Communications Mobile–
3ème Partie
Principes de conception
Cellulaires
Réalisé par Dr. BERRAKI Djamal Eddine
(d.berraki@gmail.com)
© EMP, 2017
Conception cellulaire traditionnelle
• Historiquement: les stations de base dans les réseaux cellulaires couvraient
un rayons allant jusqu’à 20km. Ceci permettait
– Une couverture large et rapide.
– Une facilité de transfert d’appels entre les cellules.
– Un nombre de souscripteurs limité.
Station de base rurale
Conception cellulaire traditionnelle
• Une planification hexagonale employés pour réaliser la couverture continue.
• Pour la commodité, on assume que chaque cellule couvre un hexagone
idéal.
• Les hexagones sont employés puisqu'ils couvrent un domaine sans
chevauchement et rapprochent mieux la couverture circulaire comparant à
un carré ou un triangle.
Reuse
Distance, D
First Tier of
Cochannel
Cells
Cluster Group
of 3 cells
Cell Radius, R
Déploiement d’un système cellulaire traditionnel
Conception cellulaire traditionnelle
• Dans un réseau GSM, les cellules adjacentes ne peuvent pas employer le
même ensemble de fréquences (sinon ceci causera l’interférence co-canal).
• Les paternes de couleurs représentent des groupes de fréquences uniques.
• La cellule en vert est entourée par un ensemble de six cellules vertes et qui
forment le premier hexagone des cellules co-canal interférentes. Le
paterne dans la figure est basé sur une taille du groupe (cluster size) de 3
cellules.
Reuse
Distance, D
First Tier of
Cochannel
Cells
Cluster Group
of 3 cells
Cell Radius, R
Déploiement d’un système cellulaire traditionnel
Conception cellulaire traditionnelle
• La taille du groupe est dénotée par N. Les ressources radio sont partagées
en égalité entre les différentes cellules (N=3 dans le cas de cet exemple).
• Ces ressources sont réutilisées géographiquement.
• La taille du groupe est aussi appelée le paterne de réutilisation (reuse
patern).
Reuse
Distance, D
First Tier of
Cochannel
Cells
Cluster Group
of 3 cells
Cell Radius, R
Déploiement d’un système cellulaire traditionnel
Conception cellulaire traditionnelle
• La taille du groupe est calculée de façon à assurer un niveau d’interférence
co-canal acceptable entre les cellules.
• Le paterne de réutilisation est dupliqué pour avoir une couverture continue
sur toute la zone de couverture.
• D représente la distance de réutilisation de co-canal. A chaque cellule une
bande de B/N est seulement disponible.
Reuse
Distance, D
First Tier of
Cochannel
Cells
Cluster Group
of 3 cells
Cell Radius, R
Déploiement d’un système cellulaire traditionnel
Conception cellulaire traditionnelle
• Le premier système TACS utilisaient une taille de groupe de N =12 ou plus.
Pour le GSM, sa taille est de N =4 (Ceci possible car le GSM peut tolérer
plus d’interférence).
• Une taille du cluster plus petite permettrai une meilleure capacité
(disponibilité de plus de spectre par cellule).
• La taille du paterne de réutilisation est gouvernée par la capacité du système
à tolérer les interférences (Une distance de réutilisation plus petite).
• Le deuxième hexagone des cellules co-canal interférentes est composé de
12 cellules.
Reuse
Distance, D
First Tier of
Cochannel
Cells
Cluster Group
of 3 cells
Cell Radius, R
Déploiement d’un système cellulaire traditionnel
Conception cellulaire traditionnelle
• Problème de capacité se manifeste pour des larges densités d’utilisateurs.
• Capacité peut être définie en nombre de canaux de voix par MHz par km^2.
• On utilise le terme Erlang pour représenter le concept d’un appel continue.
Un utilisateur approximativement occupe 0.02 Erlangs (utilisation moyenne
de 30 min/jour).
• Des larges capacités dans les villes sont nécessaires (durant les pics un
nombre de souscripteurs >10 000).
Reuse
Distance, D
First Tier of
Cochannel
Cells
Cluster Group
of 3 cells
Cell Radius, R
Déploiement d’un système cellulaire traditionnel
Interférence Co-canal et Tolérance en SNR
• Chaque cellule est entourée du premier hexagones de 6 cellules co-canal
interférentes et du second hexagone de 12 cellules co-canal interférentes.
• En pratique on suppose des statistiques identiques des interférences.
• Un système est jugé défaillant si le BER dépassé 10-2 pour une certaine
période de temps.
• La distance de réutilisation D peut être obtenue à partir des statistiques de la
courbe de la puissance versus la distance.
• Capacité peut être calculée par:
Canaux/MHz/km2
Interférence co-canal: Premier et second hexagone
Interférence Co-canal et Tolérance en SNR
• Figure de gauche: Un arrangement N=4 typique pour GSM. Le déplacement
de A vers B se fait à travers 3 cellules. A fur et à mesure que l’utilisateur se
déplace, il est servi par BS1, puis BS2 et enfin par BS3.
• Dans le système GSM, le transfert de l’appel se fait suivant la technique
rupture avant le transfert (break-before-make handover).
• Selon la distance de réutilisation D, il se peut que BS3 utiliserai les même
fréquences que BS1.
Power
(dBm)
f1
B
BS1
BS3
f3
BS2
BS3
RF
Threshold
BS3
BS2
f2
handover
B
handover
A
B
BS1
A
R
C/I Protection Ratio
D
distance
Réutilisation de fréquence et transfert d'appel
Interférence Co-canal et Tolérance en SNR
• Le rapport de protection C/I définie le rapport entre le signal désiré et
l’interférence au point de transfert de l’appel. Un C/I large est accompagné
par une distance de réutilisation D plus grande par rapport au rayon R.
• Dans un système de communication mobile limité par l’interférence co-canal,
la puissance du signal et le rapport signal à interférence (SIR) sont
essentiels dans une liaison de communication.
Power
(dBm)
f1
B
BS1
BS3
f3
BS2
BS3
RF
Threshold
BS3
BS2
f2
handover
B
handover
A
B
BS1
A
R
C/I Protection Ratio
D
distance
Réutilisation de fréquence et transfert d'appel
Interférence Co-canal et Tolérance en SNR
• La probabilité de rupture, est définie comme la probabilité de ne pas réaliser
simultanément un rapport de signal-bruit requis (SNR) et un rapport signal à
interférence adéquat.
• La figure ci-dessous permet de déterminer le SNR requis pour un C/I et un
BER donnés.
• Conception du système se fait en optimisant le SNR et le C/I dans les bords
1E+0
de la cellule.
C/I=30dB
1E-1
C/I=25dB
BER
C/I=20dB
1E-2
C/I=15dB
C/I=10dB
1E-3
C/I=5dB
1E-4
0
5
10
15
20
S/N (dB)
25
30
Performance en BER pour SNR et C/I dans un canal AWGN
Planification des cellules et capacité
• La distance entre deux centres de cellule x= 3R.
• Les cellules adjacentes n’utilise pas les mêmes
fréquences. (à l’exception des systèmes a base de
DS-CDMA où de tels arrangements sont possibles).
• En GSM, le spectre alloué à un
operateur réseau est divisé en
N=4 groupes de fréquences.
x
30
R
Total Frequency Allocation (e.g. 15 MHz)
Frequency
Group #1
Frequency
Group #2
Frequency
Group #3
Frequency
Group #4
Planification des fréquences et réutilisation en GSM
Planification des cellules et capacité
• La distance de réutilisation dépend de la taille du groupe (cluster size).
• Une taille du groupe plus large engendre une distance de réutilisation
(distance entre cellule co-canal interférentes) plus large.
• Souvent on utilise la distance de réutilisation normalisée «D/R »
(relativement au radius de la cellule).
• Plus le système peut tolérer les interférences plus le rapport D/R est petit
ainsi que la taille du groupe.
D  R 3N
D  4.58R
D  3R
N=3
D  3.46R
N=4
N=7
Réutilisation des fréquences versus D/R
Planification des cellules et capacité
• Supposant que l’origine est (0,0) et limitant u et v à des valeurs entières (u=i,
v=j). La distance normalisée du centre de la cellule (relativement à la
distance entre deux centres adjacents) est donnée par:
Dnorm  (i  j ) 2  ij
• Pour (i=1,j=0 ou i=0 j=1),
v
Dnorm est égale à l’unité.
(u,v)=(1,2)
u
(u,v)=(1,-1)
(u,v)=(-2,1)
(u,v)=(-2,3)
Système de coordonnées pour les hexagones
Planification des cellules et capacité
• Pour le premier hexagones des 6 cellules co-canal interférentes, le rayon de
2
cet hexagone large est égal à 3RDnorm . On peut écrire: D 2  3R 2 Dnorm
• On obtient: D 2  3R 2 (i 2  j 2  ij )
Al arg e  k (3R 2 )(i 2  j 2  ij )
• La surface de l’hexagone est:
• La surface d’une cellule est :
Asmall  k ( R 2 )
• Donc le rapport entre les deux: Al arg e Asmall  3(i 2  j 2  ij )
v
(u,v)=(1,2)
u
(u,v)=(1,-1)
(u,v)=(-2,1)
(u,v)=(-2,3)
Système de coordonnées pour les hexagones
Planification des cellules et capacité
• Pour N=7, on a un hexagone plus large (dépend de N).
• L’hexagone le plus large d’un rayon D contient le groupe de 7 cellules et 1/3
des autres groupes de 7 cellules qui l’entoure, d’où le nombre total des
cellules inclues est 3N=21.
Asmall  k 2 .1 et k 2  k ( R 2 )
• Donc:
•
Al arg e  k2 .(3N )  k ( R 2 )(3N )  k (3R 2 )(i 2  j 2  ij )
Al arg e Asmall  3(i 2  j 2  ij )  (k 2 .3N ) (k 2 .1)
A
N  (i  j  ij )
D  R 3N
2
A
2
D  4.58R
A
A
D  3R
D
D  3.46R
A
N=3
N=4
N=7
A
Géométrie des cellules pour N=7
Planification des cellules et capacité
• Comme i et j sont limité à des entiers, la taille de groupe N prend des
valeurs discontinues. N ne peut pas prendre des valeurs comme 2,5,6,8,…
• En combinant les équations précédentes on a:
D
R
 3N
ou D/R est la distance normalisé de réutilisation de co-canal.
• Exemple: Pour une taille du groupe de 7, D/R=4.6.
i
1
1
2
2
3
2
3
4
j
0
1
0
1
0
2
1
0
N
1
3
4
7
9
12
13
16
Taille du cluster en fonction de i et j
Taille du groupe en fonction de C/I
• La liaison descendante (downlink) peut être modélisée par le signal désiré et
l’interférence provenant des six cellules interférentes de l’hexagone.
• Le cas le plus défavorable, supposant que l’utilisateur se trouve à
la frontière de la cellule (à une distance R du centre) et à une distance de
D-R des autres six cellules interférentes de l’hexagone.
1
S n
• Mathématiquement la puissance du signal désiré :
R
n étant l’index du path loss.
1
6
I

I

1
6
• La puissance de l’interférence :
Dn
Dn
comme D>>R, alors D−R≈D.
• Supposant une radiation omnidirectionnelle, le rapport Signal-Interférence:
S  D / R

I
6
n
hence
et
D R   6 S I 
1
n
• Par conséquent, une estimation de la taille du groupe a partir de S/I est:
•
2
1
N  6S I  n
3
Taille du groupe en fonction de C/I
• Pour des antennes sectorisées (généralement un secteur de 120 degrés),
le nombre d’interférents est réajusté pour deux cellules ( la station de
base voit seulement deux autres BS à cause de l’ouverture de l’antenne).
N 3 sector
2
1
 2S I  n
3
• Pour un système GSM et DCS-1800, un S/I de 9dB est requis au téléphone
mobile.
• Pour une antenne omnidirectionnel un index du path loss n de 3, la
distance de réutilisation normalisée D/R est de 4.38.
• Pour une antenne sectorisée, D/R est de 2.1.
• Le système TACS nécessite S/I de 17 dB, et D/R est égal à 14.9 (omni
antenne) et 7.2 (trois secteurs).
• Une analyse de S/I, permet de conclure que le GSM offre trois fois plus de
capacité par rapport au TACS. En réalité d’autre facteurs affectent la
capacité du système.
Evaluation de la Capacité
• La capacité d’un système cellulaire est fonction de bande de fréquence
totale, de la bande du canal, de la taille du groupe (cluster size) et de la
superficie de la cellule (en fonction de R).
• Une allocation spectrale pour un operateur réseau en GSM est souvent 515MHz
• Largeur de bande nécessaire pour soutenir une transmission simple de la
voix. Pour des systèmes TDMA cette valeur peut être obtenue en divisant la
largeur de bande par le nombre d’intervalles de temps (Time slots).
• L’équation générale pour la capacité est donc donnée par:
Capacité 
Nombre total des canaux
souscripteurs/MHz/km2
Taille du groupe * Superficie Cellule * Bande totale * Erlangs/utilisateur
• Cette équation est seulement une évaluation puisqu'elle ne prend pas en
considération les statistiques de la probabilité de blocage d'un grand nombre
d'utilisateurs.
Evaluation de la Capacité
EXERCICE 1
• Un système cellulaire analogique a une largeur de bande totale de 5MHz et
fonctionne avec une taille de groupe de N=7 et un rayon de cellules de
12km. Le réseau englobe 100 stations de base et chaque canal de voix
exige 25kHz. Supposant que chaque utilisateur représente une charge de
trafic de données de 0,02 Erlangs. Calculez la capacité d'abonnés à chaque
cellule. Déterminez la capacité totale en termes d'abonnés par MHz par
kilomètre carré. En conclusion, quelle est la capacité totale d'abonnés dans
ce réseau ?
Capacité 
Nombre total des canaux
souscripteurs/MHz/km2
Taille du groupe * Superficie Cellule * Bande totale * Erlangs/utilisateur
Evaluation de la Capacité
REPONSE 1
• Données: B=5MHz, N=7, R=12km, Nombre de stations de base 100, bande
allouée par canal de voix=25kHz, Charge d’un utilisateur 0,02 Erlangs.
• Partie 1
Appels par cellule = 5/(0.025*7) = 28.57
Souscripteurs par cellule = 28.57/0.02 = 1428.57
• Partie 2
Pour une bande de 5 MHz du système, on a 5/0.025 canaux (200 appels)
Ces canaux sont utilisés sur toute la superficie de N cellules: 7 * 452 km2 =
3164 km2
Donc, la capacité totale = 200/(5*3164) = 0.0126 appels/MHz/km2
Capacité de souscripteurs= (0.0126/0.02) = 0.632 souscripteurs/MHz/km2
• Partie 3
Capacité totale de souscripteurs = 1428.57*100 = 142,857
ou = 0.632*100*452*5 = 142,832
Zone de couverture totale = 100 * 452 = 452,000 km2
Evaluation de la Capacité
EXERCICE 2
• Un système cellulaire numérique a une largeur de bande totale de 15 MHz et
fonctionne avec une taille de groupe de N=4 et un rayon de cellules de 2 km.
Le réseau comprend 20 stations de base et chaque 200 kHz se compose de
8 intervalles de temps (time slots) en TDMA. Supposant que chaque
utilisateur représente une charge de trafic de données de 0,02 Erlangs.
Calculez la capacité d'abonnés à chaque cellule. Déterminez après la
capacité totale en termes d'abonnés par MHz par kilomètre carré. En
conclusion, quelle est la capacité totale d'abonnés dans ce réseau?
Capacité 
Nombre total des canaux
souscripteurs/MHz/km2
Taille du groupe * Superficie Cellule * Bande totale * Erlangs/utilisateur
Evaluation de la Capacité
REPONSE 2
• Données: B=15MHz, N=4, R=2km, Nombre de stations de base 20, bande
de 200 kHz est divisée en 8 intervalles de temps (exploités par 8
utilisateurs), Charge d’un utilisateur 0,02 Erlangs.
• Partie 1
Appels par cellule = 15/((0.200/8)*4) = 150
Souscripteurs par cellule = 150/0.02 = 7500
• Partie 2
Pour une bande de 15 MHz, on peut supporter 8*15/0.2=600 appels
Ces canaux utilisés sur une superficie de N cellules: 4 * 12.6 km2 = 50.4 km2
Donc, la capacité totale = 600/(15*50.4) = 0.794 calls/MHz/ km2
Capacité de souscripteurs= (0.794/0.02) = 39.68 subscribers/MHz/ km2
• Partie 3
Capacité totale de souscripteurs = 7500*20 = 150,000
ou = 39.68*20*12.6*15 = 150,000
Zone de couverture totale = 20 * 12.6 = 252 km2
Système micro-cellulaire
• Le concept de microcellules a été introduit dans les réseaux cellulaires
pour fournir une capacité élevée vue que le spectre est limité.
• Les microcellules sont généralement définies <1 km dans une zone urbaine.
• Les antennes de station de base sont sensiblement inférieures à la hauteur
des bâtiments.
• Différence avec macro-cellules:
– la couverture des microcell est en grande partie régie par l’effet des
bâtiments environnants (c.-à-d. par le blocage urbain).
– La puissance de transmission est diminuée, ceci réduit la couverture.
– Le blocage et la transmission à puissance réduite diminue les
interférences co-canal. D’où une meilleure réutilisation de
fréquence ce qui augmente la capacité du système cellulaire.
Système micro-cellulaire
• Pour des études micro-cellulaires, les modèles de propagation doivent
prendre en considération le blocage, et donc l’ étude doit être spécifique à
chaque cellule individuellement. La couverture de propagation pour chaque
site de cellules peut être obtenue statistiquement (par les mesures) ou de
manière déterministe (par traceur 3D).
Evaluation de la Capacité des Micro-cellules
• Première étape: estimer la zone de couverture. Cette zone est délimitée par
la superficie où la puissance du signal est satisfaisante et la probabilité de
coupure est maintenue au niveau requis.
• Il est nécessaire de diminuer la distance de séparation pour une meilleure
réutilisation de fréquence. Ceci dépend de plusieurs facteurs tel que le type
du terrain, la densité urbaine, l’hauteur des antennes, la puissance de
transmission et la sectorisation à chaque station de base.
Evaluation de la Capacité des Micro-cellules
• Figure ci-dessous montre la puissance du signal d’une cellule relativement à
l'interférence de six cellules de co-canal.
• la distance de réutilisation peut être réduite jusqu'à ce que le rapport C/I soit
acceptable.
• Basé sur la connaissance de la taille R de cellules et de la distance D de
réutilisation la taille de groupe peut être déterminée.
r
-90
D
Reuse Distance
Interference
-100
-70
-80
-90
-110
-100
-120
-110
-130
-120
-140
-130
-150
0
200 400 600 800 1,000
Distance (meters)
Cochannel Interference level(dBm)
Received Signal Level (dBm)
-80
-140
Détermination de la distance de réutilisation
Evaluation de la Capacité des Micro-cellules
EXERCICE 3
• Un système micro-cellulaire numérique a une largeur de bande totale de 15
MHz et fonctionne avec une taille de groupe de N=7 et un rayon de cellules
de 160 m. Le réseau comprend 20 stations de base et chaque bande de 200
kHz se compose de 8 canaux de voix de TDMA. Supposez que chaque
utilisateur représente une charge de 0,02 Erlangs et que la distance
moyenne de réutilisation est 600m. Calculez la capacité totale d’appels et
d'abonnés en chaque cellule et dans le réseau entier.
Capacité 
Nombre total des canaux
2
souscripteurs/MHz/km
Taille du groupe * Superficie Cellule * Bande totale * Erlangs/utilisateur
Evaluation de la Capacité des Micro-cellules
REPONSE 3
• Données: B=5MHz, N=7, R=12km, Nombre de stations de base 100, bande
allouée par canal de voix=25kHz, Charge d’un utilisateur 0,02 Erlangs.
•
•
•
•
Appels par cellule = (15/(7*0.2))*8 = 85.71
Souscripteurs par cellule = 85.71/0.02 = 4,285.7
Pour une bande de 15 MHz, on peut supporter 8*15/0.2= 600 appels
Ces canaux sont utilisés sur toute la superficie de N cellules: 7 * 0.0804
km2= 0.563 km2
• Donc, la capacité totale = 600/(15*0.563) = 71.04 appels/MHz/km2
• Capacité de souscripteurs= (71.04/0.02) = 3,552 souscripteurs/MHz/km2
• Capacité totale de souscripteurs = 4,285.7*20 = 85,714
ou = 3,552*20*0.0804*15 = 85,714
Zone de couverture totale = 20 * 0.0256 = 1.608 km2
Evaluation de la Capacité des Micro-cellules
• L‘exercice précédant montre comment réaliser des densités de trafic très
élevées dans des zones urbaines denses grâce aux systèmes microcellulaires.
• Cependant ceci est limité à un petit secteur géographique de couverture.
• En pratique, le choix de la taille de cellules et la capacité doivent être
adaptés au besoin.
• Les systèmes de communication mobile modernes utilisent un mélange de
petites cellules dans les villes (souvent 3G et LTE) et de grandes cellules
pour les zones rurales (souvent GSM et EDGE).
• Les grandes cellules réduisent les transferts d’appels pour l'usage
véhiculaire.
Capacité
Couverture
Analogique
0.63 abonnés/MHz/km2
452,000 km2
Macro-cellulaire
39.68 abonnés/MHz/km2
252 km2
Micro-cellulaire
3,500 abonnés/MHz/km2
1.6 km2
Comparaison Système analogique, macro- et micro-cellulaire
Evaluation de la Capacité des Micro-cellules
• Quelques opérateurs visent pour un haut niveau de couverture géographique
(c.-à-d. 90% du pays), alors que d'autres visent pour un haut niveau de
couverture de population (c.-à-d. 90% de la population).
• Puisque 90% de la population tendent à vivre dans les villes, ceci peut être
réalisé avec relativement un bas niveau de couverture géographique
(exemple, 15% de la population en Algérie peut être soutenu avec un réseau
à Alger).
Capacité
Couverture
Analogique
0.63 abonnés/MHz/km2
452,000 km2
Macro-cellulaire
39.68 abonnés/MHz/km2
252 km2
Micro-cellulaire
3,500 abonnés/MHz/km2
1.6 km2
Comparaison Système analogique, macro- et micro-cellulaire