Chap 1 - Etudiant.pdf

5G: Technologies, architecture et protocoles
Chap 1: Concept cellulaire
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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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Un peu d’histoire
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
3/59

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)
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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)
2020: 5G propose des débits plus importants et une latence fortement
réduite 5/59

Plan
Forme de la cellule
Sectoring
5/59

Classification selon la portée
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Classification selon débit et mobilité
7 /59

Évolution des Standards
8 /59

Spectre
UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz à 3 GHz = Radiofréquences
9 /59

Antennes
Directionnelles Omnidirectionnelles
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Diversité spatiale
11 /59

Concept cellulaire et Allocation du canal
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
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Concept cellulaire et Allocation du canal Allocation de fréquence
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
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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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Allocation du spectre UHF en USA
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Allocation du spectre UHF en France
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Allocation du spectre UHF en France (suite)
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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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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.
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Concept cellulaire et Allocation du canal Réutilisation de la fréquence
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
20 /59

Réseau cellulaire Auparavant
Capacité faible: Si la bande de fréquence allouée dans la cellule peut
offrir 100 communications simultanées
Réseau cellulaire d’aujourd’hui
Capacité énorme: Si la bande de fréquence est réutilisée dans 10
autres cellules, alors on peut offrir 100 × 10 communications
simultanées !!
Le concept cellulaire
=⇒
Le concept cellulaire peut résoudre le problème de congestion
spectrale et augmenter la capacité du système.
La capacité a été augmentée sans allocation supplémentaire du
spectre (fréquence).
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Idées de base du concept cellulaire
Supposer que le système admet S=70 canaux fréquentiels
Système Pre-cellulaire (avant le système cellulaire):
=⇒ Capacité du système =
nb d’utilisateurs simultanés
= 70 × 3 = 210
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Diviser les 70 canaux en 7 groupes (A,B,C,D,E,F,G) de 10 canaux.
Les cellules qui utilisent le même groupe sont éloignées.
=⇒ Capacité du système = nb
d’utilisateurs simultanés
= 10 × 7 × 3 = 210
=⇒ Avec la même capacité, la
puissance de transmission a passé de
centaines de Watts à quelques Watts, et
même < 1 W par canal.
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Cluster
Un cluster est un ensemble de cellules dans lequel chaque cellule
utilise des fréquences différentes. Les fréquences de la cellule
peuvent être réutilisés par d’autres cellules dans le système, mais ces
cellules seront dans d’autres groupes et donc suffisamment loin pour
ne pas provoquer des interférences.
Taille du
cluster N=7
Distance de réutilisation D =
Distance minimale entre les
centres de deux cellules
utilisant la même canal
fréquentiel.
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Pour augmenter la capacité, utiliser des cellules de faible taille.
=⇒ Capacité du système
= nb d’utilisateurs simultanés 210
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Pourquoi donc Concept cellulaire ?
3 Enjeux:
Réduire la puissance de transmission
Augmenter la capacité du système
étaler la couverture par autant de cellules que nécessaire
augmenter le nombre maximum des utilisateurs accédant au
réseau.
Réduire les interférences.
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Concept cellulaire et Allocation du canal Forme de la cellule
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
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La Forme de la cellule
Bien que la véritable empreinte (forme) de la cellule est de nature
amorphe(irrégulière), une forme cellulaire régulière est nécessaire
pour la conception de système et l’adaptation à la croissance
future.
La forme Hexagonale est la plus adaptée
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Pourquoi Hexagonale ?
Les antennes omnidirectionnelles rayonnent selon une forme
circulaire (vue de dessus).
Le problème est que les cellules circulaires ne peuvent pas être
superposées sur une carte sans laisser des zones incouvertes ou
sans créer des zones de chevauchement.
3 choix: Triangle équilatéral ou carré ou Hexagon.
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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
formes.
En utilisant la géométrie hexagonale, le plus petit nombre de
cellules peut couvrir une région géographique
L’hexagone décrit mieux un cercle
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Concept cellulaire et Allocation du canal Cluster et facteur de réutilisation
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
31 /59

Cluster
La superficie totale de la couverture est divisée en
clusters
Le nombre de cellules N dans chaque Cluster est
appelé taille du cluster
les cellules dans un Cluster utilisent tous les
canaux fréquentiels
il n’ya pas d’interférence co-canal dans un meme
cluster. interférence co-canal provient de deux
cellules utilisant la même bande fréquentielle
Le cluster est Reproduit sur toute la zone de
couverture.
ex: l’image montre 3 Clusters de taille N=7.
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Réutilisation de fréquence (N=4, N=7)
Facteur de réutilisation de fréquence=1/N
Chaque cellule utilise 1/N des canaux existants.
33 /59

Capacité
=⇒ compromis: Des valeurs réduites de N peut engendrer des interférences
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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
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Localisation du co-canal pour N=3
36 /59

Localisation du co-canal pour N=3
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Géométrie de l’hexagone
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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 ?
nb de canaux par cellule ?
la capacité du système si la taille de cluster, N est 4
la capacité du système si la taille de cluster est 7
Est-ce que la diminution de la taille de cluster N augmente la
capacité du système? Expliquez.
2
3
4
5
39 /59

Solution Exercice 1
40 /59

Distance D de réutilisation de fréquence
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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 :
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Mesure de la qualité de signal
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
43 /59

3 mesures de la qualité du signal
44 /59

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
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Puissance reçus
Pour une antenne, la puissance reçu à une distance d est donnée par :
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
𝑃𝑟 𝑑 = 𝑃𝑟 𝑑0
𝑑0
𝑑
𝛾

Calcul de l’interférence co-canal
Le SIR est
S
Σ K
j=1 Ij
il devient
R−γ
Σ
47 /59
K
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)

SIR =
Si Même distance est considérée : Dj = D.
R−γ
Σ K
j=1
(D)−γ
= =
(D/R)γ (
√
3N)γ
K 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

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 = 17.9dB Puisque la situation
pire des cas se produit rarement,
N = 7 est acceptable.
49 /59

Quantité vs Qualité
Si N augmente, Distance D augmente =⇒ SIR meilleur
Si N diminue, Capacité meilleur ! 50 /59

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 :
1
Pour le GSM :
51 /59
1
N =
3
[6 × (101.8)]2/4 ' 7
N =
3
[6 × (101.2)]2/4 ' 4

Augmentation de la capacité et amélioration de performance
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
52 /59

Augmentation de la capacité et amélioration de performance Fractionnement cellulaire
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
53 /59

Augmentation de la capacité et amélioration de performance 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

Augmentation de la capacité et amélioration de performance Sectoring
Plan
Forme de la cellule
Sectoring
55 /59

Sectoring
Sectoring: La technique de réduction
d’interférences co-canal par L’utilisation
d’antennes directionnelles.
L’antenne omni-directionnelle unique au
BTS est remplacée par plusieurs
antennes directionnelles, chacune
rayonnant dans un secteur donné.
Une cellule va recevoir moins
d’interférences co-canal.
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Sectoring 60◦
Parmi les 6 cellules co-canal,
seulement une d’elles interfère
avec la cellule centrale.
Si des antennes
omnidirectionnelles ont été
utilisés à chaque BTS, toutes les
6 cellules co-canal s’interfèrent
avec la cellule centrale.
=⇒ K change de 6 à 1
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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
58 /59
=⇒ K change de 6 à 2

Pourquoi Sectoring ?
√
γ
( 3N)
K
; C = Atotal
Acell
× S
N
Sachant que SIR =
Avantages :
Réduire les interférences en réduisant K
Augmenter SIR (une meilleure qualité de l’appel).
L’augmentation du SIR peut nous permettre de réduire la taille de
cluster (N) pour augmenter la capacité.
Inconvénients
Augmenter le nombre d’antennes à chaque station de base.
Les canaux disponibles dans la cellule doit être subdivisée et
dédiés à une antenne directionnelle spécifique.
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