94 �@. En DCS 1800, la même atténuation se produit à une
distance de 300 2èEPN�. Ceci n’est cependant pas réellement pénalisant lorsque l'enjeu est la
capacité (la charge à écouler) et non la couverture et qu’on utilise des petites cellules. De plus,
pour un même gain, les antennes sont plus petites à 1800 |GH. Il est donc possible de compenser
le supplément d'atténuation à 1800 |GH par l’utilisation d'antenne à fort gain. Cependant, plus le
gain est fort, moins l'ouverture verticale est importante. Il y a donc une limite à l'augmentation du
gain si l'on veut conserver une bonne couverture de la cellule. La limite de gain est du même ordre
pour 900 NE 1800 |GH.
39
La prévision de couverture nécessite le bon choix entre les différents lois de propagations selon les
caractéristiques géographiques du site à mettre en œuvre (zone urbaine ou rural) ainsi qu’à partir
du seuil de couverture, de la puissance d'émission des terminaux et des marges de sécurité,
l'opérateur détermine les valeurs minimales de champ électromagnétique d’après le bilan de
liaison. Ce dernier permet d’équilibrer les liaisons montante et descendante, soit par l’ajout d’un
atténuateur à la BTS ou bien on applique la technique de diversité spatiale. La planification
cellulaire repose sur l’optimisation de l’emploi de ressources fréquentiels pour la mise en place de
nouvel site BTS. De ce fait, le seuil de C/�I � N conditionne la taille du motif de réutilisation des
fréquences K. Plus ce rapport est élevé, meilleure est la qualité des communications mais moins
nombreux sont les abonnés susceptibles d'être servis simultanément. A contrario, plus ce rapport
est faible, moins bonne est la qualité des communications mais plus élevé est le nombre potentiel
des usagers susceptibles de se connecter simultanément au système. En effet, on a considéré le cas
des systèmes limités par le bruit, le système limité par l’interférence et en fin, le cas le plus
rencontré est le système limité à la fois par le bruit et l’interférence. L'opérateur, à partir du seuil
C/I choisi, affecte les fréquences de façon à écouler le trafic attendu. Il doit vérifier
statistiquement la qualité des signaux reçus. Dans les systèmes où le trafic à écouler est faible, la
taille des cellules est limitée par une simple couverture. Dans les zones où le trafic est élevé,
l'opérateur est conduit à diminuer la taille des cellules pour augmenter la capacité du système.
40
Chapitre 3. DIMENSIONNEMENTS CELLULAIRES
Le dimensionnement des réseaux cellulaires nécessitent de prévoir l'évolution en trafic (le trafic
global que doit écouler le système et le trafic local par zone) et l'affectation des fréquences à
chaque cellules en fonction du motif retenu à la phase de planification. On considère alors chaque
cellule comme un ensemble de circuits et son dimensionnement est déterminé de façon à écouler
le trafic prévu.
Dans l'estimation de la demande en trafic et de service, plusieurs paramètres sont considérés dont :
la densité de population et le pouvoir d'achat des habitants d'une région qui permettent
d'estimer le taux de pénétration du service,
l'activité économique (heures de pointe et localisation des centres d'affaires) qui détermine
les heures, lieux et densités de trafic.
Selon la zone géographique, les objectifs de planification du réseau seront différents :
en ville il s’agit d'offrir une capacité en trafic élevée
alors qu’en milieu rural l’objectif est avant tout d'assurer une couverture la plus complète
possible et la moins coûteuse en équipements.
Par exemple, les taux de blocage admissibles seront plus élevés en zone urbaine dense (5 %) qu'en
zone rurale (2 %) où les problèmes de capacité sont moins importants.
3.1. Notions générales sur le trafic et les paramètres influençant la capacité d’un système
3.1.1. Quelques définitions
Charge : Nombre d'appels ou nombre d'organes occupés à un instant donné.
Trafic : Nombre d'appels ou le nombre d'organes occupés pendant une période donnée.
Heure chargée du réseau : Période de 60 mn pendant laquelle le volume de trafic est le plus
important de la journée.
TAHC (Tentatives d'Appel à Heure Chargée) ou BHCA (Busy Hour Call Attempt) : Nombre de
prises à l'heure chargée.
Erlang : Durée d'occupation / durée d'observation.
Exemple : un circuit occupé pendant une heure = un erlang.
Valeurs significatives, à l'heure chargée, pouvant servir d'exemple :
pour un abonné à trafic moyen variant de 0,03 à 0,08 E,
pour un abonné fort trafic se situe au environ de 0,12 E.
41
Efficacité :
un appel est considéré comme efficace s'il y a eu une condition d’établissement.
un organe est considéré comme efficace s'il a été au bout de son traitement pour un appel
donné.
Taux d'efficacité : Nombre d'appels efficaces / Nombre de prises.
Rendement : Le rendement d'un organe = durée d'utilisation / durée d'observation.
Le rendement d'un groupe d'organe = trafic écoulé / nombre d'organes.
Exemple : un faisceau de 20 circuits gérant un trafic de 12! , soit un rendement g I 12/2· I0,6. 3.2. Absorption des charges [11].
Le réseau doit être capable de fournir un nombre de canaux de communication adapté à la densité
de trafic associée à chaque cellule. Dans un réseau GSM, il ne s’agit cependant pas seulement de
garantir un lien radio, mais également de garantir un certain trafic. Le trafic est estimé
statistiquement à partir de la densité de population et du type d’activité associée à chaque région.
Par exemple, la probabilité d’appel dans une zone à forte densité d’habitation est très différente de
la probabilité d’appel dans une zone à forte densité d’activité professionnelle.
Le dimensionnement d’un réseau est donc réalisé en ayant recours aux résultats de la théorie du
trafic (formules d'Erlang-B) [11]. Les lois d’Erlang sont utilisées pour caractériser le taux d’appels
téléphoniques.
Cette loi est paramétrée par 2 grandeurs :
le taux d’appel �
et les durées moyennes d’appel G.
L’intensité de trafic par utilisateur s’exprime par :
T+ I �. G !P��O �3.1
Connaissant la densité de population associée à une zone géographique, il est facile de déterminer
la densité surfacique de trafic par le produit :
T I T+. �¸ !P��O /02J �3.2
Où �¸ est la densité de population par KmJ.
Enfin, si l’on est capable de prédire la zone couverte par une cellule, il est alors possible d’estimer
le trafic que la cellule doit absorber :
Tº4º I T. 9 !P��O �3.3
42
Où 9 est la superficie de la cellule.
Les lois d’Erlang-B permettent alors de déterminer le nombre de canaux nécessaires pour absorber
ce trafic statistique avec un taux d’échec donné :
La loi d’Erlang -B est donnée par la formule suivante :
6" ITº4º»¼�"!
∑ TO!¾»¼¾¿�
�3.4
Pour les grandes valeurs de �" on peut approcher le dénominateur par NÀ et la formule devient :
6" I Tº4º»¼�"! . NSÀ �3.5
6" ¢ 6" *�+,- Où �" est le nombre de canaux voix et donnée par la relation :
Ainsi, à partir de la connaissance de la densité de trafic et de la surface couverte par un émetteur, il
est possible de prédire le nombre de canaux à affecter à une cellule pour garantir un taux de
blocage inférieur à un certain pourcentage (cf. Tableau 4-13 de l’annexe 4). D’autre part, chaque
canal en fréquence est susceptible de fournir 8 canaux de données V�G ou �" (chaque trame
contient 8 slots multiplexés), le nombre total de canaux est donc égal à 8 fois le nombre de canaux
en fréquence.
Cependant, certains canaux communs, et en particulier la voix balise, nécessitent des ressources.
On considère en général, qu’ 1/8 ième des ressources est utilisé pour les canaux communs (y
compris la voix balise). Ainsi, pour � canaux fréquentiels attribués à une station de base, le
nombre de TCH est donné par :
�V�G I � Á 7/8 �3.6 Si �� est le nombre de porteuses attribuées, alors le nombre de canaux physiques TCH disponibles
est de:
�" I 7 Á �� �3.7
En conséquence, le Tableau 3-1 donne le nombre de canaux voix en fonction du nombre de
porteuses attribuées à une cellule, conformément à l’équation�3.7.
Pour chaque cellule, il faut réserver une voix balise qui contient les canaux de synchronisation
(FCH, SCH, BCCH), ces canaux permettent aux mobiles de détecter la présence des stations de
base. Lors de l’attribution d’un certain nombre de fréquences à une station de base, il faut donc
éliminer une des fréquences pour compter les ressources radio.
43
Tableau 3-1 Nombre de TCH en fonction de nombre de fréquences
La figure ci-dessous représente le taux de rejet d’appel en fonction de la densité de trafic
demandée, et pour un nombre de porteuses allant de 1 à 7.
Etude du taux d'erreur en fonction du nombre de canaux fréquences.
Figure 3-1 Etude du taux de refus d’appel en fonction du trafic demandé, pour un nombre de porteuses attribué à la cellule variant de 1 à 8.
On comprend bien alors que le déploiement d’un réseau GSM ne repose pas seulement sur une
couverture radio mais sur une répartition intelligente des ressources radio sur un ensemble de
stations de base.
3.3. Paramètres influençant la Capacité
Le type de dimensionnement théorique est cependant limité par les effets d'irrégularités du trafic
en fonction du temps et de la zone. De plus, le recouvrement entre cellules fait que les lois
d'Erlang ne sont plus directement applicables. Pour palier à ces lacunes, on peut procéder aux trois
techniques suivantes : le saut de fréquence, le contrôle de puissance et la transmission discontinue.
3.3.1. Saut de fréquence
A l'origine, le mécanisme de saut de fréquence fut introduit dans les systèmes militaires. Il
consiste pour un émetteur à changer régulièrement de fréquence de sorte à obtenir une diversité de
fréquences et une diversité des brouilleurs. Il a pour conséquence d'augmenter l'efficacité du
codage et de l'entrelacement dans GSM, pour les mobiles en arrêt ou se déplaçant lentement.
Dans la littérature, la distinction est souvent faite entre :
ÂÃ fréquences 1 2 3 4 5 6 7 8
Canaux physiques 8 16 24 32 40 48 56 64
ÂÄÅÆÇ 7 14 21 28 35 42 49 56
44
le saut de fréquence lent (SFM, Slow Frequency Hopping), dont il est question ici,
et le saut de fréquence rapide (Fast Frequency Hopping), tel qu'il est mis en œuvre dans
des systèmes à étalement de spectre (Spread Spectrum).
Le saut de fréquence lent consiste à changer de fréquence à chaque émission de message ou de
burst par exemple, alors que le saut de fréquence rapide consiste à changer de fréquence plusieurs
fois lors de l'émission d'un message (saut de fréquence au rythme symbole par exemple).
Le recours au mécanisme de saut de fréquence offre les deux principaux avantages suivants :
obtenir une diversité en fréquences
et une diversité de brouilleurs.
3.3.1.1. Protection contre les évanouissements sélectifs
En général, les évanouissements sur un canal radio sont dé-corrélés d'une fréquence à une autre (à
condition qu’elles soient espacées d'au moins un certain écart, plusieurs centaines de kHz par
exemple), Ainsi, l'utilisation de plusieurs fréquences différentes pour une communication, diminue
la probabilité de perte de messages par évanouissements. De cette façon, et grâce en particulier à
la redondance introduite dans les différents messages (par utilisation de techniques de codages
adéquates), un message perdu pour cause d’évanouissement sur une fréquence donnée, peut être
reconstitué au niveau du récepteur grâce aux informations transportées par les messages transmis
sur les autres fréquences. Le gain apporté par la diversité de fréquences est de l'ordre de
quelques �@.
3.3.1.2. La diversité de brouilleurs
Le saut de fréquence permet de créer une diversité de brouilleurs. Dans les zones urbaines, les
systèmes sont principalement limités par les interférences. Ainsi, l'implantation du mécanisme de
saut de fréquence a pour objectif de « moyenner » le niveau d'interférences global sur toutes les
porteuses plutôt que d'avoir un niveau de brouillage élevé sur certaines porteuses uniquement.
L'opérateur réalise une planification pour que le �/� soit dans 95 % des cas supérieur au seuil de
fonctionnement. La contrainte est donc imposée par les 5 % des cas les plus défavorables. La
planification est donc réalisée au pire cas.
Considérons, sur le modèle théorique régulier présenté au paragraphe 2.7.1.1, sur la voie
montante et étudions le pire cas. Il intervient lorsque la station de base reçoit un signal utile venant
d'un mobile situé en bordure de cellule et six signaux interférents provenant de mobiles situés à
45
Ca Cb
Cd
I t
IZ
Iy
B (f2)
Z (f2)
Y (f1)
T (f3)
A (f1)
D (f3)
Niveau de signal en dB
C/I
C/I
Ca
Iy
Cd
I t
l'extrémité de leur cellule sur le côté le plus proche de la station considérée. Une telle
configuration est représentée à la Figure 3-2 en ne considérant qu’une seule cellule interférente.
Ce cas se produit rarement mais lorsqu'il se produit, c'est la communication entière qui est
brouillée, si l'on suppose les terminaux peu mobiles. Supposons maintenant que le mobile puisse
utiliser l'ensemble des fréquences d'une station de base et que les séquences de fréquences utilisées
soient pseudo-aléatoires : il change alors de fréquence à chaque émission. De cette façon, un
mobile est brouillé par des mobiles différents à chaque émission. Le pire cas considéré plus haut
peut toujours se produire. Cependant, il ne se produira plus pendant toute une communication
mais une fois de temps en temps. Grâce aux techniques d'entrelacement, c'est-à-dire d'étalement
dans le temps et de codage protecteur par des redondances, on peut recevoir correctement le signal
lorsque le niveau moyen est supérieur à un seuil même si le niveau de �/� de certains échantillons
est nettement inférieur à ce seuil.
Avec le saut de fréquence, il est ainsi possible de considérer le cas moyen et non plus le pire cas.
Le gain apporté par le saut de fréquence est d'autant plus important que le nombre de fréquences
est grand. Pour obtenir un gain appréciable, il est nécessaire de disposer d'au moins quatre
fréquences.
Figure 3-2 Exemple de configuration de brouillage sans le saut de fréquence.
Les mobiles A, B et D émettent un signal utile.
Les mobiles Y, Z et T sont brouilleurs
Les mobiles (A, Y), (B, Z) et (D, T) utilisent respectivement les fréquences f1, f2 et f3 On ne
considère qu'un seul interférant pour un mobile donné (Les mobiles émettent sur le même slot
mais sur des fréquences différentes).
Figure 3-3 Évolution du �/� en l'absence de saut de fréquence
46
Ca Cb
Cd
I t
IZ
Iy
B (f1, f2, f3)
Y (f1, f2, f3)
T (f1, f2, f3)
Z (f1, f2, f3)
A (f1, f2, f3)
D (f1, f2, f3)
Niveau de signal en dB
C/I moyenne
C/I
Ca
Iy
Ca It
Iz
Iy
Sans saut de fréquence, le signal émis par A est seulement interféré par Y et le �/� sera faible : la
communication se trouve brouillée.
De même B est brouillé par Y et D par T. Les �/� dans ces deux cas sont acceptables.
Figure 3-4 Exemple de configuration de brouillage avec le saut de fréquence
Tous les mobiles sont sur les 3 fréquences f1, f2 et f3 et sur le même slot.
Figure 3-5 Évolution du �/� en présence de saut de fréquence
Avec le saut de fréquence, le signal émis par A est interféré par Y, Z et T. Le �/� moyen est
supérieur au seuil et la communication n'est pas brouillée. De même pour B et C. Les 3
communications peuvent avoir lieu simultanément
3.3.2. Contrôle de puissance
Dans un réseau couvrant des environnements différents (ruraux, urbains), les cellules sont de taille
variée. La puissance d’émission des stations de bases est donc paramétrable. Afin de ne pas
entraîner un déséquilibre entre la voie montante et la voie descendante, chaque station de base
indique aux mobiles de la cellule la puissance nominale à utiliser. On parle quelquefois de
contrôle de puissance statique. Cette fonctionnalité est présente dans les systèmes analogiques et
dans GSM.
En milieu urbain de densité de trafic moyenne, les cellules sont dimensionnées pour des terminaux
portatifs de 2 W pour GSM 900. Un terminal de classe 2 (8 W) n’émet pas à puissance nominale
dans les zones urbaines : sa puissance est bridée par le réseau à 2W.
Le mécanisme de contrôle de puissance dynamique consiste à ajuster la puissance d’un émetteur
radio de façon à minimiser la puissance requise par cet émetteur tout en conservant la qualité de la
communication. La conséquence principale du recours à cette technique est la diminution du
47
niveau d'interférence Co-canal. L'autre conséquence est l'augmentation de l'autonomie des
mobiles, due à la diminution de la quantité d'énergie nécessaire aux émissions.
La puissance d'émission varie ainsi dans une certaine marge. Le contrôle est effectué soit
uniquement pour les stations mobiles, soit pour les stations mobiles et les stations de bases. Le
contrôle de puissance est un mécanisme qui est géré à un niveau centralisé, c'est-à-dire en pratique
par une entité située au niveau du réseau. La raison principale de cette situation est que le contrôle
de puissance est une décision qui résulte d'une observation globale du système, observation que
seul le réseau peut réaliser.
Les principales causes conduisant à l'augmentation ou la diminution de la puissance émise sont
d'une part l'éloignement ou le rapprochement d'une MS de sa station de base, et d'autre part,
l'augmentation ou la diminution du niveau d'interférence sur le canal radio utilisé.
3.3.3. Transmission discontinue
Dans les communications de parole, il est rare que les deux intervenants parlent en même temps.
De plus, les caractéristiques de la parole font apparaître des silences très courts entre les mots. Le
taux d'utilisation du canal de transmission usager est en moyenne de 40 %. C'est-à-dire que
chaque canal (dans un sens comme dans l'autre) est inutilisé pendant 60 % du temps. La «
transmission discontinue » ou DTX (Discontinuous Transmission) consiste à interrompre
l’émission pendant les silences de parole pour diminuer l'énergie émise sur la voie radio.
Ceci permet, d'une part de réduire la consommation des émetteurs et notamment du mobile, et
d'autre part de diminuer le niveau moyen d'interférence généré. Lorsque le saut de fréquence est
mis en œuvre, la planification se fait en prenant en compte ce niveau moyen. Il est donc possible
de réutiliser plus efficacement les fréquences.
Le recours à la transmission discontinue présente donc un double intérêt : du point de vue de
l'opérateur, il permet d'augmenter la capacité du système et donc le nombre d’abonnés potentiels,
et du point de vue de l'abonné, il permet d'allonger la période d'autonomie du mobile.
En revanche, il peut être désagréable pour l'abonné car il provoque à la réception un silence total
pendant les blancs de parole même si ceux-ci sont très courts. De ce fait, il n’y a jamais en
pratique une absence totale d’émission mais transmission périodique à un débit très réduit d'une
trame permettant de régénérer le bruit de fond sur le récepteur. La transmission discontinue est
alors difficilement détectable par les usagers.
48
3.4. Densification des réseaux GSM
La croissance de nombre des abonnés GSM nécessite une évolution constante du réseau pour
accueillir les nouveaux abonnés et leur garantir une qualité de service acceptable. Dans ce
paragraphe, nous abordons les principales techniques utilisées pour augmenter le trafic en
Erlang/km2 écoulé par un réseau cellulaire. La plupart de ces techniques sont utilisées par les
opérateurs, d'autres sont en cours d'expérimentation. Nous nous focalisons sur l'interface radio.
Toute augmentation du trafic a cependant un impact important sur l'architecture du réseau fixe et
son dimensionnement pour lequel les principes classiques de la téléphonie fixe s'appliquent en
grande partie.
3.4.1. Augmentation de la capacité intrinsèque [21].
La capacité intrinsèque d’un système est le nombre d’Erlang qu’un réseau peut écouler par cellule
avec une bande de référence allouée. Le qualificatif intrinsèque précise que cette capacité ne
dépend pas de la taille de la cellule. Elle dépend de la taille du motif utilisé. Pour essayer
d'augmenter la capacité d’un réseau sans installer de nouveaux sites, il est possible d'essayer de
réduire la taille du motif utilisé pour disposer de plus de fréquences par cellule.
Dans tout ce qui suit, on ne considère que les fréquences descendantes; les fréquences montantes
sont ipso facto planifiées puisque L'écart duplexe est constant dans une bande de fréquence.
On illustrera les différentes techniques à l'aide d'un exemple fictif:
L’opérateur Syldavie Télécom dispose de 2 x 9,6 MHz soit 48 porteuses duplex à répartir sur un
réseau hexagonal régulier. En utilisant le motif à 12 de référence donné au chapitre 2, il dispose de
4 porteuses sur chaque cellule, soit 32 canaux physiques dont 29 peuvent être configurés en TCH
(le reste est utilisé pour les canaux de contrôle et les canaux de signalisation SDCCH).
La charge écoulable sur chaque cellule à 2 % de blocage est alors de 21 Erlang [21].
La capacité intrinsèque est donnée par :
�� I 212 Á 9,6 I 1.1 !P��O /N��Q�N/|GH �3.8
3.4.2. Motifs fractionnaires [17].
Le motif de référence à 12 est déduit d'une analyse de la répartition du �/� pour un réseau
complètement chargé, c'est-à-dire en supposant que tous les canaux sont occupés et que les
équipements transmettent à la puissance nominale. Grâce au saut de fréquence et à l’entrelacement
49
14, 24
8
3, 18
13
12,23
4
2,2
4
11,18
13
7,23
4
14,24
8
5,19
13
9,21
4
1,16
8
10,19
13
6,21
4
15,16
8
5,19
13
2,17
8
11,22
13
7,20
4
14,17
8
3,22
13
12,20
4
2,17
8
10,18
13
6,23
4
15,24
8
5,18
13
9,23
4
1,24
8
10,18
13
14,16
8
3,19
13
12,21
4
2,16
8
11,19
13
7,21
4
14,16
8
5,22
13
9,20
4
1,17
8
10,22
13
6,20
4
15,17
8
5,22
13
Motif à 12 (1 à 15 hormis 4,8 et 13)
Motif à 9 (16 à 24)
Motif à 3 (4,8 et 13) 2,24
8
11,19
13
7,20
4
14,24
8
3,19
13
12,20
4
2,24
8
9,21
4
6,23
4
9,20
4
d’un bloc de parole sur huit bursts, un mobile est interféré par plusieurs mobiles différents (cf.
3.3.1).
La capacité d'un système est alors limitée par le �/� moyen et non par le pire cas. Une des limites
de la planification cellulaire régulière est qu’elle oblige à considérer des motifs de taille
déterminée par la relation : 0 I DJ � D. L � LJ. Lorsque Syldavie Télécom veut réduire la taille du motif, il doit passer à 9 puis à 7. Il n’y a pas de
valeur intermédiaire. Il est cependant possible de planifier les fréquences par groupe et de
considérer des tailles de motif différentes pour chaque groupe, La Figure 3-6 représente un réseau
avec 24 fréquences réparties en 3 groupes de 12, 9 et 3 fréquences planifiées respectivement avec
un motif à 12, 9 et 3. L’opérateur dispose de 3 fréquences dans chaque cellule. Le motif équivalent
est donc de 24/3 I 8.
Sans saut de fréquence, un mobile transmettant sur une fréquence planifiée suivant le motif à 3
verrait sa communication fortement brouillée. La qualité de service globale du réseau serait
mauvaise.
Avec le saut de fréquence, la diversité d’interférence permet de disposer d'une qualité qui est
fonction du motif moyen à 8.
Figure 3-6 Exemple de motif fractionnaire
Avec cette technique, des motifs à 8 ont été utilisés sur des réseaux opérationnels tout en
conservant une qualité de service acceptable [17]. Syldavie Télécom peut donc disposer de
48/8 I 6 fréquences par cellule, soit 45 V�G et un trafic de 35,6 !P��O . La capacité
supplémentaire est de 70 % par rapport au motif à 12.
50
3.5. Saut de fréquence synthétisé
3.5.1. Systèmes à charge partielle
Il est possible de mieux tirer partie de la diversité d'interférence apportée par le saut de fréquence.
Nous raisonnons dans un premier temps à charge constante. Si on réduit la taille du motif de
réutilisation, on peut augmenter le nombre de fréquences sur chaque cellule. Par conséquent, la
probabilité d'occupation d'une fréquence diminue. Dans ce cas, la diversité d'interférence
augmente et on peut montrer que le �/� moyen des 10 % de mobiles les plus défavorisés est
augmenté.
Il est donc possible d'augmenter la charge, le niveau d'interférence augmente mais reste tolérable.
Au-delà d'un seuil, le �/� subi par les récepteurs devient trop faible et les communications sont de
mauvaise qualité, voire même interrompues car le taux d'erreur est trop important. On parle de
système à charge partielle (partial loading) car tous les canaux radios ne sont pas occupés
simultanément dans le réseau.
Il est intéressant d'utiliser un motif à 3 car toutes les fréquences sont utilisées sur un site. La
répartition des fréquences en est grandement simplifiée, même en cas d'irrégularité. Des essais ont
montré qu’avec un motif à 3, le réseau fonctionne correctement jusqu'à 50 % de charge.
Cependant, il est nécessaire de conserver un motif à 12 pour les fréquences-balises car elles sont
transmises à puissance constante. Sur chaque cellule, Syldavie Télécom peut donc disposer de (48
- 12)/3 = 12 fréquences « ordinaires » et 1 fréquence-balise. Le trafic écoulé est alors d'environ
42 !P��O . 3.5.2. Impact sur les matériels
Si l'opérateur installait 13 TRX (émetteurs-récepteurs) pour chaque cellule, le coût de
l'infrastructure deviendrait prohibitif. Syldavie Télécom installe donc un nombre de TRX inférieur
au nombre de fréquences. Cette particularité a des implications matérielles.
Sur de nombreuses stations de base, le saut de fréquence est réalisé comme indiqué dans la partie
gauche de la Figure 3-7.
Les TRX sont sur des fréquences fixées et une matrice de connexion permet de permuter les
communications sur les fréquences de la cellule. Le nombre de fréquences est rigoureusement égal
au nombre de TRX.
51
Coupleur
TR
X
TR
X
TR
X
Matrice de connexion
TR
X
Canaux en bande de base
Saut de fréquence simple
Coupleur
TR
X
TR
X
TR
X
TR
X
Canaux en bande de base
Saut de fréquence synthétisé
f1 f2 f3 f4 fi fj fk fll
Dans les stations de base à « saut de fréquence synthétisé » (appelé aussi étendu), le transmetteur
est à agilité de fréquence : il est capable de changer de fréquence à chaque intervalle de temps. Le
nombre de fréquences de la séquence de saut peut alors être bien supérieur au nombre de
transmetteurs.
Figure 3-7 Types de saut de fréquence
Dans cette figure, on ne tient pas compte des fréquences-balises
Syldavie Télécom installe donc 7 TRX (1 TRX pour la fréquence-balise et 50 % x 12 = 6 TRX
pour les autres fréquences), soit environ 52 canaux TCH et 42 Erlang. L'augmentation de capacité
est de 100 % par rapport au motif à 12. Dans ce cas comme dans le précédent, le nombre de
communications est limité par le nombre de TRX installés.
3.5.3. Capacité souple
Le saut de fréquence étendu permet d'avoir une plus grande souplesse dans la gestion du trafic.
Avec un motif à 12, Syldavie Télécom dispose de 29 canaux TCH. Si 29 communications sont en
cours, un trentième appel dans la cellule est refusé de quel que soit l'état d'occupation des cellules
voisines car tous les TRX sont occupés à 100 %.
Avec un motif à 3, la limite du nombre de communications est également rigide (52
communications) si on n’installe que 7 TRX.
Il peut y avoir une concentration temporaire du trafic dans une zone localisée, la charge à écouler
dans une cellule est importante alors que les cellules voisines sont moins chargées. En considérant
seulement le niveau d'interférence, il serait possible d'accepter plus de 52 communications
simultanées si le nombre de communication sur les cellules Co-canal était réduit. Il faut pour cela
sur dimensionner le nombre de TRX. On peut parler de capacité souple (soft capacity) car la limite
du nombre de communications dans une cellule n'est pas fixée de façon rigide et isolée mais
dépend de la charge du réseau.
52
La mise au point d'un tel réseau est très délicate car il est nécessaire de développer des algorithmes
d’admission des appels qui tiennent compte de la charge d'un ensemble de cellules. De plus, il y a
des risques de dégradation brutale de la qualité pour un ensemble d’usagers lorsque le niveau
d’interférence devient trop important. Le Tableau 4-12 de l’annexe 3 donne les capacités pour
différents planifications.
3.6. Densification cellulaire
3.6.1. Découpage des cellules
Les techniques précédentes permettent d'augmenter la capacité d'un réseau sans ajouter de
nouveaux sites mais avec un gain en capacité de rapport 2 au mieux. Pour faire face à
l’accroissement exponentiel des abonnés les opérateurs doivent recourir à l'augmentation du
nombre de stations de base et découpe les cellules en cellules de taille plus petite.
Traditionnellement on découpe une cellule en 4 cellules comme indiqué dans la Figure 3-8.
Figure 3-8 Découpage en cellules plus petites
Suivant le modèle théorique exposé au chapitre 2, la réduction de la taille des cellules permet de
conserver le même motif de réutilisation des fréquences (le facteur de réduction d’interférence
8 I /g est constant).
Dans la pratique, le rayon d'une cellule ne peut être réduit en deçà d’un certain seuil. Pour bien
couvrir une zone, les antennes des stations de base sont placées au-dessus du niveau des toits en
milieu urbain. Si la densité de stations de base est trop importante, la propagation devient
beaucoup plus dépendante de l’environnement proche du mobile. Il est possible, par exemple, que
le mobile soit en propagation favorable par rapport à une station de base interférente (cf. Figure
3-9). De tels cas défavorables obligent à augmenter la taille des motifs. Cependant, la réduction de
la taille des cellules est donc limitée dans la pratique.
Figure 3-9 Limite des macrocellules
C I
f1 f1
Vue directe Vue directe
53
Couche macro
cellulaire
Couche micro cellulaire
3.6.2. Déploiement micro cellulaire et réseaux multicouches [20].
Pour disposer de cellules de très petite taille, l’opérateur installe des stations de basés dont les
antennes sont au-dessous du niveau des toits. La couverture obtenue est typiquement de quelques
centaines de mètres et forme une microcellule (cf. Figure 3-10).
Figure 3-10 Exemple de microcellules
La présence de microcellules se justifie seulement dans les zones à très forte densité d'utilisateurs
(une gare par exemple). Il serait extrêmement coûteux pour un opérateur d’assurer une couverture
continue d'une ville seulement avec des microcellules. L’opérateur garde une couverture avec des
cellules classique (antennes au-dessus des toits) et place des microcellules aux seuls endroits
nécessaires (cf. Figure 3-11). Le réseau comporte alors deux couches (micro-cellulaire, et macro-
cellulaire), il est appelé réseau hiérarchique [20].
Figure 3-11 Réseau multicouche
Considérons une macro-cellule recouvrant une ou plusieurs microcellules. I1 est préférable que les
terminaux à déplacement rapide ne se connectent pas sur des microcellules pour éviter les
transferts intercellulaires trop fréquents. Un moyen simple est d'interdire, à tous les terminaux,
l'accès aux microcellules en jouant sur les paramètres diffusés sur le canal BCCH des
microcellules. Sur le canal BCCH de la macro cellule, on inclut les fréquences des voies balises
des microcellules dans la liste des voisins déclarés. Tout mobile en communication fera des
mesures de niveau reçu sur les fréquences correspondantes. Les appels sont systématiquement
établis sur la macro-cellule. Pendant les premières secondes d’appel (phase de signalisation sur
SDCCH et phase de sonnerie par exemple), le réseau détermine si le mobile est sous la couverture
d'une microcellule grâce aux mesures envoyées sur le SACCH et peut aussi vérifier si le terminal
est quasiment fixe. Le réseau transfère alors la communication sur la microcellule si nécessaire.
Les algorithmes qui permettent de transférer préférentiellement les terminaux peu mobile vers le
Microcellule Microcellule Microcellule
54
les microcellules sont très complexes. Quelques exemples sont donnés dans la recommandation
GSM 05.22.
3.7. Réseaux multi-bandes [14].
L’augmentation du nombre de sites est une solution efficace pour répondre à l’accroissement de
trafic, mais elle augmente fortement le coût d'exploitation du réseau. Un opérateur préfère donc
disposer d'un spectre plus large. Or toute la bande GSM 900 d’origine est en général allouée; les
bandes de fréquences disponibles sont déduites principalement à la bande 1800 MHz (et à la bande
étendue en 900 MHz dans certain pays).
Les opérateurs doivent donc déployer des réseaux combinant les deux bandes de fréquences 900
MHz et 1800 MHz. [14].
Les recommandations GSM permettent deux types (non exclusifs) de combinaison de bandes:
un réseau où une cellule comprend une seule bande,
un réseau où une cellule peut combiner les deux bandes.
Dans le premier cas, le réseau comprend des cellules avec une voie balise à 900 MHz et d'autres
avec une voie balise à 1800 MHz. Les mobiles mono-bandes sont restreintes à un seul type de
cellule sans être perturbés par la présence de cellules d'une autre bande.
La mise en place de cellules multi-bandes est complexe car la couverture à 1800 MHz est
différente de celle à 900 MHz (atténuation plus importante et classes de puissance des terminaux
non similaires). Le réseau doit estimer à partir des mesures faites en 900 MHz que le mobile est
bien dans la couverture de la cellule à 1800 MHz.
3.8. Utilisation d’antennes adaptatives
3.8.1. Réduction d'interférence [8] [14].
Pour réduire les interférences dans un réseau cellulaire, il est possible d’utiliser stations de base
avec des antennes adaptatives, appelées également antennes intelligentes (smart antennas) [8].
Celles-ci sont constituées de plusieurs ailes, distantes typiquement d'une demi-longueur d'onde.
Le signal reçu ou transmis est une moyenne pondérée des signaux reçus sur chaque antenne.
En jouant sur les poids respectifs. Il est possible de contrôler le diagramme de rayonnement de la
station de base (beam forming). Sur la voie descendante, la station de base peut diriger le faisceau
vers le mobile. Les interférences créées sur les cellules Co-canal sont ainsi réduites. Sur la voie
montante, la station de base peut recevoir les signaux seulement dans la direction où se trouve le
55
mobile. Elle est donc moins sensible aux interférences. On parle alors de SFIR, (Spatial Filtering
for Interference Reduction). On peut envisager dans ce cas de réduire la taille du motif jusqu’à 3,
ce qui permet d'utiliser toutes les fréquences sur un site tri-sectorisé.
En disposant d'un faisceau plus directionnel, on concentre mieux l'énergie dans une direction
particulière et on améliore le gain de l'antenne. Les antennes adaptatives permettent donc
d'améliorer la couverture.
Des expérimentations d'antennes adaptatives sur des réseaux opérationnels on été réalisées en
1998 [14]. Les systèmes testés comportent généralement des faisceaux dont la direction est
prédéfinie mais ne suit pas à la trace un mobile. On découpe par exemple une cellule en 8 sous-
secteurs. Suivant la position du mobile on sélectionne le faisceau dans le sous-secteur où il se
trouve. Les sous-secteurs se recouvrent largement ce qui permet de gérer correctement des
terminaux rapides, Notons qu’un secteur ne correspond pas dans ce cas à une cellule mais
seulement à une direction d'émission privilégiée.
3.8.2. Remarques
Les antennes adaptatives ne peuvent être utilisées sur la fréquence-balise car cette dernière doit
être diffusée sur toute la cellule à puissance constante et en permanent. Cette contrainte impose
d’utiliser un motif à 12 au minimum pour les fréquences balises et réduit le gain de toutes les
techniques d'augmentation de la capacité intrinsèque de GSM. C’est un des défauts principaux de
l'interface radio GSM.
Cet aspect limite également l'utilisation de l'interface radio GSM pour d’autres services : boucle
locale radio, téléphones sans fils domestiques ou PABX avec un grand nombre de stations de base
à faible capacité. Ces applications nécessitent des adaptations de l'interface radio pour retirer cette
contrainte de fréquence-balise à puissance constante. De même, il ne sera pas possible d'utiliser les
terminaux actuels sur de futurs systèmes avec cette adaptation.
3.9. Conclusion
La théorie de trafic permet d’estimer la capacité globale d’un système téléphonique en ayant
recours aux formules d’Erlang-B. Mais lorsqu’il s’agit d’une couverture dans un milieu à fort
densité de trafic, où il a besoin d’utiliser un grand nombre de fréquences, on constate une
réduction de qualité de liaison radio. Le recours aux différents techniques tels que, l’utilisation de
saut de fréquences et le contrôle de puissance ainsi que la transmission discontinue ou leur
combinaison ont pour conséquence de diminuer le niveau d'interférence global du système, ainsi
56
que d’augmenter davantage le gain en capacité pour le nombre d'abonnés prévu sur la zone de
service définie par un opérateur.
Cependant, un mécanisme tel que le contrôle de puissance doit être introduit avec précaution,
compte tenu des risques d'instabilité que son utilisation peut entraîner.
De la même manière, l'utilisation du mécanisme de saut de fréquence nécessite l'utilisation d'un
nombre conséquent de porteuses au niveau de chaque station de base. Son introduction au niveau
d'un système en cours de fonctionnement nécessite aussi une replanification des fréquences si l'on
veut profiter du gain en capacité.
La densification de réseaux constitue en grande partie, une solution efficace pour faire face aux
problèmes de congestion suite à l’augmentation de nombre des abonnées. Elle propose divers
techniques, parmi lesquels, on trouve le motif fractionnaire, le saut de fréquence, la densification
cellulaire. Ces différents techniques sont basées sur l’utilisation efficace des ressources et
prévoient le minimum d’interférence possible pour assurer une qualité de service prévue.
57
CPDT
Fichier Calculs Base de Données
Effacer Exit Explorer Modèle de propagations
Bilan de liaison
Motif cellulaire
Trafic Formulaire
Site Emetteurs Antennes
Carte Géographique
A trois étages Macro cellule Micro cellule
GSM 900 GSM 1800
Motif régulier Système limité par les interférences
Chapitre 4. SIMULATIONS
Dans ce dernier chapitre, qui constitue une partie de l’application de toutes les démarches
théoriques illustrées dans les deux chapitres précédents. L’objectif de la simulation ici, est la
construction d’une petite application regroupant les différents outils de planification et de
dimensionnement cellulaire. Il s’agit d’un logiciel nommé CPDT (Cellular Planning and
Dimensioning Tools). Avec cet outil, on peut se connecter à une base de données qui représente
une entité inséparable quant à la gestion des sites, que ce soit lors de la planification ou durant son
exploitation. Ce dernier étant relié à un système d’information géographique (Global Mapper) qui
joue un rôle très important lors de la recherche d’emplacement optimal pour un déploiement fixé.
Il intègre les différents modèles de propagation, la détermination de motif cellulaire en fonction de
facteur de réduction d’interférence pour un rapport �/� donnée ainsi que la détermination de
nombre de fréquence que doit avoir un site en fonction de l’évolution des trafic existant.
4.1. Conception du CPDT
Le schéma ci-dessous représente la structure que possède l’application, il a été fait en suivant
l’ordre chronologique des tâche répétitif lors de la planification et dimensionnement cellulaire.
Figure 4-1 Structure interne du CPDT
4.2. Faisabilité
La réalisation de l’application ne pose pas de grands problèmes, il suffit de disposer des outils
suivant:
58
� un ordinateur ayant la configuration matérielle:
Système : Microsoft Windows XP Professionnel version 2002 service Pack 2
Pentium IV DUAL CPU
Processeur 1,60 GHz
RAM 512 Mo
Disque Dur: 40 Go.
� Et la configuration logicielle suivante :
C++ Builder 2007
Microsoft SQL Server Express 2005
Microsoft SQL Server Management Studio Express
Global Mapper 10.
Office 2007
4.3. Spécification des besoins
La spécification des besoins est l’étape où l’on défini les différentes fonctionnalités que peut faire
un outil. Un besoin est fonctionnel s’il doit être réalisé à la fin de la phase de développement
autrement, il est dit non fonctionnel, on propose de spécifier les besoins du CPDT qui s’étalent sur
trois axes principaux qui sont l’acquisition des données utiles, le traitement de ces données et la
présentation des résultats de l’opération de planification et de dimensionnement.
4.4. Présentation du CPDT
Le CPDT constitue une petite application pouvant effectuer des calculs aux différentes formules
relatives à la planification et dimensionnement cellulaire, il comprend d’interface au stockage des
données relatives aux sites ainsi que de connexion à un SIG.
On y trouve les menues principales suivant :
Fichier avec les sous menues (Effacer, Exit) d’effacer les résultats des opérations et de
quitter la fenêtre CPDT,
Calcul avec les sous menues (Modèles de propagations, Puissance reçue, Bilan de liaison,
Motif cellulaire, Capacité Intrinsèque) permettent de faire les différents calculs.
Base de données avec le sous menue Formulaire qui constitue l’interface d’entrée et sortie
des données.
A l’ouverture de l’application on découvre généralement la fenêtre suivante:
59
Figure 4-2 Page d'accueil CPDT
La fenêtre de la base de données se présente de la manière suivante avec les onglés (Site, Emetteur
Antenne) et. les différents boutons d’ajout, de modification, de suppression ainsi que le bouton de
connexion à la carte et enfin celle de la fermeture de fenêtre.
Figure 4-3 Interface d’entré des données
Les codes a été développé en programmation orienté objet sous un compilateur Code Gear C++
Builder 2007. Mais en raison de sa longueur, on a préféré de ne l’est pas affiché. Cependant on
peut dire qu’il comporte pour chaque fenêtre trois fichiers (nom de fichier.ccp, nom de fichier
.dfm et nom de fichier. h) comme on remarque sur la figure.ci-contre.
60
Figure 4-4 Groupe de projet sur la réalisation du CPDT
4.5. Spécification Générale
Le CPDT est un outil de planification et de dimensionnement des réseaux cellulaire GSM. Il fait
appelle aux trois groupes de besoins fonctionnelles qui sont :
La saisie des données nécessaires à la planification cellulaire
La saisie de toutes les valeurs
Le téléchargement d’une configuration existante
La mise à jour d’une configuration
Le traitement des données de dimensionnement
Optimisation de la configuration du BTS
Dimensionnement interne du BTS
Présentation & exploitation des résultats
Présentation sous forme de carte
Présentation sous forme de matrice
Présentation sous forme de rapport
Exportation des résultats
Sauvegarde de la nouvelle configuration
4.6. Exemple de planification
Essayons de planifier un réseau cellulaire sur treize sites tri sectorisé avec un motif à trois et
�/� � 9
61
En se référent à la configuration du
Tableau 4-9 de l’annexe 3 et pour un système limité par les interférences, on a :
# Système limité par les interférences # y: 3,5 C/I: 10 K: 3, 4591163817554 R: 2 Km D: 6, 44277863821696 Km Pour un C/I=10, on a le motif K=3 et la distance de réutilisation de fréquence D=6,44 Km
Après la simulation de couverture, on se retrouve à la Figure 4-6 :
Le Site1 constitue le premier site installé lors du premier déploiement et s’appelle le parapluie de
couverture. Au fur et à mesure que le nombre d’abonné augmente, il serait nécessaire de passer au
processus de densification cellulaire qui signifie ici d’ajouter un plus grand nombre de sites pour
faire face aux contraintes de trafic.
On utilise dans ce cas quatre fréquences seulement, dont le secteur1 se trouve attribuer par
�[=925MHz, le secteur2 par �J=926MHz et celui de secteur3 par �:=927MHz. Par contre
��=924MHz a été préalablement alloué au site1, la Figure 4-6 montre le desing.
4.7. Conception de la base de données
En se basant sur le cahier de charges, on a conçu une base de données à trois entités qui sont la
table Site, la table Émetteur et la table Antenne pour faciliter la mise à jour des configurations des
sites. Les caractéristiques des différentes entités de la base sont résumées dans les Tableau 4-14,4-
15,4-16 de l’annexe 4.
Figure 4-5 La base de données sous SQL serveur 2005
62
Figure 4-6 Sites tri-sectorisés avec K=3
4.8. Conclusion
Durant l’étape de réalisation de l’outil et grâce à l’environnement de travail disponible, il a été
possible de développer le CPDT répondant en grande partie aux exigences de la spécification des
besoins.
En effet, à ce niveau, le CPDT répond aux besoins fonctionnels demandés qui sont principalement
la planification cellulaire et le dimensionnement du hardware BTS pour le réseau GSM, il répond
en plus à la flexibilité de l’intégration des données, à la manipulation des données et la
visualisation des resultats sous différents formes.
63
CONCLUSION GENERALE
Le but de ce projet était la conception et le développement d’un outil logiciel de panification et de
dimensionnement des réseaux cellulaire GSM. Pour cela, il a été indispensable de commencer par
une étude théorique des caractéristiques de planification des réseaux cellulaires, en particulier
l’emplacement des stations BTS, étant donné qu’il est l’équipement de base d’une cellule
Par la suite, on s’est focalisé sur les règles de dimensionnement théoriques et pratiques du BTS.
En effet, la diversité des zones à desservir a besoin une étude des cas selon la densité des
populations et leur pouvoir d’achat pour prévoir l’augmentation de nombre des abonnés, ce qui
induirait vite à la saturation du réseau.
En plus de cette étude, et suite à une analyse des quelques méthodes qu’on a vue au chapitre 3, il a
été possible de proposer des processus de dimensionnement suivant le cas considéré.
En définissant ce processus, il s’est avéré que certains modèles doivent être définis. Ces modèles
sont des modèles de propagation et des modèles de prédiction de couverture radio.
L’élaboration du premier modèle s’est basée sur l’observation de caractéristique de
l’environnement de propagation. Le second modèle s’est basé sur la corrélation entre l’évolution
du nombre des abonnés et du trafic total par zone de localisation.
En fin lors de la phase de conception, il a été possible de réaliser le CPDT (Cellular Planning and
Dimensioning Tools). A ce stade, le CPDT assure le dimensionnement des BTS et la planification
des réseaux cellulaires. Ces procédures respectent la diversité des contraintes radio et de trafic
ainsi que l’évolution des paramètres du réseau.
64
ANNEXE 1: Classification des stations (MS-BTS) selon les plages de puissance et leur
sensibilité.
Les stations (MS/BTS) ont chacun leur hiérarchie de classe selon la plage de puissance qu’ils
peuvent utiliser. Une tolérance de A 2 �@ est admise pour chaque classe ( A 2,5 �@ dans des
conditions extrêmes). La sensibilité minimale des terminaux est de U100 �@2 pour les
équipements DCS 1800 NE �N U 102 �@2 pour les portatifs GSM 900 et de U104 �@2 pour
les portables et postes montés dans les véhicules
Tableau 4-1 Classe de puissance des terminaux (MS).
Tableau 4-2 Classe de puissance des BTS normales avant coupleurs
Tableau 4-3 Classe de puissance de micro-BTS après coupleurs éventuels
GSM 900 DCS 1800
Numéro de Classe
Puissance Maximale nominale
(W)
Limite de la puissance maximale (W)
Puissance Maximale (W)
Limite de la puissance maximale (W)
1 2 3 4 5
-- 8 5 2 0,8
-- [5,0 ; 12,7] [3,2 ; 7,9] [1,3 ; 3,2]
1 0,25 4
[0,63 ; 1,6] [0,16 ; 0,4] [2,5 ; 6,3]
GSM 900 DCS 1800
Numéro de Classe
Puissance maximale (W)
Limite de la puissance maximale (W)
Puissance Maximale(W)
Limite de la puissance maximale (W)
1 320 640 20 40
2 160 320 10 20
3 80 160 5 10
4 40 80 2,5 5
5 20 40
6 10 20
7 5 10
8 2,5 5
GSM 900 DCS 1800
Numéro de Classe
Puissance Maximale(W)
Limite de la puissance maximale (W)
Puissance Maximale(W)
Limite de la puissance maximale (W)
M1 M2 M3
0,08 0,03 0,01
0,25 0,08 0,03
0,5 0,16 0,05
1,6 0,5 0,16
65
Tableau 4-4 Sensibilité des BTS
Type de BTS GSM 900 DCS 1800
Micro BTS M1
Micro BTS M2
Micro BTS M3
- 97 dBm
- 92 dBm
- 87 dBm
- 102 dBm
- 97 dBm
- 92 dBm
BTS normale -104 dBm - 104 dBm
66
ANNEXE 2 : Interface radio GSM
Tableau 4-5 Principale caractéristique de l'interface radio GSM
Tableau 4-6 Exemple des motifs usuels
GSM 900 GSM 1800
Bande de fréquence Liaison ascendante : 890-915 MHz Liaison descendante : 935-960 MHz
Liaison ascendante : 1710-1785 MHz Liaison descendante : 1805-1880 MHz
Nombre d’intervalles de temps par trame TDMA 8 Écart duplexe 45 MHz 95 MHz Ecart entre porteuses 200 kHz Fréquences porteuses �3 I 935 � 0,2. O, �RQP1 È O È 124
�3 I 1805,2 � 0,2. �O U 512 �RQP 512 È O È 885 modulation GMSK Rapidité de modulation 271 Kbit/s Débit de la parole 13 Kbit/s (5,6 Kbit/s) Débit maximale de données 12 Kbit/s Accès multiple Multiplexage fréquentiel et temporel, et duplexage fréquentiel Rayon des cellules 0,3 à 30 Km 0,1 à 4 Km Puissance des terminaux 2 W (et 8W) 1 W
i/j 1 2 3 4
1 3 7 13 21 2 7 12 19 28 3 13 19 27 37 4 21 28 37 48
67
ANNEXE 3:Bilan de liaison et types d’affaiblissements suivant l’environnement
Tableau 4-7 Affaiblissement moyen en fonction de la distance
La distance d est exprimée en kilomètres, les fréquences choisies correspondent au milieu de la
bande de chaque système.
L'affaiblissement est donc plus fort d'environ 6 �@ lorsqu'on passe de 900 |GH à 1 800 |GH en
milieu rural et de 10 �@ en milieu urbain.
Fréquence Puissance (P) Tension (v) (V) Camp (E)
MHz dBW dBm µV dBµV dBµV/m
900 -130 -100 2,24 7 36
1800 -130 -100 2,24 7 42
Tableau 4-8 Conversion champ électrique/puissance
Il arrive fréquemment qu'on écrit des puissances en �@ et non �@< en sous-entendant que le
niveau de référence est de 1<.
Calculs faits pour une impédance de 50^ et une antenne isotrope.
Environnement Rural dégagé Rural semi-dégagé Urbain (ville moyenne)
Hauteur antenne BS 100 100 50
Atténuation à 925 MHz 90,9 + 31,8.log(d) 95,9 + 31,8.log(d) 123,6 + 33,8.log(d)
Atténuation à 1795 MHz 97,0 + 31,8.log(d) 102,0 + 31,8.log(d) 133,1 + 33,8.log(d)
68
Tableau 4-9 Exemple de bilan de liaison pour GSM 900
On voit sur cet exemple l'attention extrême à la portée dans le choix des paramètres.
On considère un câble de perte 2 dB/100m d'une longueur de 120 mètres dans la station de base,
un mobile de puissance 2W.
La portée est calculée sur la valeur 0-P en considérant la loi d'Okumura Hata pour une zone
urbaine (Tableau 4-7)
Sens de la liaison Montante Descendante
Partie réception BTS MS
Sensibilité -104 dBm -102 dBm C
Marge de protection (cf. 6.1.2.4) 3 dB 3 dB D
Perte totale câble et connecteur 4 dB 0 dB E
Gain d'antenne 12 dBi 0 dBi F
Marge de masque (90% de la surface) 5 dB 5 dB G
Puissance médiane nécessaire -104 dBm - 94 dBm H=C+D+E-F+G
Partie émission MS BTS
Puissance d'émission (classes 2 et 7) 33 dBm 38 dBm I
Perte de couplage + isolateurs 0 dB 3 dB K
Perte totale câbles et connecteurs 0 dB 4 dB L
Gain d'antenne 0 dBi 12 dBi M
PIRE 33 dBm 43 dBm N=I-K-L+M
Bilan de liaison
Affaiblissement maximal 137 dB 137 dB O=N-H
Perte due au corps humain 3 dB 3 dB P
Affaiblissement de parcours 134 dB 134 dB O-P
Portée en extérieure 2 km
Portée intérieure (marge de 15 dB) 0,7 km
69
Tableau 4-10 Exemple de bilan de liaison pour DCS 1800
On considère un mobile de puissance 1W.
La portée est calculée en considérant la loi d'Hata pour une zone urbaine.
Noter l'utilisation de la diversité dans la station de base et l'utilisation d'antennes à fort gain a été
nécessaire pour supporter des affaiblissements plus importants que pour le bilan de liaison GSM
900 (ces techniques peuvent être aussi employées pour GSM 900).
Tableau 4-11 . Seuil de protection sur les canaux adjacents
Tableau 4-12 Capacités pour différentes stratégies de planification cellulaire
Sens de la liaison Montante Descendante
Partie réception BTS MS
Sensibilité -104 dBm -102 dBm C
Marge de protection (cf. 6.5.2.4) 3 dB 3 dB D
Perte totale câble et connecteur 2 dB 0 dB E
Gain d'antenne 18 dBi 0 dBi F
Gain de diversité 5 dB 0 dB F’
Marge de masque (90% de la surface) 6 dB 6 dB G
Puissance médiane nécessaire - 116 dBm - 93 dBm H=C+D+E-F-F’+G
Partie émission MS BTS
Puissance d'émission (classes 1 et 2) 30 dBm 42 dBm I
Perte de couplage + isolateurs 0 dB 3 dB K
Perte totale câbles et connecteurs 0 dB 2 dB L
Gain d'antenne 0 dBi 18 dBi M
PIRE 30 dBm 55 dBm N=I-K-L+M
Bilan de liaison
Affaiblissement maximal 146 dB 146 dB O=N-H
Perte due au corps humain 3 dB 3 dB P
Affaiblissement de parcours 143 dB 143 dB O-P
Portée en extérieure 2 km
Portée intérieure (marge de 15 dB) 0,7 km
Interférence Co-canal (�� ) C/I% 9 dB
Interference 1��canal adjacent (�� ±200 KHz) C/Iµ[ -9 dB ACS 1 = 18 dB
Interference 2è��canal adjacent (�� ± 400 kHz) C/IµJ -41 dB ACS2=50 dB
Interference 3è��canal adjacent (�� ± 600 kHz) C/Iµ: -49 dB ACS3=58 dB
Taille du motif Fréquence par cellule Trafic par cellule (E/cellule) Capacité intrinsèque (E/cellule/MHz)
Motif régulier 12 4 21 1,1 Motif fractionnaire 7,5 6 35,6 1,9 Charge partielle 3(50% charge) 13 42 2,2
70
Hypothèse d'un opérateur disposant de 2*9,6 MHz.
Capacité calculée pour un réseau idéal régulier (chiffres théoriques).
71
ANNEXE 4: Abaque sur la loi d’Erlang-B et les tables de la base de données
Tableau 4-13 Abaque sur la loi d’Erlang-B.
Nombre de canaux 1% 2% 3% 5% 10% 20%
1 0.0101 0.0204 0.0309 0.0526 0.1111 0.25 2 0.1526 0.2235 0.2815 0.3813 0.5954 1 3 0.4555 0.6022 0.7151 0.8994 1.2708 1.9299 4 0.8694 1.0923 1.2589 1.5246 2.0454 2.9452 5 1.3608 1.6571 1.8752 2.2185 2.8811 4.0104 6 1.909 2.2759 2.5431 2.9603 3.7584 5.1086 7 2.5009 2.9354 3.2497 3.7378 4.6662 6.2302 8 3.1276 3.6271 3.9865 4.543 5.5971 7.3692 9 3.7825 4.3447 4.7479 5.3702 6.5464 8.5217
10 4.4612 5.084 5.5294 6.2157 7.5106 9.685 11 5.1599 5.8415 6.328 7.0764 8.4871 10.857 12 5.876 6.6147 7.141 7.9501 9.474 12.036 13 6.6072 7.4015 7.9667 8.8349 10.47 13.222 14 7.3517 8.2003 8.8035 9.7295 11.473 14.413 15 8.108 9.0096 9.65 10.633 12.484 15.608 16 8.875 9.8284 10.505 11.544 13.5 16.807 17 9.6516 10.656 11.368 12.461 14.522 18.01 18 10.437 11.491 12.238 13.385 15.548 19.216 19 11.23 12.333 13.115 14.315 16.579 20.424 20 12.031 13.182 13.997 15.249 17.613 21.635 21 12.838 14.036 14.885 16.189 18.651 22.848 22 13.651 14.896 15.778 17.132 19.692 24.064 23 14.47 15.761 16.675 18.08 20.737 25.281 24 15.295 16.631 17.577 19.031 21.784 26.499 25 16.125 17.505 18.843 19.985 22.833 27.72 26 16.959 18.383 19.392 20.943 23.885 28.941 27 17.797 19.265 20.305 21.904 24.939 30.164 28 18.64 20.15 21.221 22.867 25.995 31.388 29 19.487 21.039 22.14 23.833 27.053 32.614 30 20.337 21.932 23.062 24.802 28.113 33.84 31 21.191 22.827 23.987 25.773 29.174 35.067 32 22.048 23.725 24.914 26.746 30.237 36.297 33 22.909 24.626 25.844 27.721 31.301 37.524 34 23.772 25.529 26.776 28.698 32.367 38.754 35 24.638 26.435 27.711 29.677 33.434 39.985 36 25.507 27.343 28.647 30.657 34.503 41.216 37 26.378 28.254 29.585 31.64 35.572 42.448 38 27.252 29.166 30.526 32.624 36.643 43.68 39 28.129 30.081 31.468 33.609 37.715 44.913 40 29.007 30.997 32.412 34.596 38.787 46.147 41 29.888 31.916 33.357 35.584 39.861 47.381 42 30.771 32.836 34.305 36.574 40.936 48.616 43 31.656 33.758 35.253 37.565 42.011 49.851 44 32.543 34.682 36.203 38.557 43.088 51.086 45 33.432 35.607 37.155 39.55 44.165 53.322 46 34.322 36.534 38.108 40.545 45.243 53.559 47 35.215 37.462 39.062 41.54 46.322 54.796 48 36.109 38.392 40.018 42.537 47.401 56.033 49 37.004 39.323 40.975 43.534 48.481 57.27 50 37.901 40.255 41.933 44.533 49.562 58.508
72
Tableau 4-14 Table Site
Tableau 4-15 Table Emetteur
Tableau 4-16 Table Antenne
T_Site
Attribut Type de données contrainte IdSite Numéric (18,0) primarykey NomSite varchar(32) Longitude real Latitude real Altitude real HauteurPylone real
T_Emetteur
Attribut Type de données contrainte IdEmetteur numeric(18, 0) Primary key NomSite varchar(32) NomEmetteur varchar(32) Active bit NomAntenne varchar(32) HauteurAntenne real Azimut real DowntiltMeca real DowntiltElecAdd real Puissance real
T_Antenne
Attribut Type de données contrainte IdAntenne numeric(18, 0) primarykey NomAntenne varchar(32) Constructeur varchar(32) NomSite varchar(32) Gain real TiltElectrique real Ouverture int FceMin real FceMax real
73
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Nom : BE
Prénom : Hugo Adolphe
Titre du mémoire : PLANIFICATION ET DIMENSIONNEMENT DES RESEAUX
CELLULAIRES EN GSM
Nombre de pages : 74
Nombre de tableaux : 17
Nombre de figures : 31
Mots clés : Planification, Dimensionnement, Réseaux cellulaires, Réutilisation
des ressources fréquentiels, GSM
Directeur de mémoire : RAKOTOMALALA Mamy Alain
Adresse de l’auteur : Lot JK 46 Rue de Calais Tanambao ANTALAHA
Tél : 0320442380
e-mail: : [email protected]
RÉSUMÉ :
Le projet va servir de contexte en vue de l’acquisition de compétences en planification et
dimensionnement des réseaux cellulaires GSM. L’objectif est de concevoir et de réaliser un outil
informatique.de planification et de dimensionnement des réseaux cellulaires. Pour cela, nous
avons commencé par une étude théorique de planification cellulaire et de dimensionnement des
équipements de BTS suivant le trafic estimé pour une zone à desservir. Ceci a permis de proposer
un processus à suivre durant le design. En appliquant ces deux entités et en suivant le processus
déjà défini par les normes GSM, Nous avons abouti à réaliser le CPDT (Cellular Planning and
Dimensioning Tools).
ABSTRACT:
The project will be used as context for the competences acquisition of cellular network in GSM
planning and dimensioning. The objective is to conceive and produce an informatics tool of
cellular network planning and dimensioning. For that, we started with a theoretical study of
cellular planning and the BTS equipment dimensioning following the estimated traffic for a zone
to cover. This made it possible to propose a process to be followed during the design. With the
application of these two entities and while following the process already defined by standards
GSM, we led has to carry out the CPDT (Cellular Planning and Dimensioning Tools).
