Chapitre II

Les Problèmes de propagation radioélectrique et solutions liés à la mauvaise qualité de transmission et réception des signaux radio mobile 2G/3G

II.0 Introduction

Le premier chapitre de ce projet nous a permis de comprendre comment fonctionnent les réseaux 2G ( GSM) et (3G UMTS) ainsi que ses dérivés (GPRS, EDGE…etc). Afin de rester fidèle à notre but sur l’optimisation et le déploiement de sites radiocommunication mobile il est important de comprendre les comportements et les facteurs qui agissent sur les signaux radio mobile. Ce chapitre intitulé : Les Problèmes de propagation radioélectrique et solutions liés à la mauvaise qualité de transmission et réception des signaux radio mobile 2G/3G ; Comme son nom l’indique, Il a pour objectif de décrire et expliquer étape par étape les problèmes et les solutions des interférences des ondes électromagnétiques, des évanouissements, des atténuations et des pertes causés par les erreurs de conception.

II.1 Les problèmes d’interférences

Les interférences sont un phénomène qui se produit lorsque deux ondes de même nature se rencontrent. Dans le domaine de la télécommunication nous distinguons les interférences co-canal et les interférences du canal adjacent.

Figure II.1 : exemple d’interférence

Que peuvent donc être les conséquences de ces interférences sur la propagation des ondes électromagnétiques ?

II.1.1 Interférence co-canal

Suite à une conception d’un réseau cellulaire il est possible de pratiquer le mécanisme de la réutilisation de fréquence pour augmenter l’efficacité spectrale mais cette méthode engendre le le problème d’interférence co-canal à cause de la réutilisation de la même fréquence par les cellules

co-canal. Pour un niveau de tolérance une distance minimale entre les différentes cellules doit être maintenue. Dans ce cas les performances du système sont jugés par le facteur CIRF.

Les facteurs de distance de réutilisation

La distance minimale de réutilisation de la même fréquence dépend de plusieurs facteurs tesl que le nombre de cellules co-canal, la nature du terrain, la hauteur des antennes d’émissions et de réceptions et la puissance émise pour chaque site. Si les cellules ont pour rayon R en KM, D la distance de réutilisation est définie par la formule ci-dessous.

Annau co-canal

Figure II.2 cellules d’un motif hexagonal

B- Définition de l’interférence co-canal

Si on suppose que les interférences causées par cellules utilisant la même fréquence et qui sont situées au-delà du premier anneau co-canal sont négligeables dans ce cas on définit l’interférence co-canal causée par les cellules co-canal du premier anneau par le rapport C/I tel que :

Le rapport signal sur interférence

Si nous supposons que les émetteurs et les récepteurs avec les mêmes niveaux de puissance Pe et que l’affaiblissement de parcours est de 10ylog(d) dB par décade, la station mobile se trouve à une distance R de la cellule à l’extrémité et à une distance D de la cellule interférente, la puissance reçue de cellule du mobile est PeR-y et la puissance reçue de la cellule interférente est PD-y. Le rapport C/I pour une seule cellule interférente est alors donné par :

D

C/I=PeR-y/PeD-y=q[exp](y)

D=qR= 3k1/²

La connaissance de ce rapport nous permettra de déterminer le CIRF pour évaluer la performance du système que nous verrons par les solutions pour diminuer les interférences.

II.1.2 Interférence du canal adjacent.

L’interférence du canal adjacent est due à la réception du canal éloigné d’un espacement entre les annaux de la porteuse. Cette interférence n’est pas causée par la cellule à laquelle appartient le terminal mobile mais plutôt par les cellules externes. Ceci est dû par le fait que le planificateur ne met jamais deux canaux adjacents dans la même cellule. L’interférence du canal adjacent est due au filtre au filtre non idéal qui se trouve à l’intérieur du terminal. Le filtre attenue le signal du canal adjacent mais ne l’annule pas. Le rapport entre le niveau du signal utile et celui du signal du canal adjacent ne doit pas excéder une valeur dépendant de la qualité d’écoute désirée.

Nous remarquons également que l’interférence peut être causée par les signaux arrivant dans les fréquences des canaux voisins. Ces interférences sont souvent assez atténuées par le filtre utilisé. Le plus connu de type des filtres est le filtre Gaussien utilisé en GSM, GMSK avec BT=03.

II.1.3 Problèmes des interferences Near-End –Far-End ou Near-Far

Dans une même cellule, le récepteur de la cellule reçoit un signal de niveau élevé des mobiles qui lui sont proches. Ce qui cause des interférences Near-End-Far-End sur le signal provenant des mobiles éloignés. Ce problème peut être trouvé dans les cellules différentes lorsque le mobile appartient à une cellule s’approche d’une autre cellule. Une séparation minimale est nécessaire entre les canaux utilisés dans la même cellule et entre deux cellules voisines.

Near-and far-and dans une même cellule(a) Near-and far-and dans 2 cellules(b)

Figure II.3 Problème de Near-Far

II.2 Affaiblissement et Pertes à grande échelle

La propagation radioélectrique n’est toujours pas efficace directe .Il existe plusieurs mécanismes diversifiés qui engendrent la propagation des ondes électromagnétiques. Cependant pendant ils sont généralement attribués aux phénomènes de réflexion, de diffusion et de diffraction entre les

A

BB

A

immeubles en milieu urbain ou des objets (arbres) en milieu rural. La plupart des systèmes de radiocommunications opèrent dans les milieux urbains où la visibilité entre l’émetteur et le récepteur n’est souvent pas réalisée et dans lesquels la propagation se fait principalement à l’aide de la diffraction des ondes sur les immeubles. L’onde reçu est souvent la résultante de plusieurs ondes ayant suivie chacun des chemins différents. Cette résultante peut être sois avantageuse sois néfaste lors que le déphasage de ces ondes entrainent un profond évanouissement du signal.

Figure II.4 : Les mécanismes de propagation

Les modèles de propagation ont été traditionnellement focalisés sur la recherche de la prédiction du niveau moyen du signal reçu à une distance bien déterminé entre l’émetteur et récepteur en supposant que les variations du signal en fonction de la distance sont d’une grande échelle.

Cependant l’introduction de la mobilité dans les systèmes de radiocommunication mobiles la prédiction de la valeur instantanée du niveau de signal sera nécessaire et la notion de variation à petite échelle du signal s’impose dans tout le calcul de la propagation.

II.3 Atténuation de parcours en espace libre et atmosphérique

Une onde électromagnétique passant en espace libre et dans l’atmosphère subissent des phénomènes d’absorption, de réflexion, et de diffraction par les couches atmosphériques et les éléments des ces couches tels l’eau, l’oxygène. Suite à ces phénomènes complexes, l’énergie est transférée sous forme des pertes entre l’antenne d’émission et l’antenne de reception.

.

II.3.1 Les facteurs d’atténuation additionnels en espace libre

L’affaiblissement en espace libre peut être supérieur à la valeur seuil 0.01 dB/km pour une fréquence supérieure à 1.5 GHz ceci à causes de effets troposphériques.

Le tableau suivant résume quelques atténuations remarquées dans la liaison terre-satellite en fonction de la fréquence et qui sont causés par : les phénomènes d’absorption de l’air, les phénomènes d’atténuation des nuages, d’atténuation de la pluie ou de la neige, d’atténuation du brouillard.

Effets/fréquence 850Mhz 1.6GHz 20GHz 45GHz 94GhzAbsorption de l’air

3g/m3 air sec 7.5g/m3 air moyenne 3g/m3 air humide

0.060.060.06

0.070.070.07

0.30.61.2

0.11.31.9

1.52.75.2

Atténuation des nuages 0.5g/m3 1km d’épaisseur 1 g/m3 1km d’épaisseur

<0.01<0.01

<0.01<0.01

0.41.6

1.76.8

5.020

Atténuation du brouillard 0.05g/m3 0-75 m de hauteur 0.5g/m3 0-150 m de hauteur

--

--

--

--

--

Atténuation de la pluie 5mm/h 25mm/h

<0.01<0.1

<0.01<0.10

3.3019.01

12.2055.00

25.1081.50

Tableau II.1 Représentation des quelques atténuations

Les résultats mentionnés dans ce tableau permettent d’affirmer que pour les fréquences en dessous de 2GHz ces facteurs d’atténuations ne sont plus significatifs. Et les atténuations causées par la pluie sont les plus importantes.

II.3.2-Atténuation et absorption due à l’atmosphère

L’atténuation à travers l’atmosphère est essentiellement due à l’oxygène pour ce qui est des fréquences situées entre 60GHz et 118GHz et à vapeur d’eau pour les fréquences 22GHz, 183GHz et 328GHz.

La pluie est l’élément de l’atmosphère ayant l’effet d’atténuation important sur le signal. Ceci est dû premièrement à l’absorption de l’énergie par les gouttes d’eau et deuxièmement à la diffusion de l’énergie de ces gouttes d’eau. Contrairement à l’atténuation due aux gaz qui agit de façon permanente, celle due à la pluie n’est réellement notable que pendant moins de 1% du temps.

L’atténuation atmosphérique est fonction de la densité de la pluie et de fréquence d’émission utilisée. Cette atténuation n’est sensible que pour des fréquences supérieure à 1.5 GHz c'est-à-dire

0.01 dB/Km environ pour une pluie intense ce qui représente une perte importante pour les communications par satellite

Figure II.6 : Absorption d’une onde électromagnétique par l’atmosphère et ses composantes

L’absorption dépend de la fréquence (inverse de la longueur d’onde) utilisée. En effet, l’oxygène, la vapeur d’eau et les précipitations ont toutes une fréquence de résonnance qui dépend de leurs dimensions. Lorsque la longueur d’onde utilisée est la même que celle de résonance de ces deux molécules, une bonne partie de l’énergie du faisceau sert à les faire vibrer.

On peut voir sur la figure II.6 que l’absorption varie avec le milieu absorbant. L’oxygène a un faible taux d’absorption jusqu’à ce qu’on rencontre sa zone de résonnance au-dessus de 60 GHz. Celle de la vapeur d’eau se situe autour de 20 à 30 GHz. Celle de l’eau liquide est importante sous 10 GHz. Cette absorption reliée aux précipitations dépend aussi de leur intensité.

En somme, l’atténuation du signal dépend donc de la fréquence utilisée et de la longueur du trajet dans le milieu absorbant. Le tout peut varier également avec la température du milieu.

II.3.3.-Effets de masque

L’atténuation la plus forte que peut subir la puissance du signal est due aux obstacles naturels ou artificiels comme le cas des édifices illustrés ci-dessous par Figure II.7 Cet effet est appelé mask effect ou shadowing effect c'est-à-dire effet de masque.

Figure II.7 : Effets de masque

La conséquence directe d’effet de masque est la variation de la puissance du signal en fonction du milieu de propagation. Plus le trajet entre l’émetteur et le récepteur contient des obstacles, plus l’atténuation du signal à la réception est importante. Une distinction importante apparaitre donc selon que les émetteurs et les récepteurs sont en condition de :

Vision directe (in line of sight) cas où aucun obstacle n’est rencontre sur le trajet direct ou ligne droite entre l’émetteur et le récepteur.

Non visibilité (non line of sight) cas où il n’existe pas de trajet direct ne rencontrant pas d’obstacle entre l’émetteur et le récepteur.

L’effet de masque donne lieu à des évanouissements du signal qualifiés de lents (slow fading) car variant dans le temps et dans l’espace contrairement aux évanouissements rapides.

II.4 Evanouissement des canaux et à petite échelle

Le terme évanouissement à petite échelle est utilisé pour décrire les fluctuations de l’amplitude du signal reçu pendant une période ou d’une distance tellement courte que les variations à grandes échelle ne sont pas plus considérées. L ‘évanouissement à petite échelle est le résultat de l’interférence de plusieurs versions de même signal et qui ont arrivés par des canaux différents. Ces versions du signal peuvent varier en amplitude et en phase.

II.4.1-caractéristiques du canal radio mobile

Le canal de propagation est le support physique de la propagation de l’onde électromagnétique entre un mobile et une station de base. Il présente plusieurs particularités à savoir :

La sélectivité, le canal radio est sélectif à cause des trajets multiples. En effet, le trajet direct n’existe que si l’antenne de réception est en visibilité directe avec l’antenne d’émission. En milieu Urbain et suburbain, cette visibilité n’est souvent pas possible. L’antenne réceptrice

Immeubles

Station 2G

reçoit le rayon résultant des rayons ayant subit plusieurs phénomènes de réflexions, de diffraction et de réfraction.

Fluctuation, le canal radio est également fluctuant à cause du déplacement de mobile. En effet le déplacement du mobile entraine des modifications d’amplitude et des phases de signaux qui lui parviennent. Ces fluctuations du canal autour du temps sont conséquences d’autant plus rapides que le mobile se déplace vite.

La variation du canal radio mobile peut être aussi causée par d’autres phénomènes tels que le déplacement de l’entourage du mobile par exemple le déplacement des véhicules illustré par la figure ci-dessous.

Figure II.8 : Variation des canaux radio fluctuants

La fluctuation des canaux radio ci-dessus peut causer des perturbations donnant naissance à des évanouissements qui ont un impact variable sur la qualité de communication. Dans le paragraphe suivant nous verrons les principaux facteurs d’évanouissement à petite échelle.

II.4.2-Les effets et Facteurs d’évanouissement à petite échelle

Nous venons de définir les caractéristiques d’évanouissement pour mieux comprendre ces dernières il est important de connaitre les effets d’évanouissement suivants :

La variation rapide du signal sur des courtes distances La variation instantanée de la modulation de fréquence car influencé par l’effet doppler La dispersion dans le temps qui est à l’origine d’écho, causée par les retards de propagation

pour des signaux ayant suivi des trajets multiples.

Les principaux facteurs qui causent l’évanouissement à petite échelle sont les trajets multiples et la vitesse du mobile ou la vitesse de son environnement au cours de son déplacement.

La vitesse de mobile à cause de l’effet doppler fait varier la modulation de fréquence te par conséquence la fréquence. Cette variation de fréquence peut être plus ou moins importante en fonction de la distance entre le mobile et la station de base.

La propagation par trajets multiples la présence autour du mobile d’objets qui réfléchissent et diffusent le signal fait modifier l’énergie du signal en amplitude, en phase et en temps. Ces effets résultent en plusieurs versions du signal ayant des phases, des amplitudes et de temps de

propagations aléatoires. La résultante reçue au niveau de l’antenne réceptrice peut connaitre l’évanouissement rapide qui s’exprime par des distorsions du signal.

Les trajets multiples constituent à la fois un grand avantage et aussi plusieurs inconvénients pour les communications mobiles.

En effet, les réflexions permettent aux ondes radio de contourner les obstacles, et de desservir ainsi les zones d’ombres crées par les masques, les tunnels ou les parkings souterrains.

Figure II.9 : Les trajets multiples

II.5 Les paramètres qui définissent l’évanouissement des canaux

II.5.1 Dispersion temporelle

Afin de caractériser les retards remarqués dans l’arrivée des signaux issus d’une même source, la notion de dispersion temporelle a été introduite. Les propriétés de la dispersion temporelle d’un signal sont généralement définies par deux paramètres :

La moyenne du retard σ (retards mesurés à l’arrivée du premier signal) La moyenne quadratique de l’étalement temporelle φ=0

Il est à noter que le profile des retards des puissances est relié à la réponse fréquentielle par la transformée de fourrier. Il est ainsi possible d’obtenir l’équivalent de la dispersion temporelle dans le domaine fréquentielle. La bande de cohérence est alors introduite pour caractériser le canal dans le domaine fréquentiel.

II.5.2-Bande de cohérence

II.5.3-Etalement Doppler et classement d’évanouissement

II.5 Modélisation de propagation

II.5.1-Modélisation La propagation à l’intérieur des bâtiments ou indoor

II.5.2-Modélisation La propagation à l’extérieur des bâtiments ou outdoor

II.6 Solutions aux problèmes d’interférences

II.6.1-Détermination du motif de réutilisation des fréquences

II.6.2-Réduction d’interférence pour les systèmes analogiques et numériques

II.7.3-Utilisation des antennes directionnelles

II.7 Solutions aux problèmes d’atténuation à grande et à petite échelle

Solutions aux problèmes d’augmentation de trafic : La division cellulaire

II.8 Solution aux problèmes saturation causé par un trafic important

II.8.1-Optimisation de la capacité de système radio

II.8.2-Notion du trafic

II.9.3-Détermination de la qualité de service

-Gestion des files d’attentes

II.9 Solutions aux problèmes d’évanouissement et effet de masque

II.10 Conclusion