Architecture cellulaire

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Architecture cellulaire

  1. 1. 1 Densification des Réseaux Cellulaires Sami Tabbane 2 Introduction (1) Différentes étapes de l’étude de densification : ) Définition d’une période d’observation, ) Déterminer le facteur de croissance, ) Déterminer le trafic écoulé et la congestion, ) Etablir un planning en phases, ) Etablir des estimations de trafic cible, ) Identifier les techniques de densification à déployer. 3 Introduction (2) Détermination du facteur de croissance : Méthode 1 : Estimation marketing Facteur de croissance = Population cible/Population actuelle Méthode 2 : Progression observée Pente de la courbe d’évolution du trafic journalier à l’heure chargée. 4 Exemple (1) Hot spots : ) Zones où le trafic est plus élevé que dans les autres zones du réseau, ) Villes où le trafic est très élevé : Beyrouth, Canton (Chine), Hong Kong, Melbourne, Paris. Trafic total dans le réseau (Erlang) 9 700 Densité de trafic dans la ville (Erlang/km2) 350 Densité de trafic dans les hot spots (Erlang/km2) 416 Zones hot spot/ville 83 % 5 Exemple (2) Nombre d’abonnés/km2 10 000 10 000 Utilisation maximum 20 % 20 % Efficacité spatiale 30 % 20 % Efficacités diverses (ex. MAC) 40 % 30 % Débit moyen du service (kb/s) 128 1 000 Capacité requise (Gbit/s/km2) 2,13 33,33 Bande disponible (MHz) 50 100 Performances radio requises (bit/s/Hz/km2) 42,7 333,3 Capacité cible : ) 3G avec HSDPA et MIMO : 10 bit/s/Hz/km2. 6 Méthodes de densification Principaux types de méthodes : ) Techniques de gestion d’interférence, ) Architecture cellulaire.
  2. 2. 7 A. Gestion d’’interférences 8 Porteuses supplémentaires dans la même bande Augmentation du nombre de porteuses par cellule sans modification du plan cellulaire, du motif de réutilisation et de la qualité de service. f3 f5 f3, f4 f5, f6 f13 f1 f13, f14 f1, f2 f7 f7, f8 f11 f9 f11, f12 f9, f10 Situation initiale Situation après adjonction de canaux 9 Multiples codeurs de parole FR (Full Rate) ou EFR (Enhanced Full Rate) Â HR ou AMR. ) HR (Half Rate) : Doublement de capacité mais possibilités de dégradation de qualité. ) AMR (Adaptive Multi Rate codecs) : Codeurs de parole à débit adaptatif. Fonctionnement dynamique en plein ou demi-débit. Adaptation conjointe des débits de codage source et de codage canal en fonction de la qualité de réception. ª Minimisation de l’occupation du canal radio avec maintien de la qualité de parole ⌦ Gain en capacité. 10 Amélioration de capacité avec l’’AMR 200 150 100 50 0 Erlang/secteur BCCH + Canaux en SFH Canaux en SFH GSM EFR GSM AMR Amélioration de capacité pour 10 MHz Augmentation de capacité : - avec AMR-FR : 30 – 40 %, - avec AMR-HR : 100 – 110 %. 11 Antennes adaptatives (1) Principes Switched-beam antenna Adaptive Beam Forming 12 Antennes adaptatives (2) Améliorations : ) Augmentation portée et couverture, ) Réduction de coûts et des contraintes de puissances, ) Meilleures qualité/performance des liaisons, )Meilleure efficacité spectrale. Pour un taux d’équipement de 20 % : gain en capacité de 100 %.
  3. 3. 13 Gestion de l’’interférence Amélioration de la capacité par combinaison des techniques suivantes : ) SFH (Slow Frequency Hopping), ) VAD (Voice Activity Detector) et DTX (Discontinuous Transmission), ) PC (Power Control), ) Antennes adaptatives. Méthodes permettant d’obtenir des gains de l’ordre de 200%. 14 Avantages du saut de fréquence Introduit de la diversité de fréquences : Â Réduction des call drop, Â Amélioration de la qualité vocale. 15 Types de saut de fréquences (1) Fréquences Temps Saut de fréquences cyclique Fréquences Temps Saut de fréquences aléatoire 16 Types de saut de fréquences (2) • Saut de fréquence en bande de base, • Saut de fréquence synthétisé, • Saut de fréquence généralisé. 17 SF en Bande de Base • Les TRX ne sautent pas. • Nombre de fréquences de saut = nombre de TRX. • IT 0 du TRX 1 pour le BCCH ne saute jamais. • Chaque communication saute sur les TRX en fonction des séquences de saut. • Maximum 10 fréquences pour le saut (gains minimes à partir de 6-8 fréquences). 18 SF Synthétisé • Les TRX sautent en fonction des séquences. • Nombre de fréquences de saut ≥ Nombre de TRX. • Le TRX du BCCH ne saute pas. • Nombre de fréquences maximum = 8 pour une bonne diversité de canal.
  4. 4. 19 Gains avec le SF : Diversité de fréquences • Mobiles lents (indoor et piétons) se déplaçant à moins de λ/2 pendant la transmission d’un burst, soit v < 50 km/h. • Pas de gain pour les mobiles rapides. • Loi de saut : aucune fréquence privilégiée pour combattre les trous de fading, écart minimal en fréquences de 800 kHz à 1MHz pour décoreller les effets du fading. • Nombre de fréquences de saut optimal = 5. • Moyennage des interférences : gain en capacité (toutes les fréquences et tous les ITs sont utilisables). • Décodage et désentrelacements plus efficaces : meilleur FER. • Gains : entre 2 et 3 dB. 20 Gains avec le SF : Diversité de brouilleurs BER FER Désentrelacement Décodage Sans SFH Avec SFH 21 Gains avec le SF : Configuration du brouillage C/Imoyen α C/Iseuil 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N° de MS C/Imoyen C/Iseuil α 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N° de MS 22 Saut de fréquences dans GSM Définitions : - MA (Mobile Allocation) : groupe de fréquences utilisées pour le saut (la même MA est utilisée pour tous les TRX d’une BTS) - HSN (Hopping Sequence Number) : Séquence de saut de 0 à 63 (0 : cyclique, à éviter, 1-63 : pseudo-aléatoire, probabilité de collision 1/N). - MAIO (MA Index Offset) : Offset de décalage en fréquences de 0 à N-1 (N nombre de fréquences dans le MA). Garantit la séparation des canaux dans la même cellule. 23 Paramètres caractéristiques (1) • Diversité des brouilleurs : MA la plus grande possible. • Bande : BCCH, TCH, Micro. • HSN : définit la loi de saut. • MAIO : définit la fréquence de départ dans la MA list à partir de laquelle est réalisée la HSN. • Si MA identique pour tous les secteurs : Motif 1x1 ou Motif à 1 (même HSN mais MAIO différents dans chaque secteur). Intérêt : ne nécessite pas de modèle de propag. • Pour motif à 1 : synchronisation nécessaire au niveau site pour éviter les collisions co-canal et canal adjacent. • Si MA différente sur chaque secteur : Motif 1x3. Nécessité de HSN différents pour limiter les brouillages sur canal adjacent. 24 Paramètres caractéristiques (2) Affectation de la MAlist Objectif : Maitriser l’interférence inter-cellu laire Affectation du HSN Objectif : Réduire l’interférence inter-cellulaire Affectation du MAIO Objectif : Réduire l’interférence intra-cellulaire
  5. 5. 25 Motif 1*3 Secteurs MAlist 1 850 853 856 859 862 865 868 871 874 877 880 883 2 851 854 857 860 863 866 869 872 875 878 881 884 3 852 855 858 861 864 867 870 873 876 879 882 885 Secteurs TRX2 TRX3 TRX4 TRX5 TRX6 TRX7 1 MAIO=0 MAIO=2 MAIO=4 MAIO=6 MAIO=8 MAIO=10 2 MAIO=1 MAIO=3 MAIO=5 MAIO=7 MAIO=9 MAIO=11 3 MAIO=0 MAIO=2 MAIO=4 MAIO=6 MAIO=8 MAIO=10 26 Motif 1*1 (1) Secteurs MAlist 833 834 835 836 837 838 839 840 841 842 843 844 845 846 847 848 849 850 851 852 853 854 855 856 1,2 et 3 Secteurs TRX2 TRX3 TRX4 TRX5 1 MAIO=0 MAIO=2 MAIO=4 MAIO=6 2 MAIO=8 MAIO=10 MAIO=12 MAIO=14 3 MAIO=16 MAIO=18 MAIO=20 MAIO=22 27 Motif 1*1 (2) Secteurs MAlist 1,2 et 3 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Secteurs TRX2 TRX3 TRX4 1 MAIO=0 MAIO=1 MAIO=2 2 MAIO=3 MAIO=4 MAIO=5 3 MAIO=6 MAIO=7 MAIO=8 28 B. Architecture cellulaire 29 Techniques de modification de l’’architecture cellulaire ) Réduction de la taille du motif, ) Microcellules et Sectorisation, ) Cellules concentriques, ) Multi-couches, ) … 30 Réduction de la taille du motif (1) f1, f2, f3 f6, f7 Situation après diminution f6 f7 f1 f2 f4 Situation initiale de la taille du cluster f4 f3 f3 f5 f5 f1, f2, f3 f4, f5 f6, f7 f1, f2, f3 f4, f5 f4, f5 f6, f7 f1, f2, f3 Cluster
  6. 6. 31 Réduction de la taille du motif (2) Exemple : • Réseau GSM avec un facteur de réutilisation de 15 à 12 (utilisation de FH, PC et DTX) avec micro-cellules (max. 3 TRX), • Après densification : facteur de réutilisation de 9 à 6 (cellules concentriques, MRP, …) et micro-cellules jusqu’à 4 TRX. 32 Microcellules et sectorisation (1) f1 f2 f3 Situation après division Situation initiale en cellules plus petites 33 Microcellules et sectorisation (2) 34 Cellules concentriques 1' 2' 4' 3' 1' 2' 7 5 4' 3' 3 1' 2' 4' 3' 3 1' 2' 4' 3' 1' 3' 4 5 1 2 4 1 2 7 6 6 6 7 5 3 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 : Cellules du motif à 7 (1) 1', 2', 3', 4' : Cellules du motif à 4 (2) 35 Avantages de l’’architecture en cellules concentriques Couronne extérieure : couverture, indoor, urgences. zCouronne intérieure : réduction du recouvrement entre cellules. ¾ Réduction de puissance (8 à 12 dB), ¾ Réduction de l’interférence, ¾ Réduction du motif de réutilisation, ¾ Concentration du trafic dans la zone intérieure. 36 Cellules étendues • Dans le cas du GSM : permet de s’affranchir de la limite des 35 km de rayon. • Deux slots consécutifs sont alloués au RACH : permet d’étendre le rayon à 100 km. • Les canaux SDCCH, BCCH et CCCH doivent également utiliser des slots consécutifs. Zone étendue Zone normale
  7. 7. 37 Multi-couches (1) BS ... . . . < ^> .. ... . . . < ^> .. ... . . . < ^> .. ... . . . < ^ > .. ... . . . < ^ > .. Micro-cellule Macro-cellule Pico-cellules 38 Multi-couches (2)  Couche supérieure : Cellules parapluie. ¾ Puissance importante, ¾ Antennes au dessus des toits, ¾ Couverture globale, ¾ Desservent les mobiles rapides. z Couche basse : Micro-cellules. ¾ Puissance faible, ¾ Antennes en dessous des toits, ¾Couverture des zones à fort trafic, ¾Desservent les mobiles lents (piétons). 39 Multi-couches (3) Micro-cellules  2 implantations possibles : ¾ Le long des rues : Street BTSs, ¾ Dans les carrefours : Crossroads BTS. Meilleure couverture mais problèmes de congestion et d’interférences.  Corner effect : Affaiblissement brutal de la puissance du signal au coin de la rue : ajustement des paramètres de HO pour éviter la coupure de communication. 40 Multi-couches (4) ¾ Multi-band cell ½ ... . . . <^ > .. ... . . . <^ > .. 1 800 MHZ 900 MHZ ¾ Multi-band BSS ½ ... . . . <^ > .. ... . . . <^ > .. 1 800 MHZ BSC 900 MHZ 41 Multi-couches (5) ¾ Configuration en Multi-band cell ½ ƒ Une même cellule avec des porteuses des deux bandes (900 et 1800), ƒ BCCH sur des porteuses 900, ƒ Configuration en cellules concentriques, Avantages : - Réduction du nombre de cellules à gérer, - Meilleure gestion du HO (moins de BCCH à mesurer), - Planification des fréquences plus simple (un seul plan BCCH nécessaire), - Meilleure qualité vocale (moins de HO inter-cellulaires). 42 Multi-couches (6) ¾ Configuration en Multi-band BSS ½ ƒ Cellules différentes pour les deux bandes (900 et 1800), ƒ BCCH pour chaque type de cellules, ƒ Co-localisation possible. Avantages : - Flexibilité permettant une gestion séparée et optimisée, - Gestion du trafic plus simple entre les bandes, - Possibilité de gestion 4 types de couches (macro 900, macro 1800, micro 900, micro 1800).
  8. 8. 43 Réseaux bi-bandes • Gestion du trafic : – Favoriser l’accès et le maintien des MS bi-bandes sur les cellules 1800, – Maximiser le trafic 1800 en veille et en établissement de communications, – Activation du Directed Retry des cellules 1800 vers toutes les autres cellules. Les cellules micro 900 peuvent également effectuer un Directed Retry vers une cellule 1800. – Objectif : La couche 1800 absorbe 60% du trafic des mobiles bi-bandes en mode communication et 80% en mode veille. • Paramétrage : – En moyenne, le 1800 est pénalisé de 10 à 15 dB par rapport au 900. 44 -3- Exemple 45 Processus global -1- Implantation et installation du réseau, -2- Mesures, amélioration de la QoS, Optimisation du réseau, -3- Augmentation de la capacité. 46 Implantation et installation du réseau a Fonctions de base mises en oeuvre et activées : PC, DTX, FR, … € Sites non chargés à 100% : permet un augmentation aisée de la capacité à court terme, Macro-cellules : pour assurer la couverture au démarrage (pylônes élevés, puissance importante, …). 47 Mesures, amélioration de la QoS, Optimisation du réseau Observation du réseau,  Correction des problèmes de couverture, Activation de certaines fonctionnalités : directed retry, traffic HO, … Equilibrage de trafic : changement des valeurs de paramètres (cell access, HO margins, …). ² Ajout de TRXs dans les cellules congestionnées. 48 Augmentation de capacité Conditions :  Couverture complète, QoS stable et de bonne qualité,  Activation de fonctions avancées (“software changes”): SFH, cellules concentriques, HR, …  Changement de l’architecture du réseau (“hardware changes”): micro-cellules dans les hot spots, ingénierie radio (réduction de taille des motifs, changement des tilts et azimuts, partage de la bande, …), couches, antennes adaptatives, sectorisation, abaissement des hauteurs d’antennes, …
  9. 9. 49 Conclusions Différentes techniques sont utilisées pour la densification d’un réseau cellulaire, ) L’activation de certaines fonctions nécessite d’avoir une bonne QoS, Â Problèmes d’interférence et de couverture doivent être résolus avant de réaliser toute activation de nouvelle fonctionnalité.

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