Chapitre II

Propagation radio.

Introduction : Dans le domaine des communications radio mobiles, il existe deux approches fondamentales de prdiction de comportement d'un canal de transmission. La premire approche consiste modliser le canal de faon statistique. La seconde mthode consiste utiliser une rsolution analytique directe des quations de propagation ou simuler les trajets du signal dans le milieu de propagation. Ce chapitre est consacr en premire partie lenvironnement de la propagation de londe radio qui est caractrise par des obstacles et de sources de brouillage, et en seconde partie aux modles de propagations qui servent la prdiction mathmatique de la propagation des frquences radiolectriques entre la source et la zone de service cible.

I. Composition dun relais :Nous allons voir dans cette partie les caractristiques principales dun relais GSM, ainsi que sa composition, dune manire assez simplifie.

1 . Antennes : Les antennes sont les composantes les plus visibles du rseau GSM. On les voit un peu partout, souvent sur des hauts pylnes, sur des toits dimmeubles, contre des murs, lintrieur des btiments ; il arrive assez souvent quelles soient invisibles puisque camoufles, pour des raisons esthtiques, proximit de btiment classs monuments historiques . Ces antennes permettent de raliser la liaison Um entre la MS (tlphone mobile) et la BTS.

1.1. Caractristiques : a. Frquences dutilisation : La caractristique la plus importante dune antenne, aussi appele arien, est la bande de frquences supporte ; c'est--dire les frquences que lantenne pourra mettre et recevoir. Sur les sites GSM, on trouve des antennes qui mettent seulement en 900 MHz, seulement en 1800 MHz ou des antennes bi-bandes 900 et 1800 MHz. On trouve dj, et leur nombre ne fera quaugmenter, des antennes bi-modes (GSM & UMTS) et bi-bandes (1800 & 1900-2200 MHz) ou tri-bandes (900,1800 & 1900-2200 MHz), qui sont des antennes qui servent la fois pour le GSM en 900 et/ou 1800 MHz, mais aussi pour lUMTS en 1900-2200 MHz.

2

Chapitre II

Propagation radio.

b. Directivit : La deuxime caractristique importante est la directivit sur le plan horizontal, cest en fait la ou les direction(s) dans laquelle lantenne va mettre. En GSM, il existe deux grands types de directivits pour les antennes : Omnidirectionnelle : Elles sont assez peu rpandues. Lors de lutilisation pour des macros cellules, elles ressemblent des brins denviron 2 m de haut et 5 cm de diamtre, alors que pour les micro cellules, ce sont des brins de 40 cm de haut et 2 3 cm de diamtre. Ces antennes-brins sont omnidirectionnelles, elles mettent de manire gale dans toutes les directions. Pour les macro cellules, les sites comportent souvent deux trois antennes omnidirectionnelles.

Figure : Diagramme de rayonnement dune antenne-brin omnidirectionnelle Kathrein 738 449

Comme on peut le voir sur ces diagrammes, lantenne met dans toutes les directions sur le plan horizontal, et dans deux directions principales sur le plan vertical.

Directionnelle : Elles reprsentent la quasi-totalit des antennes utilises. Lors de lutilisation pour la

couverture de macro cellules, elles ressemblent des panneaux de couleur beige ou blanche denviron 2 m de haut, 20 cm de large et 10 cm dpaisseur, alors que pour les micro cellules, ce sont de petits panneaux dune vingtaine de centimtres de haut, 10 cm de large et quelques centimtres dpaisseur. Ces antennes-panneaux sont directionnelles, elles mettent seulement dans la direction dans laquelle elles sont orientes, ce qui permet de limiter le champ de propagation dune frquence pour pouvoir ainsi de la rutiliser une distance proche, sans

3

Chapitre II

Propagation radio.

risque de brouillage. Les relais sont souvent composs de trois antennes-panneaux orientes environ 120 lune de lautre, de manire couvrir sur 360.

Figure : Diagramme de rayonnement dune antenne-panneau directionnelle Rymsa AT42-643T0

On peut constater sur le plan horizontal que lantenne-panneau met forte puissance vers lavant, et avec une puissance faible derrire elle. On remarque sur le plan vertical, que lantenne met avec une puissance faible au dessus et au dessous, mais avec une puissance beaucoup plus importante devant elle.

Rsum sur les diagrammes de rayonnement :

- Sur le plan horizontal : Il faut considrer lantenne situe au centre, vue de dessus et dirige vers la droite. On peut ainsi voir dans quelle direction (avant ou arrire) lantenne envoie le plus de puissance.

- Sur le plan vertical : Il faut considrer lantenne situe au centre, vue de profil (gauche) et dirige vers la droite. On peut donc voir dans quelle direction (au dessus, au dessous) lantenne met avec le plus de puissance. On se rend compte que les antennes-panneaux mettent avec une puissance beaucoup plus importante devant elles quau dessus et au dessous. Par consquent, pour subir un rayonnement moindre dans son appartement, il vaut mieux avoir une antenne GSM sur son toit, que sur celui du voisin den face.4

Chapitre II

Propagation radio.

b. Porte : Une autre caractristique est la porte des antennes. Elle dpend pour beaucoup de la PIRE (Puissance Isotrope Rayonne quivalente) de lantenne, mais aussi de son orientation. En gnral, une antenne assure la couverture dune zone appele secteur ou cellule. Il existe deux grands types de cellules, le premier tant la micro (petite) ou pico (trs petite) cellule qui couvre une zone de taille rduite, par exemple une rue trs frquente, une galerie marchande, un centre commercial au moyen dantennes de petite taille, souvent omnidirectionnelles. Le deuxime type est celui des macro cellules qui couvrent des zones de grande superficie (plusieurs dizaines de kilomtres carrs), que lon trouve prs des autoroutes, et dans les zones priurbaines ou rurales ;dans ce cas, les antennes utilises sont souvent de type directionnel. c. Gain Puissance : Chaque antenne possde un gain qui lui est propre. Le gain est lamplification que lantenne effectue du signal dentre. Ce gain sexprime en dB ou dBi, et est denviron 2 11 dBi pour les antennes omnidirectionnelles et jusqu 18 dBi pour les antennes directionnelles. La puissance mise par lantenne est appele PIRE (Puissance Isotrope Rayonne quivalente) ou PAR (Puissance Apparente Rayonne, PAR = PIRE 2,15 dB). Cette puissance est fournie par la BTS et ses amplificateurs de puissance, commands depuis le BSC. La PIRE est de quelques watts pour des antennes couvrant des micro cellules, et dune vingtaine une cinquantaine de watts pour des macro cellules. La PIRE est exprime en dBm, ce qui est plus pratique pour le calcul des pertes des coupleurs, cbles coaxiaux et gain des antennes. d. Azimut : Chaque antenne est dirige dans une direction dtermine par des simulations, de manire couvrir exactement la zone dfinie. La direction principale de propagation de lantenne, c'est--dire la direction dans laquelle lantenne met sa puissance la plus importante est dirige dans lazimut tabli. Lazimut est un angle qui se compte en degrs, positivement dans le sens horaire, en partant du nord (0). De cette faon, lazimut 90 correspond lest, lazimut 180 au sud, etc

5

Chapitre II

Propagation radio.

Figure : Reprsentation des azimuts

Figure : Exemple des valeurs des azimuts sur un site tri sectoris

e.Tilt : Tout comme lazimut, le tilt (ou down-tilt) est laiss la discrtion des installateurs dantennes qui les orientent selon les recommandations de loprateur. Le tilt est langle d'inclinaison (en degrs) de l'azimut du lobe principal de l'antenne dans le plan vertical. Le diagramme de rayonnement d'une antenne avec un tilt positif sera dirig vers le haut, alors quun tilt ngatif fera pointer lantenne vers le bas. Il existe deux types de tilt : mcanique : il suffit de relever lgrement lantenne sur son support, pour quelle soit lectrique : rglage denviron 2 10, en tournant une partie mcanique larrire de lantenne qui joue sur le dphasage des signaux dans les diffrents diples constituant lantenne.

dirige dans la direction souhaite.

6

Chapitre II

Propagation radio.

Figure :Antenne directionnelle avec tilt positif

Figure :Antenne directionnelle avec tilt ngatif

2. Le canal radiomobile : Les signaux mis par les stations de base et les mobiles transitent par le canal radiomobile sous la forme d'une onde lectromagntique dont la frquence porteuse est situe dans les zones identifies dans figure si dessous. Les conditions d'utilisation des terminaux mobiles (dbits transmis, frquences utilises, mobilit des utilisateurs . . .) rendent dlicate la rception optimale des signaux mis par la station de base. En effet, plusieurs phnomnes viennent entacher le signal reu d'erreurs que le mobile et la station de base doivent dtecter et prendre en compte lors du processus de rception.

Figure : exemple de propagation par trajet multiples

Le temps de propagation d'une information selon les diffrents trajets est variable avec la longueur de chaque trajet, ce qui entrane une distorsion prjudiciable la reconnaissance du message transmis.7

Chapitre II

Propagation radio.

3. Les contraintes de la propagation radio :La propagation des ondes radio obit des rgles complexes, surtout lorsquil y a des obstacles entre lmetteur et le rcepteur. Parmi les modifications que peut subir une onde, on peut citer : - La rflexion- La diffraction- La diffusion- La rfraction.

Une onde peut galement suivre plusieurs chemins parallles dcals dans le temps, de telle sorte que le rcepteur peut recevoir diffrentes copies du mme signal des instants diffrents. Ces phnomnes dpendent bien sr de la frquence utilise et de la nature des obstacles rencontrs (murs en bton, fort dense, faade en verre,...ou espace ouvert). Comme souvent, lorsque les phnomnes sont complexes, on sappuie sur des modles mathmatiques. Cest--dire une srie dquations qui donnent une bonne ide du phnomne. La notion de bonne ide est bien sr relative au degr de prcision quon dsire : plus la prcision requise est grande, plus le modle mathmatique est complexe. En propagation radio, on utilise trois modles qui sembotent pour donner une prcision croissante : laffaiblissement de parcours, leffet de masque et lvanouissement rapide. 3.1.Laffaiblissement de parcours : Une chose est sre : plus on sloigne de lantenne mettrice, plus faible est la puissance reue. Mais une question demeure : comment caractriser cette dcroissance ?

8

Chapitre II

Propagation radio.

Si on mesure la puissance reue en fonction de la distance lantenne, on risque dobtenir ce type de rsultat :

Figure : Puissance reue en fonction de la distance.

Cest dire que la puissance reue en W, Pr, est une fonction de la puissance rayonne (ou plus prcisment la Puissance Isotrope Rayonne, PIRE), du gain de lantenne de rception, Gr, de la distance, d, et de la frquence, f : Pr[W] = PIRE[W]*Gr*K/(da*fb) Ou en dBm : Pr[dBm] = PIRE[dBm] + 10 log(Gr) + 10 log(K) - 10a log(d) - 10b log(f) K, a et b sont des constantes qui dpendent de lenvironnement. - le terme PL = -10 log(K) + 10a log(d) + 10b log(f) sappelle laffaiblissement de parcours (path-loss). - plus la frquence est leve, plus laffaiblissement de parcours est important. Ce qui veut dire par exemple que les ondes du GSM 900 MHz se propagent moins bien que les ondes du CDMA 450 MHz. - La PIRE en dBm est la puissance mise plus le gain de lantenne dmission.9

Chapitre II

Propagation radio.

- 10 log(Gr) est le gain de lantenne de rception en dBi. Les constantes K, a et b ont t values et modlises en fonction des environnements et des bandes de frquences grce des mesures. Parmi les principaux modles, il y a les modles de Hata-Okumura et Walfish-Ikegami. 3.2.Leffet de masque : Le modle de laffaiblissement de parcours donne une premire approximation de leffet de la propagation. En fait, si on regarde la Figure avec une loupe, on observe que la puissance reue varie autour de la moyenne prdite par le modle daffaiblissement de parcours.Figure : Puissance reue et effet de masque.

En effet, le modle daffaiblissement de parcours suppose que lenvironnement est homogne. En fait, il y a des obstacles, ou masques, entre lantenne et le rcepteur qui peuvent affaiblir le signal ou au contraire le guider. Pour modliser cet effet de masque, on doit ajouter une variable alatoire laffaiblissement de parcours : Pr[dBm] = PIRE[dBm] + Gr[dBi] - PL[dB] + M[dB] M en dB est une variable alatoire de distribution gaussienne avec moyenne nulle et cart-type s. Ceci signifie qu une distance donne d, la puissance reue moyenne est donne par laffaiblissement de parcours. Cependant, en un point, la puissance reue nest pas tout-fait prdictible et peut scarter de la valeur moyenne.

10

Chapitre II

Propagation radio.

Figure : A une distance d, la puissance reue varie cause des diffrents obstacles entre lmetteur et le rcepteur. Un cart-type habituel en milieu rural est 6dB.

3.3.Les vanouissements rapides : On peut encore affiner la modlisation de la propagation radio. Si on regarde nouveau avec une loupe la Figure 3, on observe quil y a encore une variation autour de la courbe noire.

Figure : Evanouissements rapides.

La distance dobservation est maintenant trs petite (de lordre de la demi longueur donde). Cest dire que la puissance moyenne est pratiquement constante (y compris en prenant en compte leffet de masque). En revanche, en se dplaant dune petite distance, on observe dassez grandes variations autour de cette puissance moyenne : cela est d aux . 4. Le bilan de liaison 4.1. Les paramtres du bilan de liaison La ralisation du bilan de liaison repose principalement sur les paramtres suivants [1]: Paramtres de transmission11

Chapitre II

Propagation radio.

-Bruit thermique: sa puissance Nth est donne par k* T0 avec k est la constante Boltzmann (k = 1.38*10-20 mW/Hz/K) et T0 = 293 K : Nth = -174 dBm/Hz. - Dbit Chip Tc : fix 3.84 Mchip/s. - Marge de fading de masquage (Shadowing margin): elle est due aux effets de masquage. Elle est en fonction de la probabilit de couverture de la cellule, localisation de lUE et du Gain de Soft/Softer handover. -Marge de fading rapide (fading de Rayleigh) : Il sagit dun fading rapide qui dpend de la qualit de service requise et de la nature de lenvironnement auquel appartient l UE. Paramtres de lquipement utilisateur -Puissance maximale (PUE) : elle varie selon la classe des mobiles. Pour les mobiles de classe 3, elle est de 24 dBm. Pour les mobiles de classe 4, elle est de 21 dBm. - Gain dantenne du mobile : GUE - Pertes dans les cbles dalimentation de lantenne du mobile Lf - Perte due au corps de lutilisateur : LBody. Paramtres du Node B - Facteur de bruit NF (Noise Factor) : il sagit du facteur de bruit gnr au rcepteur. - Pertes de connecteurs et de feeders : LfNodeB - Puissance maximale : la puissance maximale du NodeB intervient au niveau du bilan de liaison pour le lien descendant : PNodeB - Gain dantenne : GNodeB Paramtres lis aux services - Gain de traitement (Processing Gain) : Gp = 10* log (dbit chip / dbit service) - (Eb/N0) requis : cette variable caractrise la qualit de service atteindre pour le service considr. Elle varie en fonction de la mobilit de lutilisateur. - Gain de Soft handover (GSHO) : il correspond au gain que le mobile ralise dans une situation de soft handover. Dans cette situation, le mobile est connect plus quune station de base et donc utilise une puissance minimale. Marge dinterfrence (NRUL: Noise RiseUL) :12MS

Chapitre II

Propagation radio.

Ce paramtre correspond au niveau daugmentation du bruit du laugmentation de la charge dans la cellule. Cette marge dinterfrence est lie au facteur de charge ( ) quiul

mesure la charge de chaque lien (montant ou descendant). La marge dinterfrence est importante si la capacit et donc la charge autorise dans la cellule sont importantes .Ainsi, dans les zones urbaines, cette marge doit tre importante alors que dans les zones rurales, la marge dinterfrence est faible. Le rseau doit tre planifi de faon pouvoir supporter une certaine marge dinterfrence afin de garantir un rayon minimum pour la cellule et ce, pour chaque service. La marge dinterfrence est donne par la formule suivante : -10* log (1- )ul

4-2- Bilan de liaison pour le lien montant Pour le calcul du bilan de liaison pour le lien montant [1], il faut tout dabord dterminer EIRP (Effective Isotropic Radiated Power). Elle correspond la puissance quil faudrait fournir une antenne isotrope pour obtenir le mme champ la mme distance. Elle a lexpression suivante : EIRP (dBm) = PUE + GUE LBody LfMS

Laffaiblissement maximal admissible sur le lien montant est donne par : LMax_UL = EIRP + GNodeB LfNodeB + GSHO MFad_Ray MFad_shad Avec : MFad_Ray est la marge due au fading de Rayleigh. MFad_shadow est la marge due au fading de masquage. 4-2- Bilan de liaison pour le lien descendant Canal de trafic : Dans le cas du lien descendant, lexpression de EIRP (dBm) scrit comme suit [1]: EIRP (dBm) = PNodeB + GNodeB LfNodeB Pour dterminer la perte maximale admissible, on calcule la somme totale des bruits et des interfrences cres par tous les mobiles en suivant les tapes suivantes : = EIRP SRx + GUE - Lf + GSHO MFad_Ray MFad_shadow

L

TCH_DL

MS

Canal pilote : La puissance du canal pilote doit tre ajust en fonction de la puissance de la puissance des canaux de trafic de sorte quelle ne soit pas trot lev. En effet, une13

Chapitre II

Propagation radio.

puissance importante du canal pilote a pour consquences la rduction de la puissance des canaux de trafic et un niveau de brouillage important.

La perte de propagation maximum pour le canal pilote est exprime par la formule suivante : LPILOT

= EIRP SRx + GUE - Lf

MS

+ GSHO MFad_shadow

5- Les modles de propagationLes modles de propagation ont pour but de prdire au mieux les variations lentes du signal radio dues aux obstacles (dits aussi effets de masques ) le long de la liaison Emetteur- Rcepteur. Pour modliser ce phnomne On distingue alors trois grands types de modles de prdiction de propagation des ondes radiolectriques :

Modles thoriques, dterministes. Les modles semi-empiriques. Les modles empiriques ou statistiques.

5-1 - Modles thoriques, dterministes : Ce type de modlisation est assez rare en propagation radiolectrique, car les modles dterministes sont trs complexes et leur utilisation implique une connaissance trs approfondie du sujet. Ils sont ddis surtout des travaux de recherche, ce qui les rend incompatibles avec lingnierie des rseaux radio mobiles o lon a besoin doutils rapidement oprationnels. De plus, lapproche par ces modles ne mne gnralement pas aux rsultats escompts.

5-2- Les modles semi-empiriques Par opposition aux modles empiriques, les modles semi-empiriques sappuient sur une caractrisation plus prcise de la zone couvrir. Ils font un compromis entre la complexit et la prcision. En effet, ils font intervenir la fois les aspects thoriques et des mesures. Ce qui donne des rsultats plus prcis que des modles empiriques tel que Le modle de WalfischIkegami . Le modle de Walfisch-Ikegami : Ce modle combine les approches empiriques et dterministes pour calculer les pertes de propagation en milieu urbain. Il prend en compte aussi la perte de propagation en espace libre,14

Chapitre II

Propagation radio.

la perte par diffraction, la perte entre les toits des btiments voisins et linfluence des routes o le mobile est situ. Les paramtres intervenant dans lexpression du modle sont les suivants : f : Frquence porteuse (MHz) :800 f 2000 . h Hauteur dantenne (m) de la station de base par rapport au sol : 4 h 50 .b: b

h : Hauteur dantenne (m) de la station mobile par rapport au sol : 1 h 3.m R m

h : Hauteur moyenne (m) des btiments, h > hR

m.

w: Largeur de la route (m) o le mobile est situ. b : Distance (m) entre les centres de btiments. d : Distance (Km) entre la BS et MS : 0.02 d 5 : Angle (en degrs) qui fait le trajet avec laxe de la route h = h h (m) : Hauteur de BS au dessus des toits.b b R

h = h h (m): Hauteur de MS au dessous des toits.m R m

2 - Modles empiriques ou statistiques : Ces modles permettent de dcrire mathmatiquement (le plus souvent grce aux statistiques), un ensemble de mesures collectes sur le terrain ou de donnes exprimentales, de donner une reprsentation de la ralit. La majorit des modles de propagation appartiennent ce type de modles. Un modle empirique bien construit, avec la rigueur exige par lanalyse statistique, reprsentera correctement les donnes qui ont servi ltablir. On cite comme exemple : Le modle COST 231 Hata qui ferra lobjet de notre tude.

Le modle COST 231 Hata : Le modle COST 231 Hata a les mmes conditions que le modle dOkumura Hata sauf

quil est dvelopp pour tendre lutilisation de ce modle pour les bandes de 1500 2000 MHz. Le pathloss est donn par la formule suivante : Lp = 46.33 + (44.9 6.55log (h1)) log (d) a (h2) 13.82log (h1) + C Lexpression de a (h2) dpend du type de la ville : = petite et moyenne ville : a (h2) = (1.1log (f) 0.7) h2 1.56log (f) + 0.8 grande ville : a (h2) = 3.2(log (11.75h2)) 2 4.9715

Chapitre II

Propagation radio.

La valeur de la constante C varie selon la nature du milieu : - milieu urbain ; C = 0 - milieu suburbain ; C = -51.11 - milieu rural ; C = -30.23

16