Radiocommunications mobiles terrestres

- Simulation des réseaux radio utilisant le logiciel Radio Mobile -

Simulation de la couverture radio utilisant le logiciel Radio Mobile

Le but de ce TP est la familiarisation avec le logiciel Radio Mobile, (logiciel gratuit et ‘open-source’ développé par la communauté des radioamateurs) et son utilisation pour l’analyse de la couverture radio d’une station de base GSM. Le logiciel Radio Mobile [1] travaille avec des cartes digitales du terrain et utilise le modèle de propagation Longley-Rice [2] pour modéliser la propagation ‘en conditionnes réelles’ des ondes radio en tenant compte du profil du terrain. Pour mieux comprendre et apprendre les notions véhiculées dans ce document il est fortement recommandé de parcourir les documents on-line existants (la pluparts en anglais) sur le sujet [3]-[6]. Radio Mobile accepte principalement deux types de cartes digitales: SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) [7] et DTED (Digital Terrain Elevation Data) [8]. Dans ce document nous allons définir un certain nombre des notions indispensables pour comprendre le fonctionnement du logiciel Radio Mobile et la problématique liée à la détermination de la couverture radio. Nous allons aussi fournir un exemple pratique concernant la détermination de la couverture radio d’une station de base GSM.

Définitions

Réseaux : permet de définir, en Radio Mobile, un réseau radio. Dans l’acception du logiciel Radio Mobile un réseau est défini par ses ‘caractéristiques’ (propriétés) :

- Paramètres ;

- Topologie ;

- Participants ;

- Systèmes.

Les ‘paramètres’ du réseau permettent de définir : la bande de fréquence, le type de la polarisation (verticale ou horizontale), le mode statistique utilisé, les pertes additionnelles (pour la propagation en ‘ville’ ou en ‘forêt’), les caractéristiques du sol (réfractivité en surface, conductivité du sol, permittivité relative du sol) et le type de climat (Equatorial, Continental sous-tropical, Maritime sous-tropical, Désert, Continental tempéré, Maritime tempéré sur terre, Maritime tempéré sur mer). Ces paramètres seront utilisés par le logiciel Radio Mobile pour calculer les pertes de propagation conformément au modèle de propagation Longley-Rice tout en tenant compte du profil réel du terrain et de la position des stations radio sur la carte.

Il y a trois types de topologies acceptées :

- réseau de voix (Commande/Subordonné/Relais) ; - réseau de données, topologies en étoile (Maître/Esclave) ; - réseau de données, essaim (Nœud/Terminal).

Pour le calcul de la couverture radio d’une station de base (BTS : Base Transceiver Station) nous utilisons une topologie de type réseau de voix. La topologie ‘réseau de données’ peut-être utilisée pour modéliser les liaisons radio-relais entre une BTS et une BSC (Base Station Controller).

Fig. 1. Les options principales d’onglet ‘Propriétés des réseaux’

Les ‘participants’ du réseau sont en effet les stations radio du réseau (dans notre exemple les ‘participants’ seront des équipements mobiles GSM et une station BTS). Pour chaque participant il faut spécifier le rôle dans le réseau (conformément au type de topologie choisie) ainsi que son appartenance à un ‘système’ qui permet de décrire ses caractéristiques techniques. Les caractéristiques techniques qui doivent être spécifiées pour chaque ‘systèmes’ sont :

- la puissance d’émission (en Watt ou dBm) ; - le seuil de réception (en µW ou en dBm) ; - les pertes de ligne (en dB) si l’antenne n’est pas reliée directement au

récepteur ; - le type d’antenne ;

- l’hauteur de l’antenne (m) ; - les pertes de câblé en plus (en dB/m) si la hauteur d’antenne diffère.

Il faut remarquer que le logiciel Radio Mobile peut travailler avec des diagrammes de rayonnement 3D et contient six types de diagramme (prédéfinis) :

- ‘omni’ : pour modéliser une antenne omnidirectionnelle - ‘cardio’ : pour modéliser une antenne à diagramme cardoidale ; - ‘corner’ : ceci pourrait modéliser une antenne à réflecteur parabolique à faible

directivité et sans lobes secondaires ; - ‘dipole’ : pour modéliser une antenne dipôle ou similaire ; - ‘ellipse’ : pour modéliser un diagramme de type ellipsoïdal ; - ‘yagi’ : pour modéliser une antenne Yagi-Uda ou similaire.

Il est possible aussi de modéliser une antenne quelconque générant un diagramme de rayonnement 3D spécifique. Ceci peut se faire utilisant une "macro" Excel spécifique [9].

Simulation de la couverture radio pour un réseau radio GSM900 et GSM1800

Nous prenons comme exemple du travail un réseau GSM composé par une station de base (BTS) disposé sur la résidence INSA n°2 et trois équipements mobile GSM disposé dans une première étape au pied de bâtiments suivants : INSA Génie Mécanique, INSA Génie Electrique et CE ONERA (comme représenté dans la figure suivante).

Fig. 2 Représentation du réseau GSM ‘INSA‐1’ utilisant une carte digitale SRTM combinée avec une image InternetOpenStreetMap

Afin de définir ce réseau radio (INSA_1) nous devons définir au moins deux types de systèmes: MS_GSM (pour les équipements mobiles GSM) et BTS_GSM (pour la station de base). Ces ‘systèmes’ regroupent les caractéristiques techniques essentielles

d’un équipement mobile GSM classe ‘4’ (voir Annexe 1, table 1) et d’une station de base de classe ‘4’ (voir Annexe 1, table 2) avec une antenne sectorielle fournie par Kathrein [10] avec un diagramme quasi-omnidirectionnel (gain 2dBi). Les caractéristiques techniques définies à l’aide du Radio Mobile sont représentées dans la fig. 3.

Fig. 3 Caractéristiques techniques des systèmes utilisées

La carte est centrée sur la station BTS avec une hauteur de 1 Km (la largeur peut dépendre de la dimension en pixels qui à son tour dépende de la résolution de la carte graphique). Les ‘paramètres’ du réseau sont données dans la fig. 4.

Fig. 4 Propriétés de la carte et les paramètres du réseau (définis dans l’onglet propriétés des réseaux)

Visualisation des performances des liaisons radio bidirectionnelles

Utilisant l’option ‘Lien Radio’ (menu ‘Outils’) ou simplement la touche F2 nous pouvons obtenir les caractéristiques radio de la liaison directe entre BTS et un équipement GSM (par exemple GSM_1). Fig. 5 représente les liaisons radio BTS GSM_1 et GSM_1

BTS. Nous pouvons ainsi obtenir des paramètres très importants pour l’étude d’une liaison radio :

- les angles d’élévation et d’azimut pour orienter les antennes (ceci n’est pas nécessaire dans notre cas car nous avons utilisé des antennes omnidirectionnelles) ;

- la distance entre les équipements ; - les pertes par catégorie ; - le niveau du signal à la réception (niveau Rx) et le niveau Rx relatif (l’écart entre

le niveau du signal à la réception et le seuil de réception).

Fig. 5 Détails des liaisons radio

Fig. 6 Représentation du réseau GSM ‘INSA‐1’ utilisant une carte digitale SRTM combinée avec une image Internet VirtualEarth

Etude de la couverture radio fournie par BTS

Pour l’étude de la couverture radio de la station de base nous utilisons la fonction couverture radio (touche F3) du logiciel radio. Cette fonction permet de représenter le niveau de puissance en dBm du signal radio émis par BTS dans un cercle de rayon fixé. Fig. 7 montre la couverture radio (représentation ‘polaire’ de la puissance du signal radio émis par BTS) dans un cercle de rayon 0.5km centré sur BTS (la carte originaire a une hauteur de 1 km). Fig. 8 montre la même couverture radio dans un cercle de rayon 2km (pour une hauteur de la carte de 4 km).

Fig. 7 Couverture radio (représentation ‘polaire’, rayon de 0.5 km) de la station de base

Fig. 8 Couverture radio (représentation ‘polaire’, rayon de 2 km) de la station de base

Sur ces images, les couleurs rouge, jaune et verte assurent en principe un niveau du signal supérieur au seuil de réception d’un mobile GSM (équipement GSM_1, GSM_2 et GSM_3) pendant que les nuances du bleu montrent un niveau comparable avec le seuil de réception du mobile. Le gris est utilisé pour l’extérieur du cercle d’intérêt et pour des niveaux inférieurs au seuil de réception du mobile GSM (-107 dBm). Du point de vue pratique on considère que la couverture est assurée avec une bonne qualité (intelligibilité) dans les zones rouge, jaune et verte.

Exercices

1. Reprendre l’exemple antérieur (un réseau GSM900 avec une station de base et 3équipements mobiles GSM) pour un réseau GSM1800 (1710 MHz –1785 MHz) etUMTS (1920 MHz – 2170 MHz). Vous gardez le même emplacement pour lastation de base (de type classe ‘4’) et pour les équipements mobiles (classe ‘2’)et les mêmes types d’antennes. Quelles sont les différences les plus importantesentre les deux réseaux (GSM900, GSM1800 et UMTS).

2. Reprendre l’exercice n°1 et l’exemple décrit dans ce document en changeant letype d’antenne ‘omni’ de la station de base avec une antenne commerciale (voirAnnexe 2 et les références [9] et [10]). On garde une antenne ‘omni’ pour leséquipements mobiles (GSM_1, GSM_2 et GSM_3) mais avec le gain de 0dBi.Quelles conclusions peut-on tirer ?

3. Représentez la couverture radio d’un mobile GSM (prix comme émetteur) vis-à-vis d’une station de base (BTS) prise comme récepteur.

Note concernant ‘les limitations’ du Radio Mobile

Le modèle de propagation utilisé dans le logiciel Radio Mobile (Longley-Race) présente l’avantage de prendre en compte le profil réel du terrain. Néanmoins ce modèle estime d’une manière optimiste les pertes de propagation en milieu urbain et n’est pas le modèle le plus approprié. D’autres modèles, plus appropriés (par exemple Okumura Hata) devrait être utilisés.

Les cartes digitales (disponibles par télécharger gratuitement) ont une résolution de 3 arcsec (environ 90m) ce qui constitue aussi un facteur limiteur pour l’exactitude de nos simulations.

Bibliographie

[1]. http://www.cplus.org/rmw/ (site miroir : http://www.ve2dbe.com/ )

[2]. http://flattop.its.bldrdoc.gov/itm.html

[3]. http://www.cplus.org/rmw/getting_started.html

[4]. http://www3.telus.net/hendersb/documents/Radio%20Mobile.pdf

[5]. http://www.g3tvu.co.uk/Radio_Mobile.htm

[6]. http://radiomobile.pe1mew.nl/

[7]. ftp://e0srp01u.ecs.nasa.gov/srtm

[8]. www.geobase.ca

[9]. http://www.g3tvu.co.uk/Antenna_Plots.htm

[10]. http://www.kathrein.de/de/mcs/produkte/download/9361696c.pdf

Annexe 1

Table 1: Classification des équipements mobiles GSM en fonction de la puissance maximale d’émission Classe Puissance maximale (GSM900) Puissance maximale (GSM1800) Puissance maximale

(UMTS) 1 1 W (30 dBm) 2 W (33 dBm) 2 8 W (39dBm) 250 mW (24 dBm) 0.5 W (27 dBm) 3 5 W (37 dBm) 4 W (36 dBm) 250 mW (24 dBm)4 2 W (33dBm) 125 mW (21 dBm) 5 0.8 W (29 dBm)

Table 2: Classification des stations de base GSM en fonction de la puissance maximale d’émission Classe Puissance maximale (GSM900) Puissance maximale (GSM1800)

1 320 W / 55 dBm 20 W / 43 dBm2 160 W / 52 dBm 10 W / 40 dBm3 80 W/ 49 dBm 5 W / 37 dBm4 40 W/ 46 dBm 2.5 W / 34 dBm5 20 W/ 43 dBm 6 10 W/ 40 dBm 7 5 W/ 37 dBm 8 2.5 W/ 34 dBm

936.

1696

/c

Sub

ject

to a

ltera

tion.

Dual-band Omni AntennaVertical PolarizationIndoor and outdoor use

dB

78°

10

3

0

Vertical Pattern

216

mm

KATHREIN-Werke KG . Anton-Kathrein-Straße 1 – 3 . PO Box 10 04 44 . D-83004 Rosenheim . Germany . Telephone +49 8031 1 84-0 . Fax +49 8031 1 84-9 73

Internet: http://www.kathrein.depage 1 of 1 738 449

870–960/1710–1880

V

Input 1 x N female

Connector position Bottom or top

Frequency range 870 – 960 MHz / 1710 – 1880 MHz

VSWR < 1.7

Gain 2 dBi

Impedance 50 Ω

Intermodulation IM3 < –150 dBc(2 x 43 dBm carrier)

Polarization Vertical

Max. power 50 Watt: 870 – 960 MHz50 Watt: 1710 – 1880 MHz

(at 50 °C ambient temperature)

Weight 250 g

Radome diameter 20 mm

Height 216 mm

Type No. 738 449VPol Omni 870–960/1710–1880 360° 2dBi

Material: Radiator: Brass.Radome: Fiberglass, colour: White.

Mounting: One hole mounting (16 mm diameter) to surfacesof max. 10 mm thickness.