Les antennes en radiocommunications mobiles (GSM/DSC)

Vue Globale

Le contrôleur de station de base gère une ou plusieurs stations de base et communique avec elles par le biais de l’interface A-bis. Ce contrôleur remplit différentes fonctions tant au niveau de la communication qu’au niveau de l’exploitation. Pour les fonctions des communications des signaux en provenance des stations de base, le BSC agit comme un concentrateur puisqu’il transfère les communications provenant des différentes stations de base vers une sortie unique. Dans l’autre sens, le contrôleur commute les données en les dirigeants vers la bonne station de base. Dans le même temps, le BSC remplit le rôle de relais pour les différents signaux d’alarme destinés au centre d’exploitation et de maintenance. Il alimente aussi la base de données des stations de base. Enfin, une dernière fonctionnalité importante est la gestion des ressources radio pour la zone couverte par les différentes stations de base qui y sont connectées. En effet, le contrôleur gère les transferts intercellulaires des utilisateurs dans sa zone de couverture, c’est-à-dire quand une station mobile passe d’une cellule dans une autre. Il doit alors communiquer avec la station de base qui va prendre en charge l’abonné et lui communiquer les informations nécessaires tout en avertissant la base de données locale VLR (Visitor Location Register) de la nouvelle localisation de l’abonné. C’est donc un maillon très important de la chaîne de communication et il est, de plus, le seul équipement de ce sous système à être directement gérable (via l’interface X25 qui le relie au sous-système d’exploitation et de maintenance).

Les méthodes d’accès

Dans les réseaux mobiles, le passage quasi obligatoire de l’information sur l’interface radio restreint les ressources disponibles ainsi que la bande passante dédiée aux utilisateurs. Pour une gestion efficace de l’interface radios communes à tous les utilisateurs, différentes méthodes d’accès aux ressources y sont employées en fonction de la quantité d’information à transmettre et du type de liaison souhaitée. C’est ainsi que, pour l’interface radio d’un réseau mobile, cette ressource est appelée canal physique. Cette interface est partagée entre les différents utilisateurs d’une même cellule. Plusieurs techniques définissent la manière dont les mobiles accèdent à la ressource radio. Ces méthodes ont toutes pour principe de diviser la bande de fréquence généralement très limitée, en plusieurs canaux physiques assurant la communication tout en respectant les contraintes permettant d’éviter les interférences. Les principales méthodes d’accès utilisées par les réseaux mobiles sont la FDMA (Frequency Division Multiple Access) la TDMA (Time Division Multiple Access) et la CDMA (Code Division Multiple Access).

a- la FDMA : La méthode d’accès FDMA ou Accès Multiple par Répartition de Fréquences (AMRF) repose sur un multiplexage en fréquences. Un tel procédé divise la bande de fréquence en plusieurs sous bande. Chacune est placée sur une fréquence dite porteuse ou carrier qui est la fréquence spécifique du canal. Chaque porteuse ne peut transporter un signal d’un seul utilisateur. La méthode FDMA est essentiellement utilisée dans les réseaux analogiques.

b- la CDMA : La méthode CDMA ou accès Multiple par Répartition de Code (AMRC) autorise l’allocation de la totalité de la bande de fréquences de manière simultanée à tous les utilisateurs d’une même cellule. Pour ce faire, un code binaire spécifique est octroyé à chaque utilisateur. Ce dernier se sert de son code pour transmettre l’information qu’il désire communiquer en format binaire d’une manière orthogonale, c’est-à-dire sans interférence entre les signaux ou autres communications. En CDMA l’usage de codes permet une réutilisation de la même fréquence dans des cellules adjacentes. Cela offre un avantage révolutionnaire à cette méthode par réception, un problème d’auto – interférence entre en jeu, qui s’intensifie au fur et à mesure que le nombre de communications simultanées augmente.

C- La TDMA : La technique d’accès TDMA ou Accès Multiple à Répartition Temporelle (AMRT) offre la totalité de la bande de fréquence à chaque utilisateur pendant une fraction de temps donnée, dénommée slot (intervalle de temps). L’émetteur de la station mobile stocke les informations avant de les transmettre sur le slot autrement dit dans la fenêtre temporelle qui lui a été consacrée. Les différents slots sont regroupés en une trame, le système offrant ainsi plusieurs voies de communication aux différents utilisateurs. La succession des slots dans les trames forme le canal physique de l’utilisateur. Le récepteur enregistre les informations à l’arrivée de chaque slot et reconstitue le signal à la vitesse du support de transmission. La TDMA s’applique principalement à la transmission des signaux numériques, contrairement au FDMA conçue pour une transmission analogique. Toute fois la combinaison des deux techniques est envisageable. Comme dans le cas du GSM900 ou DSC1800.

Rapport signal a bruit C/I

Les interférences sont de 3 types : les interférences inter-symboles (IIS), les interférences inter fréquences (IIF, encore appelées interférences canaux-adjacents), et les interférences cocanal (ICC). Les interférences inter-symboles caractérisent les interférences entre les impulsions successives d’une même source : lorsqu’un bit est émis, le récepteur en reçoit plusieurs échos étalés dans le temps à cause de la différence de temps de parcours entre les différents chemins Emetteur-Récepteur. Ces interférences (IIS), sont combattues par des techniques d’égalisation (l’égaliseur de Viterbi en GSM) et de codage canal et ne sont pas prises en compte dans la phase de planification. Les interférences co-canal (ICE) sont forcément importantes en GSM et sont directement liées à la norme elle-même. Le choix d’un partage de ressources de type FTMA (Frequency and Time Division Multiple Access) impose une répartition des ressources en temps et en fréquence. Sur un canal en fréquence, on peut avoir jusqu’à 8 voix multiplexées en temps (8 slots par trame). Pour augmenter la capacité globale d’un système, les fréquences sont réparties entre les cellules, avec un certain facteur de réutilisation. Ainsi, toutes les cellules et les stations de base associées qui utilisent un même canal en fréquence sont susceptibles d’interférer entre elles. Le rapport C /ICC est donnée par le rapport entre la puissance utile du signal reçu par un mobile en provenance de la station de base (BTS) à laquelle il est associé, et la somme des puissances des signaux reçus par le même mobile en provenance de toutes les BTS utilisant la même fréquence (Figure III.4 ). Les interférences canaux adjacents (IIF) sont liés à la réutilisation de canaux de fréquences adjacents. En effet la largeur réelle des canaux est supérieure aux 200KHz utilisés pour répartir les canaux en fréquence. Ainsi, à puissance identique, 2 canaux voisins (fi et fIj+1) ont un rapport C /I d’environ 18 dB, 2 canaux (fi et fj+2) ont un C/I de 50 dB, et 2 canaux (fi et fj+3) ont un C/I de 58 dB. Pour garantir un C/I total supérieur à 9 dB, la norme GSM défini un rapport de protection pour 2 canaux voisins, donné par le tableau suivant :

La sectorisation

Une alternative à la division des cellules est la sectorisation. Cette technique consiste à diviser une cellule en plusieurs secteurs dont chacun peut être, considérer comme une nouvelle cellule utilisant un ensemble différent de canaux et une antenne directionnelle. Chaque secteur peut être considéré comme une nouvelle cellule. Les configurations les plus courantes comportent des cellules à trois ou six secteurs. Il existe cependant des configurations comportant deux, quatre ou huit secteurs. Les BTS peuvent être placées soit au centre, soit aux coins de la cellule. Dans la phase de densification, les antennes omnidirectionnelles vont donc être remplacées par des antennes directionnelles, ce qui permet de multiplier le nombre de cellules sans avoir à ajouter de sites radio. L’autre avantage de la sectorisation est qu’elle permet d’augmenter le rapport C/I ce qui améliore la qualité de service. La méthode la plus courante consiste à adopter une organisation tri cellulaire à chaque site. Dans les sites cellulaires à cellules tri sectorielles, chaque canal géré par un site sera émis et reçu dans l’un des trois secteurs. Comparé au cas omnidirectionnel, une antenne directionnelle peut délivrer le même niveau de signal dans la zone desservie tout en induisant moins d’interférences avec les co-cellules. Ainsi, un système à antennes directives pourra opérer avec un rapport de réutilisation co-canal plus faible. La réduction de la taille des cellules permet de conserver le même motif de réutilisation des fréquences (rapport D/R constant). Dans la pratique, le rayon d’une cellule ne peut 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 des stations de bases est très 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. De tels cas défavorables obligent à augmenter la taille des motifs. La réduction de la taille des cellules est donc limitée dans la pratique.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I : Généralités sur le système GSM
I. Introduction
II . Historique
III. Concept Cellulaire
III.1.Topologie cellulaire
III.2.Le motif cellulaire
III.3.Réutilisation des ressources
III.3.1.Distance de réutilisation
III.3.2.Rapport signal/bruit et signal/interférence
IV. Architecture du réseau GSM
IV.1.La station mobile
IV.2.Lesous système radio (BSS: Base station subsystem
IV.2.1..La Station de Base (BTS
IV.2.1.1.Définition
IV.2.1.2.Antennes de station de base (BTS
IV.2.1.3.Fonction
IV.2.1.4.Capacité
IV.2.1.5.Caractéristiques
IV.2.1.6.Classement
IV.2.2.Le Contrôleur De Station de Base BSC
IV.2.2.1.Vue Globale
IV.2.2.2.L’équipement BSC
IV.2.2.3.Le BSC comme décrit par les normes
IV.3.Lesous système réseau NSS(network subsystem
IV.3.1.Le commutateur de service mobile (MSC
IV.3.2.L’enregistreur de localisation nominal (HLR
IV.3.3.L’enregistreur de localisation d’accueil(VLR
IV.3.4.Le centre d’authentification (AUC
IV.3.5.L’enregistreur d’identité des équipements (EIR
IV.4.Lesous système opération et maintenance OSS
V. Les bandes de fréquences allouées
VI. Les méthodes d’accès
VII. Classification des canaux radio
VII.1.Les canaux physiques
VII.2. Les canaux logiques
VII.2.1.Les canaux de trafic (TCH
VII.2.2.Les canaux de commande
VII.3.Association des canaux logiques et canaux physiques
VIII. Les interfaces réseaux
IX. Déroulement des communications
IX.1. Les définitions élémentaires
IX.1.1. Handover
IX.1.2.. La Localisation
IX.1.3. Le Roaming «l’itinérance
IX.1.4. Le paging
IX.2.Etablissement d’un appel
IX.2.1. Appel d’un Mobile (MS) vers un fixe
IX.2.2. Appel d’un fixe vers Mobile(MS
X. Les services offerts par un réseau GSM
X.1.Les services supports
X.2.Les télé services
X.3.Les services supplémentaires
X.I. Conclusion
Chapitre II : Généralités sur la propagation radio
I. Introduction
II. L’onde électromagnétique
II.1. Génération d’onde
II.2. Zones de rayonnement d’une antenne
III. Les mécanismes de propagation
III.1. La réflexion
III.2. La diffraction
III.3. La réfraction
III.4. L’atténuation
III.5. La polarisation
IV . Les antennes en radiocommunications mobiles (GSM/DSC
IV.1. Paramètres fondamentaux d’une antenne
IV.2. Antennes des terminaux GSM/DSC
V. Etude de la liaison radio mobile
VI. Zones de Fresnel
VII. Ligne de visibilité
VIII. Effets de masque
VIII.1. Atténuation due aux arbres
VIII.2. Atténuation due à l’atmosphère
IX. Les trajets multiples
X. Interférence et brouillage
X.1. Bruit
X.2. Interférences
X.2.1. Interférences co-canal
X.2.2. Interférences sur canal adjacent
XI .Techniques de diversité
XI.1. La Micro-diversité
XI.2.La Macro-diversité
XII. Conclusion
Chapitre III : Etude du trafic et dimensionnement d’un réseau cellulaire
I. Introduction
II. Notions générales
II.1. Intensité d’appel
II.2.Temps de maintien
II.3.Taux de pénétration
II.4. Concepts de base du trafic
III. Dimensionnement d’un réseau cellulaire
III.1.Critères de dimensionnement d’un réseau
III.2.Propriétés de la couche radio GSM
III.3. Contraintes Radio
III.3.1. Rapport signal a bruit C/N
III.3.2. Rapport signal a bruit C/I
III.4.Contraintes de trafic
III.5.Définition des zones de services
IV. Hypothèse de la prévision et du dimensionnement
IV.1.But
IV.2.Hypothèses et suppositions
IV.3.Les paramètres
IV.4.Données nécessaires pour la planification
IV.4.1.Distribution des abonnés
IV.4.2.Trafic
IV.4.3. Modèle de trafic
V. Conclusion
Chapitre IV : Planification d’un réseau cellulaire
I .Introduction
II. Importance et objectifs de la planification
II.1. Importance
II.2 Objectifs
III. Etapes de la planification
III.1. Données en entrée
III.1.1.Paramètres caractérisant l’environnement
III.1.2. Paramètre caractérisant la qualité de service
III.1.3. Calcul du trafic
III.2.Planification Radio
III.2.1. Choix des sites pratiques
III.2.2. Modèle de propagation
III. 2.3. Bilan de liaison
III.3. Le dimensionnement des cellules
III.4. Allocation des fréquences
III. 5. Ajustement des paramètres
IV. Planification du réseau fixe
IV.1. Configuration des stations de bases
IV.1.1. Structure en étoile
IV.1.2. Structure en anneau
IV.1.3. Structure chaînée
V. Densification du réseau cellulaire
V.1. Adjonction de nouveaux canaux
V.2. Emprunt de canaux
V.3. Division de cellules
V.4. La sectorisation
VI. Déploiement micro cellulaire
VII. Découpage des fréquences par opérateurs
VIII. Conclusion
Chapitre V : Simulation et planification d’un réseau GSM
I. Introduction
II. Présentation du logiciel ATOLL
II.1. Description du logiciel ATOLL
II.2.L’environnement de travail d’ATOLL
II.3.Description de la fenêtre de travail principal du logiciel ATOLL
II.4.Recommandations hard et soft du logiciel ATOLL
III. Simulation
III.1.Objectif
III.2.Etapes de la simulation
III.2.1 Début du projet : Project Template
III.2.2 Configuration des paramètres
III.2.3 Import digital maps
III.2.4.Choisir le modèle de propagation
III.2.5.Importer les antennes
III.2.6.Importer les terminaux
III.2.7.ImportEnvironment
III.2.8.Import équipements
III.2.9.Import Sites
III.2.10.Importtransmitters
Conclusion Général
Annexe 1
Annexe 2
Références Bibliographiques