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  1. 1. Réseaux Mobiles Chap 1: Concept cellulaire Rhouma Rhouma https://sites.google.com/site/rhoouma École Supérieure d’Économie Électronique 2eme année Master Pro MBDS 1 / 59
  2. 2. Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 2 / 59
  3. 3. Un peu d’histoire Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 3 / 59
  4. 4. Un peu d’histoire Invention de la radio-mobile Maxwell en 1864: Prédiction d’existence d’ondes électromagnétiques Hertz en 1887: Confirmation pratique du travail de Maxwell. Tesla en 1893: Transmission Radio par onde porteuse et invention du Radar Marconi: en 1897 : Télégraphie sans fils en 1901 : Première Transmission sans fils à travers l’atlantique Mawxell(1831–1879) Hertz(1857-1894) Tesla(1856-1943) Marconi(1874-1937) 4 / 59
  5. 5. fréquence, normes et évolution des standards World War II 1946: AT&T introduit le premier système de Téléphonie mobile 1947: Bell Labs invente le concept système cellulaire 1971 : AT&T et Motorolla proposent d’utiliser la bande 800 MHz pour les réseaux cellulaires 1983: Première licence commerciale de réseau cellulaire. Déploiement du 1G AMPS (Analogique) 1988: Réseaux cellulaire numérique GSM :2G European (services offerts: voix et SMS) 1990: IEEE 802.11 Wireless LAN 1993: Début IS-95 (CDMA : 2G américain) 2000: 2.5G GPRS dans quelques pays (Commutation par packets) (Voix et données et augmentation de débit) 2000: 3G (UMTS) (Supporte données multimédias comme vidéo) 2010: 4G LTE (Supporte ultra-Wideband internet access) 5 / 59
  6. 6. fréquence, normes et évolution des standards Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 5 / 59
  7. 7. fréquence, normes et évolution des standards Classification selon la portée 6 / 59
  8. 8. fréquence, normes et évolution des standards Classification selon débit et mobilité 7 / 59
  9. 9. fréquence, normes et évolution des standards Évolution des Standards 8 / 59
  10. 10. fréquence, normes et évolution des standards Spectre UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz à 3 GHz = Radiofréquences 9 / 59
  11. 11. fréquence, normes et évolution des standards Antennes Directionnelles Omnidirectionnelles 10 / 59
  12. 12. fréquence, normes et évolution des standards Diversité spatiale 11 / 59
  13. 13. Concept cellulaire et Allocation du canal Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 12 / 59
  14. 14. Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 13 / 59
  15. 15. Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Allocation du spectre de fréquence Les ressources spectrales sont limitées. Chaque pays a une agence gouvernementale pour contrôler et allouer les ressources spectrales. Les ressources spectrales sont controlées par : Mondiale : International Telecommunications Union (ITU). USA: Federal Communications commission (FCC). EU: European Telecommunications standards Institute (ETSI). Tunisia : Agence Nationale de la fréquence (ANF). 14 / 59
  16. 16. Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Allocation du spectre UHF en USA 15 / 59
  17. 17. Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Allocation du spectre UHF en France 16 / 59
  18. 18. Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Allocation du spectre UHF en France (suite) 17 / 59
  19. 19. Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Bandes de fréquences sans Licence Des bandes de fréquences utilisés Gratuitement Pour encourager l’innovation et les implémentation de faible coûts. Des systèmes sans fils ont vu succès grâce à cette bande. ex: Blutooth, Wireless LAN, téléphones sans fils 18 / 59
  20. 20. Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réseau cellulaire Auparavant et Aujourd’hui Semblable au réseau de diffusion de la radio ou TV Un seul émetteur puissant localisé dans un milieu assez haut. Faible capacité. ex: Bell mobile system à New York en 1970s peut seulement supporter au maximum 12 communications simultanées sur 1000 miles2. Plusieurs émetteurs de faibles puissances Placés de façon diversifiée pour couvrir toute la région. 19 / 59
  21. 21. Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 20 / 59
  22. 22. Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence Réutilisation de la fréquence Réseau cellulaire Auparavant Capacité faible: Si la bande de fréquence allouée dans la cellule peut offrir 100 communications simultanées Réseau cellulaire d’aujourd’hui Capacité énorme: Si la bande de fréquence est réutilisée dans 10 autres cellules, alors on peut offrir 100 × 10 communications simultanées !! Le concept cellulaire =⇒ Le concept cellulaire peut résoudre le problème de congestion spectrale et augmenter la capacité du système. La capacité a été augmentée sans allocation supplémentaire du spectre (fréquence). 21 / 59
  23. 23. Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence Idées de base du concept cellulaire Supposer que le système admet S=70 canaux fréquentiels Système Pre-cellulaire (avant le système cellulaire): =⇒ Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés = 70 × 3 = 210 22 / 59
  24. 24. Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence Idées de base du concept cellulaire Diviser les 70 canaux en 7 groupes (A,B,C,D,E,F,G) de 10 canaux. Les cellules qui utilisent le même groupe sont éloignées. =⇒ Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés = 10 × 7 × 3 = 210 =⇒ Avec la même capacité, la puissance de transmission a passé de centaines de Watts à quelques Watts, et même < 1 W par canal. 23 / 59
  25. 25. Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence Idées de base du concept cellulaire Cluster Un cluster est un ensemble de cellules dans lequel chaque cellule utilise des fréquences différentes. Les fréquences de la cellule peuvent être réutilisés par d’autres cellules dans le système, mais ces cellules seront dans d’autres groupes et donc suffisamment loin pour ne pas provoquer des interférences. Taille du cluster N=7 Distance de réutilisation D = Distance minimale entre les centres de deux cellules utilisant la même canal fréquentiel. 24 / 59
  26. 26. Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence Idées de base du concept cellulaire Pour augmenter la capacité, utiliser des cellules de faible taille. =⇒ Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés 210 25 / 59
  27. 27. Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence Pourquoi donc Concept cellulaire ? 3 Enjeux: Réduire la puissance de transmission Augmenter la capacité du système étaler la couverture par autant de cellules que nécessaire augmenter le nombre maximum des utilisateurs accédant au réseau. Réduire les interférences. 26 / 59
  28. 28. Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 27 / 59
  29. 29. Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule La Forme de la cellule Bien que la véritable empreinte (forme) de la cellule est de nature amorphe(irrégulière), une forme cellulaire régulière est nécessaire pour la conception de système et l’adaptation à la croissance future. La forme Hexagonale est la plus adaptée 28 / 59
  30. 30. Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule Pourquoi Hexagonale ? Les antennes omnidirectionnelles rayonnent selon une forme circulaire (vue de dessus). Le problème est que les cellules circulaires ne peuvent pas être superposées sur une carte sans laisser des zones incouvertes ou sans créer des zones de chevauchement. 3 choix: Triangle équilatéral ou carré ou Hexagon. 29 / 59
  31. 31. Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule Pourquoi l’hexagone ? Une cellule doit être conçue pour servir les mobiles les plus faibles au sein de l’empreinte (forme), et ceux-ci sont généralement situé à la frontière de la cellule. l’hexagone possède la plus grande superficie parmis les trois fromes. En utilisant la géométrie hexagonale, le plus petit nombre de cellules peut couvrir une région géographique L’hexagone décrit mieux un cercle 30 / 59
  32. 32. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 31 / 59
  33. 33. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Cluster La superficie totale de la couverture est divisée en clusters Le nombre de cellules N dans chaque Cluster est appelé taille du cluster les cellules dans un Cluster utilisent tous les canaux fréquentiels il n’ya pas d’interférence co-canal dans un meme cluster. interférence co-canal provient de deux cellules utilisant la même bande fréquentielle Le cluster est Reproduit sur toute la zone de couverture. ex: l’image montre 3 Clusters de taille N=7. 32 / 59
  34. 34. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Réutilisation de fréquence (N=4, N=7) Facteur de réutilisation de fréquence=1/N Chaque cellule utilise 1/N des canaux existants. 33 / 59
  35. 35. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Capacité =⇒ compromis: Des valeurs réduites de N peut engendrer des interférences 34 / 59
  36. 36. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Taille du Cluster N peut avoir certaines valeurs précises selon i et j des entiers: N = i2 + j2 + i × j Pour localiser le co-canal le plus proche : Se déplacer i cellules le long d’une chaîne d’hexagones, puis Tourner 60 degrés contre le sens de la montre et se déplacer j cellules. ex: i=3; j=2 =⇒ N=19 35 / 59
  37. 37. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Localisation du co-canal pour N=3 36 / 59
  38. 38. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Localisation du co-canal pour N=3 37 / 59
  39. 39. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Géométrie de l’hexagone 38 / 59
  40. 40. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Exercice 1 Considérons un système cellulaire dont le nb total des canaux vocaux disponibles pour gérer le trafic est 960. L’aire de chaque cellule est de 6 km2 et la zone de couverture totale du système est de 2000 km2. Calculer 1 Combien de fois un cluster de taille 4 doit être reproduit pour couvrir toute la zone ? 2 nb de canaux par cellule ? 3 la capacité du système si la taille de cluster, N est 4 4 la capacité du système si la taille de cluster est 7 5 Est-ce que la diminution de la taille de cluster N augmente la capacité du système? Expliquez. 39 / 59
  41. 41. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Solution Exercice 1 Pour N = 4 Zone d’un cluster avec réutilisation N = 4: 4 × 6 = 24km2 Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=4: 2000/24 = 83.33 ' 83 Nombre de canaux par cellule 960/4 = 240 La capacité du système: 2000/6 × 960/4 = 80000 comm. simultanées Pour N=7 Zone d’un cluster avec réutilisation N = 7: 7 × 6 = 42km2 Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=7: 2000/42 = 47.62 ' 48 Nombre de canaux par cellule 960/7 = 137.15 ' 137 La capacité du système: 2000/6 × 960/7 = 45714 comm. simultannées Il est évident que lorsqu’on diminue la valeur de N de 7 à 4, on augmente la capacité du système de 45714 à 80000 canaux. Ainsi, la diminution du facteur de réutilisation N augmente la capacité du 40 / 59
  42. 42. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Distance D de réutilisation de fréquence D2 = A2 − 2ABcos(θ) + B2 D = q (i √ 3R)2 + (j √ 3R)2 − 2(i √ 3R)(j √ 3R)cos(120◦) = R q 3(i2 + j2 + ij)) = R √ 3N 41 / 59
  43. 43. Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation Taux de réutilisation co-canal R = Rayon de la cellule (du centre au vertex) D = Distance de réutilisation de fréquence Taux de réutilisation co-canal : Q = D R = √ 3N 42 / 59
  44. 44. Mesure de la qualité de signal Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 43 / 59
  45. 45. Mesure de la qualité de signal 3 mesures de la qualité du signal Signal to Noise Ratio SNR = S Pbruit Signal to Interference Noise Ratio SINR = S Pbruit +PInterference La meilleure conception de système cellulaire met les utilisateurs qui partagent le même canal, à une distance de séparation (la plus petite possible) où l’interférence intercellulaire est juste en dessous du niveau maximum tolérable pour un débit et BER donné. =⇒ Dans les systèmes cellulaire, on ne considère que les interférences, ce qui signifie que la puissance d’interférence est beaucoup plus grande que la puissance de bruit. =⇒ SIR = S PInterference = S PK j=1 Ij S : Puissance du signal utile; Ij : Puissance d’interférence causé par le BTS de la jème cellule co-canal; K: nb des cellules co-canal d’interférence 44 / 59
  46. 46. Mesure de la qualité de signal Borne inférieure de SIR tolérable/fiable Les Cellules co-canal, doivent être suffisamment espacées pour que les interférences entre utilisateurs dans les cellules co-canal ne dégrade pas la qualité du signal au dessous d’un niveau tolérable. Niveau minimum tolérable du SIR Des tests subjectifs ont affirmé que la plupart des gens considèrent que pour un signal FM (utilisant un canal de largeur de bande 30 kHz) soit clair (perceptuellement), il faut que la puissance du signal soit au moins soixante fois supérieure à la puissance de bruit ou brouillage. =⇒ 10log10(60) = 17.78 ' 18dB 45 / 59
  47. 47. Mesure de la qualité de signal Puissance reçus Pour une antenne, la puissance reçu à une distance d est donnée par : Pr (d) = Pr (d0) d d0 −γ d0: la distance de l’antenne d’émission vers le point de référence (de 1 à 100 m) Pr (d0): puissance reçu à proximité d’un point de référence d0 dans la région de champ lointain de l’antenne. γ exposant de perte de trajet (entre 2 et 4 dans les zones urbaines) 46 / 59
  48. 48. Mesure de la qualité de signal Calcul de l’interférence co-canal Le SIR est S PK j=1 Ij il devient R−γ PK j=1(Dj)−γ Avec R : Rayon de la cellule; Dj: distance depuis le BTS de la jème cellule et le mobile; K: nb des cellules co-canal d’interférence (de premier niveau) 47 / 59
  49. 49. Mesure de la qualité de signal Calcul de l’interférence co-canal Si Même distance est considérée : Dj = D. SIR = R−γ PK j=1(D)−γ = (D/R)γ K = ( √ 3N)γ K Pour une géométrie hexagonale, le nb de voisins co-canal de premier niveau est K=6. Pour atteindre SIR ≥ 18dB, il faut que N 6.49 pour γ = 4 =⇒ N ≥ 7 doit être utilisé pour atteindre SIR = 18.66dB 48 / 59
  50. 50. Mesure de la qualité de signal Calcul de l’interférence co-canal Pire des cas: Le mobile est à la frontière de la cellule (pt x), les distances depuis x sont des approximations SIR = R−γ (D − R)−γ + (D + R)−γ + 4D−γ = 1 (Q − 1)−γ + (Q + 1)−γ + 4Q−γ Pour N = 7, Q = 4.6. En supposant que γ = 4 =⇒ SIR = 17.9 dB Puisque la situation pire des cas se produit rarement, N = 7 est acceptable. 49 / 59
  51. 51. Mesure de la qualité de signal Quantité vs Qualité Si N augmente, Distance D augmente =⇒ SIR meilleur Si N diminue, Capacité meilleur ! 50 / 59
  52. 52. Mesure de la qualité de signal Exemple Si γ = 4, Le système AMPS nécessite un SIR ≥ 18 dB pour une qualité accepté de la voix. Quel doit être le facteur de réutilisation N ? Le système GSM nécessite un SIR ≥ 12 dB pour une qualité accepté de la voix. Quel doit être le facteur de réutilisation N ? Solution : Pour l’AMPS : N = 1 3 [6 × (101.8 )]2/4 ' 7 Pour le GSM : N = 1 3 [6 × (101.2 )]2/4 ' 4 51 / 59
  53. 53. Augmentation de la capacité et amélioration de performance Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 52 / 59
  54. 54. Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 53 / 59
  55. 55. Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Fractionnement cellulaire Comme la demande pour les services sans fil augmente, le nombre de canaux attribué à une cellule n’est pas suffisant pour soutenir le nombre nécessaire de utilisateurs. La Solution est d’augmenter les canaux par Unité de zone de couverture. Cell splitting: fractionnement Subdivise une cellule encombrée à des cellules plus petites, chacune avec sa propre station de base. Puisque la superficie de la cellule Acell diminue, compte tenu de l’expression de la capacité C, elle augmente. 54 / 59
  56. 56. Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring Plan 1 Un peu d’histoire 2 fréquence, normes et évolution des standards 3 Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence Réutilisation de la fréquence Forme de la cellule Cluster et facteur de réutilisation 4 Mesure de la qualité de signal 5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire Sectoring 55 / 59
  57. 57. Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring Sectoring Sectoring: La technique de réduction d’interférences co-canal par L’utilisation d’antennes directionnelles. L’antenne omni-directionnelle unique au BTS est remplacée par plusieurs antennes directionnelles, chacune rayonnant dans un secteur donné. Une cellule va recevoir moins d’interférences co-canal. 56 / 59
  58. 58. Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring Sectoring 60◦ Parmi les 6 cellules co-canal, seulement une d’elles interfère avec la cellule centrale. Si des antennes omnidirectionnelles ont été utilisés à chaque BTS, toutes les 6 cellules co-canal s’interfèrent avec la cellule centrale. =⇒ K change de 6 à 1 57 / 59
  59. 59. Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring Sectoring 120◦ En supposant que le le facteur de réutilisation N=7, pour le cas de 120◦ sectoring, le nombre des cellules co-canal interférentes est réduit de six à deux =⇒ K change de 6 à 2 58 / 59
  60. 60. Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring Pourquoi Sectoring ? Sachant que SIR = ( √ 3N)γ K ; C = Atotal Acell × S N Avantages : Réduire les interférences en réduisant K Augmenter SIR (une meilleure qualité de l’appel). L’augmentation du SIR peut nous permettre de réduire de la taille de cluster (N) pour augmenter la capacité. Inconvénients Augmenter le nombre d’antennes à chaque station de base. Les canaux disponibles dans la cellule doit être subdivisée et dédiés à une antenne directionnelle spécifique. 59 / 59

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