Principes de Planification Radio GSM [PDF]

Zitiervorschau

Principes de Planification Radio GSM Module: TCOM3 Filière: Licence Professionnelle Réseaux et Télécom Laboratoires: LET & SISCOM Département d’Electronique Université de Constantine 2011-2012 Auteur: Dr. Hatem MOKHTARI

1. Système de Coordonnées WGS84 (World Geographic System 1984) • Elaboré et adopté en 1984 par l’ONU et L’UIT • C’est le système géographique le couramment utilisé • Il consiste à repérer un point sur Terre par sa Longitude et sa Latitude • La plupart des pays dans le monde utilisent ce système qui est en fait un Standard International

1.1. Définitions de Longitude et Latitude 03°43’12’’E 36°27’57’’N Latitude Mériden (Greenwitch)

• Longitude: c’est la position angulaire du point par rapport au Méridien • Latitude: C’est la projection de la position angulaire du point par rapport à l’équateur • La Longitude et la Latitude peuvent être exprimées en (degré, minutes, seconde) ou en degrés décimaux. • Exemple de Longitude: 03°43’12’’E ou 3.33456° E • Exemple de Latitude: 36°27’57’’N ou 36.2584° N

Equateur

Longitude

1.2. Système de Projection LAMBERT •Par soucis de haute précision le système LAMBERT a vu le jour

•Les distances X,Y sont données en mètres afin d’avoir de grands nombres et augmenter la •un point sur la surface précision du repérage de l’Europe est repéré par ses coordonnées •Exemple: la France Cartésiennes X, Y utilise le LAMBERT II étendu •Le point (0,0) est situé en Océan Atlantique

Conversion de puissances • • • • • • • • • • • •

En Radiocom les puissances reçues par les mobiles (MS) et les stations de bases (BTS) sont très faibles (de l’ordre de la fraction du mW) Les puissances TRANSMISES par les BTS sont élevées Au lieu de manipuler des puissances en W ou mW, on utilise le dBm 0 dBm = 10xlog(1mW/1mW) 30 dBm = 10xlog(1000 mW/1mW) La référence est TOUJOURS 1 mW pour le dBm Exemple 1: Un MS reçois en un point donné une puissance de 10-9 W (ou 10-6 mW) donc sa puissance est 10xlog(10-6mW/1mW)= -60 dBm C’est aussi valable pour les puissance d’émission Exemple 2: Une BTS à une puissance de sortie de 20W (ou 20.000 mW), sa puissance est donc 10xlog(20000 mW/1mW) = +43 dBm On peut aussi utiliser le dBW (le Watt comme référence) et le passage du dBm au dBW se fait grâce à la formule P(dBm) = P(dBW) + 30 dB (ceci parce que 1 W = 1000 mW) Exemple 3: Une BTS de 20 W a une puissance de 43 dBm ou 13 dBW Exemple 4: Un MS GSM900 émet à 2 W donc 33 dBm ou 3 dBW, un MS GSM1800 émet à 1 W donc 30 dBm ou 0 dBW

Puissance Isotropique Rayonnée Equivalente (ou PIRE) • En anglais c’est la EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) • Définition: C’est la puissance fournie à une antenne pour obtenir la même puissance dans toutes les directions et une distance d • On considère toujours le lobe principal donc • PE = P + G • Example: Pour une antenne ayant un gain de 18 dBi et une station de base fournissant 20 W, la PIRE est alors PE = 10xlog10(20.000)+18 dBi = 43 dBm + 18 dBi = 51 dBm

Puissance Isotropique Rayonnée Equivalente (ou PIRE) • dBi se référence à une antenne ISOTROPIQUE et dBd à un dipôle • La relation entre dBi et dBd est: – P(dBi) = P(dBd) + 2.15 dB

• Exemple: Si une antenne a un gain de 12 dBd, son gain est alors de 14.15 dBi • La notion de dBi est la plus couramment utilisée en Radiocomm.

Puissance Isotropique Rayonnée Equivalente (ou PIRE) • Exercice – Une antenne de Station de base a un Gain de 16 dBd – La Station de base fourni une puissance de sortie de 15 W – Calculer: • Le Gain de l’antenne en dBi • En déduire la PIRE en dBm, et en dBW

Ce qu’il faut bien retenir • Le dBm c’est pour les puissance émises et reçues • Le dBi c’est pour les gains d’antennes • Le dB c’est pour les atténuations ou la soustraction de deux puissances ou deux gains – Exemple 1: atténuation de 120 dB en espace libre – Exemple 2: le gain d’une antenne est de 15 dBi (et non dBm ou dB) – Exemple 3: un signal reçu de -115 dBm – Exemple 4 : La puissance d’un émetteur A est 10 dB plus élevée que celle d’un émetteur B – Exemple 5: Le rapport F/B d’une antenne est de 25 dB (et non pas dBi) – Exemple 6: La sensibilité de mon portable est de -95 dBm

Diagramme de Rayonnement d’une Antenne

Diagramme de Rayonnement d’une Antenne • Une antenne a toujours une direction privilégiée de rayonnement • Il existe différents type d’antennes de BTS – Antennes Omnidirectionnelles: Gain constant sur 360° – Antennes Directives: Gain variable en fonction de l’azimut

• Les antennes directives sont les plus utilisées afin : – D’assurer la couverture d’une zone donnée (notion de cellule) – D’éviter les interférences avec des cellules adjacentes du même site ou de sites voisins

Diagramme de Rayonnement d’une Antenne

Caractéristiques essentielles d’une antenne • Une antenne est caractérisée par: – Son gain maximal (dBi) (Maximum Gain) – Son angle d’ouverture Horizontale (Horizontal Aperture) • C’est l’angle qui correspond à une atténuation de 3 dB par rapport au lobe principal dans le plan Horizontal

– Son angle d’ouverture Verticale (Vertical Aperture) • C’est l’angle qui correspond à une atténuation de 3 dB par rapport au lobe principal dans le plan Vertical

– Son rapport Avant/Arrière (Front to Back ratio :F/B) en dB • C’est le rapport du Gain maximal sur le lobe principal divisé par le Gain maximal sur le lobe arrière (en dB il faut les soustraire) • Exemple: Une antenne a un Gain Maximal Avant de 25 dBi et 5 dBi sur le lobe arrière. Le rapport F/B = 25 – 5 = 20 dB

Notions de Tilt Electrique et Tilt Mécanique Afin de limiter ou d’augmenter la zone de couverture d’une antenne on tilt l’antenne vers le sol ou vers le ciel. On parle alors de: DOWNTILT et UPTILT Le tilt est l’angle d'inclinaison du lobe principal de l'antenne dans le plan vertical. Il existe deux types de tilt : ELECTRIQUE et MECANIQUE

TILT ELECTRIQUE Avant tilt

Après tilt

Le tilt électrique se fait via le réglage du déphasage entre les dipôles qui forment l’antenne

TILT MECANIQUE Pour effectuer un tilt MECANIQUE, il faut tourner mécaniquement l’antenne comme le montre la figure ci-dessous

UPTILT MECANIQUE

DOWNTILT MECANIQUE

Exemple de l’effet du Uptilt Electrique Objectif: AUGMENTER LA ZONE DE COUVERTURE

Couverture d’un site GSM1800 AVANT UPTILT

Couverture d’un site GSM1800 APRES un UPTILT de 6°

Remarque: L’ingénieur Radio a constaté que le terrain est très vallonné. Pour augmenter la zone de service il faut faire un UPTILT sur les 3 cellules pour atteindre les abonnés au sommet des montagnes autour du site.

Exemple de l’effet du Downtilt Mécanique Objectif: REDUIRE LA ZONE DE COUVERTURE

Avant Downtilt Mécanique

Après Downtilt Mécanique. Secteur Sud Est: Tilt Mécanique de 6° Secteur Sud Ouest: Tilt Mécanique de 2° Secteur Nord: Pas de Tilt

On voit clairement la réduction de la zone de couverture des 2 secteurs du SUD. La Couverture de la zone du Nord est resté intacte vu qu’aucun tilt n’y est appliqué

Puissance reçue par une antenne (valeurs linéaires) • On suppose que deux antennes sont éloignées de d et qu’aucun obstacle n’est présent entre elles. • On démontre que la puissance reçue PR est alors

• • • •

PT : Puissance de sortie de l’émetteur (Watt) GT: Gain de l’antenne d’émission (sans unité) l : la longueur d’ondes (mètre) GR : Gain de l’antenne de réception (sans unité)

Formule de propagation d’espace libre entre deux antennes Isotropiques • Lorsque GT = GR = 1 ou 0 dBi alors l’atténuation PR/PT notée aussi L et exprimée en dB devient:

Formule de la Puissance reçue (en dBm) (entre deux antennes ISOTROPIQUES) • En général on calcule la puissance reçue via la formule suivante: • PR(dBm) = PIRE(dBm) + L(dB) – Exemple: • Une BTS émet à 20W avec une antenne de 18 dBi de gain et 3 dB de pertes dans le câble. La fréquence porteuse est de 900 MHz. Un portable est situé à 10 km loin de la BTS. Calculer la puissance reçue par le portable (en dBm)

– Réponse: • La PIRE = 10*log10(20.000) + 18dBi -3dB = 43+15 = 58 dBm • Atténuation L = -32.44 – 20xlog10(1800) – 20xlog10(10)= -127.5 dB • Pr = 58 – 97.5 = -59.5 dBm

Formule de la Puissance reçue (entre deux antennes quelconques) • Il suffit juste de rajouter les atténuations dues aux diagrammes de rayonnements Horizontal et Vertical à la valeur de la puissance reçue ciavant • Par exemple: si le signal reçu provient de la direction 32.5 ° par rapport au lobe principal dans le plan Horizontal d’une antenne à angle d’ouverture Horizontale de 65°, il faut retrancher 3 dB

Formule de la Puissance reçue (entre deux antennes quelconques)

Direction du lobe principal Gain = Gmax

d

Notion de taux d’ondes stationnaires VSWR • VSWR: Voltage Standing Wave Ratio (ou TOS en français) • À retenir: 1 < VSWR < ∞ • C’est le rapport de la puissance Réfléchie à la puissance transmise à une antenne • Lorsque l’impédance est totalement adaptée VSWR = 1 aussi noté 1:1) • Dans l’industrie du GSM, un VSWR 1.5:1 est acceptable. CAD un VSWR=1.5 (ou 11 % de puissance réfléchie est acceptable) • Le pourcentage de la puissance réfléchie est donné par:

Fiche Technique d’une antenne réelle (Omnidirectionnelle)

Fiche Technique d’une antenne réelle (Directive ou Directionnelle)

Sensibilité d’un récepteur (théorie)

Sensibilité d’un récepteur (application) Une BTS d’un site GSM a les caractéristiques de réception suivante: •Facteur de bruit: 4 dB •S/N = 9 dB •Bande passante: 200 kHz •La sensibilité est alors: •Smin = 10xlog10(1.38 * 10-23* 290°K * 200000Hz) + 4dB + 9dB = -137.9 dBm •Aucune marge est prise à ce stade!

Seuils de Conception d’un réseau GSM (Design Thresholds) • • •

Le seuil de conception correspond à la sensibilité du récepteur GSM dans un environnement donné pour garantir un BER acceptable Exemple: ETSI défini une sensibilité statique d’un récepteur GSM1800 de -100 dBm Afin d’assurer une bonne qualité de réception partout on défini des Seuils de conception pour: – Indoor – Outdoor – Incar

• •

On doit donc rajouter des marges d’atténuation Exemple de calcul de Design Threshold pour INDOOR : – On estime 22 dB d’atténuation pour qu’un signal atteigne un abonné chez lui (indoor) donc le seuil devient -100 dBm + 22 dB = - 78 dBm – On estime que la tête du corps humain atténue le signal de 5 dB, le seuil devient alors – 78 + 5 = -73 dBm (la Recommandation ETSI GSM 03.30 = 3 dB) – On estime à 4 dB l’effet du FADING ou évanouissement du signal; le seuil devient alors -73 dBm + 4 dB = - 69 dBm – On estime à 3 dB la marge de Handover à prendre pour garantir la qualité du signal lorsque l’abonné se déplace et peut donc passer le signal à une station de base autre qu’avec celle il communique et le seuil monte à – 66 dBm

Canal de Propagation • Lorsqu’une onde radio se propage elle interagit avec le milieu entourant l’antenne d’émission avant d’arriver aux récepteurs (obstacles, murs, route, bâtiments, etc.) • Ce milieu s’appelle CANAL DE PROPAGATION • Le signal subit des distorsions dues à des réflexions, des réfractions, des diffractions et arrive au récepteur modifié, déphasé et atténué. On dit alors que le signal a subit des évanouissements ou un FADING

Propagation des ondes radioélectriques en VHF-UHF • La bande VHF : 30-300 MHz • La Bande UHF: 300-3000 MHz • Le GSM900 et GSM1800 sont des systèmes qui opèrent donc en UHF • Nous étudieront les modèles de propagation suivants: – – – –

Modèle en Espace Libre Modèle de Terre plate ou modèle à deux rayons Diffraction sur un obstacle en lame de couteau Diffraction sur deux obstacles en lame de couteau • Modèle de Deygout • Modèle d’Epstein-Peterson

– Modèle d’Okumura-Hata – Modèle COST231-Hata

Modèle en Espace Libre (Free Space Model)

L(dB) = 32.44 + 20xlog(FMHz) + 20xlog(dkm) Onde radio à 900 MHz ou 1800 MHz

MS

BTS

Hypothèses: 1. Pas d’obstacle en BTS-MS 2. La première Ellipsoïde de Fresnel est TOTALEMENT Dégagée

Modèle de Terre Plate (Modèle à 2 rayons) (Flat Earth Model)

En supposant que d>>Ht et d>>Hr on démontre que:

Diffraction sur obstacle en lame de couteau (Knife-Edge Diffraction Model) Afin de calculer l’atténuation due à la diffraction par un seul obstacle il faut d’abord calculer v le paramètre de Fresnel donné par:

Ensuite appliquer la formule suivante suivant la valeur du paramètre de Fresnel :

Mini Projet (à faire chez soi)

1. Calculer le paramètre de Fresnel 2. Calculer L(v) et le comparer à L(espace libre) 3. La BTS émet à 30W en sortie avec une antenne de 20 dBi et des pertes cables de 1.5 dB 1. Calculer Pr(dBm) en espace libre 2. Calculer Pr(dBm) en considérant la diffraction