Système GSM et concept cellulaire

Dans le panorama des systèmes de télécommunication, les réseaux mobiles occupent, notamment depuis leur apparition, une place importante en termes de recherche et d’investissement. Les travaux menés par les groupes de recherche ont fourni plusieurs normes dont la plus importante est la norme GSM (Global System for Mobile Communication). Avec environ de trois milliards d’abonnés actuellement, la norme GSM est désormais la norme cellulaire la plus répandue dans le monde. En parallèle au succès de ce réseau et avec la croissance de la demande en services de transmission de données, de nouvelles technologies qui intègrent à la fois le service voix et le service données sont apparues. Parmi ces nouvelles technologies, on cite la technologie GPRS et la technologie EDGE qui sont une évolution de la norme GSM et sont basées sur son infrastructure.

Dans la perspective où un réseau GSM se compose d’un sous-système radio, d’un sous système réseau et d’un sous-système de données, les opérations de planification et de dimensionnement varient d’un sous-système à un autre vu la diversité des tâches qu’assure chacun. Dans le présent projet, on va se focaliser sur la planification et le dimensionnement du sous-système radio et plus précisément au niveau de réseaux cellulaires, le terminal mobile MS (Mobile Station), ainsi que l’interface entre les deux entités c’est-à-dire le lien de transmission radio (Air interface). Si le dimensionnement cherche à optimiser l’utilisation des ressources de manière plus rentable pour un opérateur, leur intégration dans le réseau nécessite une analyse de l’architecture cellulaire. Cette analyse permet de déployer les nouveaux sites dans des emplacements adéquats dans le respect des contraintes radio, c’est donc l’étape de la planification cellulaire.

SYSTEME GSM ET CONCEPT CELLULAIRE

Avec environ de 3 milliards d’abonnés actuellement dans le monde contre 250 millions à la fin 1999, le système GSM (Global System for Mobile Communications) est maintenant largement utilisé. C’est la première norme de téléphonie cellulaire de seconde génération, c’est-à-dire qui soit pleinement numérique. Elle constitue désormais la référence mondiale pour les systèmes radio mobiles.

Les systèmes de première génération sont analogiques, le signal de parole est transmis sur la voie radio par une modulation analogique de fréquence ou de phase tout à fait classique. La méthode d’accès utilisé est le simple multiplexage en fréquence. Divers systèmes ont été élaborés dans ce contexte à partir de la fin des années 70. Si le système AMPS (Advanced Mobile Phone System) domine en Amérique, Le système NMT (Nordic Mobile Téléphone) a connu un succès certain en Europe. Cependant de multiples systèmes nationaux ont été mise au point au Japon, en Allemagne, en Italie, etc. C’est dans le cadre des systèmes de première génération qu’a mûri le concept cellulaire qui permet une réutilisation efficace des ressources spectraux.

Stations mobiles et stations de base radio 

Un système de radiotéléphonie a pour premier objectif de permettre l’accès au réseau téléphonique à partir d’un terminal portatif sur un territoire étendu. Ce service utilise une liaison radio électrique entre le terminal et le réseau. Selon le système, plusieurs bandes de fréquences sont utilisées, parmi les quelles, on compte les bandes 900 MHz, et 1800 MHz. Pour que le service soit disponible, il faut que la liaison radio entre le terminal (MS: Mobile Station) et le réseau soit de qualité suffisante, ce qui demande en faite une puissance importante des émetteurs. Afin de limiter cette puissance et d’équilibrer la liaison radio, l’opérateur du réseau radio mobile place un ensemble de station de base BTS (Base Transceiver Station) sur le territoire à desservir pour que le terminal soit toujours à moins de quelques kilomètres de la station de base.

La station mobile 

Le terme station mobile désigne un équipement terminal muni d’une carte SIM (Subscriber Identity Module), qui permet d’accéder aux services de télécommunications d’un PLMN (Public Land Mobile Network GSM). Dans le cas où un service de transmission de données est demandé, il comprend également le terminal de données et les éventuels dispositifs d’adaptation.

La majorité des terminaux sont aujourd’hui des portatifs d’un volume compris entre 150 et 450 cm²: , d’un poids de 150 à 350 grammes et de dimensions allant de 130 à 200 mm de longueur, 30 à 65 mm de largeur et de 20 à 50 mm d’épaisseur. Leur autonomie est de neuf à soixante-dix heures en veille et d’une à quatre heures en communication. L’affichage comprend de 2 à 5 lignes de 8 à 16 caractères chacune. La majorité des postes portables et portatifs acceptent des cartes SIM de format carte (SIM Full-Size), certains portatifs (le tiers environ) n’acceptent que des micro SIM (SIM Plug-in). Afin de détecter les terminaux non agréés ou volés, chaque terminal est muni d’une identité particulière, l’IMEI (International Mobile Equipement Identity). Cette identité permet de déterminer le constructeur de l’équipement. Parmi les principaux constructeurs, on peut citer Alcatel, Ericsson, Motorola, Nokia, Orbitel, Panasonic, Philips et Siemens.

La station de base radio

La station de base radio BTS est un ensemble d’émetteurs-récepteurs appelés TRX. Elle a la charge de la transmission radio : modulation, démodulation, égalisation, codage correcteur d’erreur. Elle gère plus généralement toute la couche physique : multiplexage TDMA (Time Division Multiple Access), saut de fréquence lent, chiffrement. Elle réalise aussi l’ensemble des mesures radio nécessaires pour vérifier qu’une communication en cours se déroule correctement.

Ces mesures ne sont pas exploitées par la BTS, mais directement transmises au BSC (Base Station Controller). La BTS gère la couche liaison de données pour l’échange de signalisation entre les mobiles et l’infrastructure (LAP Dm). Enfin, elle gère la liaison de données avec le BSC afin d’assurer la fiabilité du dialogue (LAP D). La capacité maximale d’une BTS est typiquement de 16 porteuses, c’est-à-dire qu’elle peut supporter au plus une centaine de communications simultanées. En zone rurale, la BTS peut être restreinte à la gestion d’une seule porteuse écoulant jusqu’à 7 communications simultanées. En zone urbaine, les BTS comportent généralement de 2 à 4 TRX pouvant écouler environ de 14 à 28 communications simultanées. La norme distingue les BTS dites normales des micro-BTS. Les premières correspondent aux stations de base classiques des systèmes cellulaires avec des équipements installés dans des locaux techniques et des antennes sur les toits reliées par des câbles. Des dispositifs de couplage permettent d’avoir une seule antenne pour plusieurs TRX, mais peuvent réduire considérablement la puissance disponible à l’entrée de l’antenne.

Les micro-BTS sont prévus pour assurer la couverture de zones urbaines denses à l’aide de microcellules. Ce sont des équipements de faible taille, intégrant les dispositifs de couplage et d’un coût plus faible que les BTS normales car elles sont en plus grand nombre et peuvent être montées à l’extérieur. La norme propose des puissances faibles pour avoir des portées limitées et impose de fortes contraintes pour permettre le fonctionnement de deux BTS à proximité. Si le mobile se trouve près d’une BTS, la recommandation prévoit qu’elle peut réduire la puissance effective d’émission vers ce mobile. Les classes de puissance définissent donc bien des valeurs maximales de puissance.

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
Chapitre 1. SYSTEME GSM ET CONCEPT CELLULAIRE
1.1. Stations mobiles et stations de base radio
1.1.1. La station mobile
1.1.2. La station de base radio
1.1.3. Une interface radio élaborée
1.1.4. Itinérance et handover
1.2. Concept cellulaire
1.2.1. Système cellulaire
1.2.2. Pavage régulier
1.2.3. Notion des cellules
1.2.4. Motif cellulaire régulier
1.2.5. Type de sites et ses antennes
1.2.6. Différents types des cellules
1.3. Conclusion
Chapitre 2. PLANIFICATIONS CELLULAIRES
2.1. Schéma général d’une liaison radio mobile
2.2. Sensibilité d’un récepteur
2.3. Paramètres fondamentaux d’une antenne
2.3.1. Antenne en émission
2.3.1.1.Gain et diagramme de rayonnement
2.3.1.2.Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente
2.3.1.3.Cas du dipôle élémentaire
2.3.1.4.Antennes des terminaux GSM/DCS
2.3.1.5.Antennes des stations de base GSM/DCS
2.3.2. Antenne en réception
2.4. Propagation en espace libre
2.5. Les modèles de propagations
2.5.1. Modèle général à trois étages
2.5.1.1.Affaiblissement de parcours
2.5.1.2.Effet de masque
2.5.1.3.Évanouissement
2.5.2. Modèles en macrocellules
2.5.2.1.Modèle de Hata
2.5.2.2.Modèle COST 231-Hata
2.5.2.3.Modèle de Walfish-Ikegami
2.5.3. Modèle en micro-cellulaire
2.5.4. Propagation à l’intérieur des bâtiments
2.6. Prévision de couverture et équilibrage de liaison
2.6.1. Relations entre champ électrique et puissance
2.6.2. Détermination du seuil de couverture
2.6.3. Équilibrage de la liaison
2.6.4. Bilan de liaison
2.6.5. Utilisation de la diversité
2.7. Les différents types de planifications cellulaires
2.7.1. Réutilisation des ressources
2.7.1.1.Modèle hexagonal classique
2.7.1.2.Motifs réguliers et distance de réutilisation
2.7.2. Étude du modèle hexagonal classique
2.7.2.1.Cas des systèmes TDMA/FDMA
2.7.2.2.Utilisation d’antennes directives
2.7.2.3.Prise en compte de l’effet de masque
2.7.2.4.Prise en compte du bruit et des interférences
2.7.2.5.Prise en compte des canaux adjacents
2.8. Conclusion
Chapitre 3. DIMENSIONNEMENTS CELLULAIRES
3.1. Notions générales sur le trafic et les paramètres influençant la capacité d’un système
3.1.1. Quelques définitions
3.2. Absorption des charges
3.3. Paramètres influençant la Capacité
3.3.1. Saut de fréquence
3.3.1.1.Protection contre les évanouissements sélectifs
3.3.1.2.La diversité de brouilleurs
3.3.2. Contrôle de puissance
3.3.3. Transmission discontinue
3.4. Densification des réseaux GSM
3.4.1. Augmentation de la capacité intrinsèque
3.4.2. Motifs fractionnaires
3.5. Saut de fréquence synthétisé
3.5.1. Systèmes à charge partielle
3.5.2. Impact sur les matériels
3.5.3. Capacité souple
3.6. Densification cellulaire
3.6.1. Découpage des cellules
3.6.2. Déploiement micro cellulaire et réseaux multicouches
3.7. Réseaux multi-bandes
3.8. Utilisation d’antennes adaptatives
3.8.1. Réduction d’interférence
3.8.2. Remarques
3.9. Conclusion
Chapitre 4. SIMULATIONS
4.1. Conception du CPDT
4.2. Faisabilité
4.3. Spécification des besoins
4.4. Présentation du CPDT
4.5. Spécification Générale
4.6. Exemple de planification
4.7. Conception de la base de données
4.8. Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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