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.
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.
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.
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.
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.
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.
fréquence, normes et évolution des standards
Classification selon la portée
6 / 59

8.
fréquence, normes et évolution des standards
Classification selon débit et mobilité
7 / 59

9.
fréquence, normes et évolution des standards
Évolution des Standards
8 / 59

10.
fréquence, normes et évolution des standards
Spectre
UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz à 3 GHz = Radiofréquences
9 / 59

11.
fréquence, normes et évolution des standards
Antennes
Directionnelles Omnidirectionnelles
10 / 59

12.
fréquence, normes et évolution des standards
Diversité spatiale
11 / 59

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.
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.
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).
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16.
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
Allocation du spectre UHF en USA
15 / 59

17.
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
Allocation du spectre UHF en France
16 / 59

18.
Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
Allocation du spectre UHF en France (suite)
17 / 59

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
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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.
Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence
Plan
1 Un peu d’histoire
2 fréquence, normes et évolution des standards
3 Concept cellulaire et Allocation du canal
Allocation de fréquence
Réutilisation de la fréquence
Forme de la cellule
Cluster et facteur de réutilisation
4 Mesure de la qualité de signal
5 Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Fractionnement cellulaire
Sectoring
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
Localisation du co-canal pour N=3
36 / 59

38.
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
Localisation du co-canal pour N=3
37 / 59

39.
Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
Géométrie de l’hexagone
38 / 59

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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