Planification Radio Umts

Sommaire

Planification Radio des Réseaux Cellulaires UMTS Sami Tabbane 1

Introduction : Rappels sur l’UMTS 1. Paramètres caractéristiques 2. Gestion de la charge CDMA 3. Bilan de liaison 4. Facteur de charge et noise rise 5. Couverture et services 6. Optimisation des réseaux WCDMA 7. Densification des réseaux WCDMA 8. Outils de planification WCDMA

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Codes, canaux physiques et logiques (1) Deux types de codes d’étalement en UMTS :

Introduction : Rappels sur l’UMTS 3

– Codes de canalisation (channelisation codes) : obtenus à partir de l’arbre OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). Font varier le facteur d’étalement et maintiennent l’orthogonalité entre codes. Matrice d’Hadamard pour une même longueur de code. Dans une même cellule : codes OVSF ne peuvent être utilisés tous simultanément. – Codes d’embrouillage (scrambling codes) : les codes de canalisation (codes de Gold par exemple) ne permettent d’avoir une orthogonalité pour des séquences non synchronisées. Recours aux codes d’embrouillage. Distinguent les cellules entre elles : un code d’embrouillage parmi 512 (motif de réutilisation = 512). Doivent être planifiés (comme les fréquences en TDMA/FDMA). Distingue les mobiles entre eux : 224 codes possibles. Affectation aléatoire. 4

Codes, canaux physiques et logiques (2)

Codes, canaux physiques et logiques (3)

Structure des canaux : Les données générées par les couches hautes sont transmises sur l’interface radio par des canaux de transport (transport channels) qui s’appuient sur des canaux physiques (physical channels) différents. – Canaux de transport : services de la couche physique aux couches supérieures. Définissent la façon dont les données sont transportées (intervalles, nombre et taille des blocs dans chaque intervalle, …). Deux types : canaux dédiés et canaux communs. – Canaux physiques : canaux physiques sur le lien montant et sur le lien descendant.

Canaux de transport : - Canaux dédiés : DCH (Dedicated Channel) sur le lien montant et/ou le lien descendant. - Canaux physiques : 6 types différents. Canal de transport

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Lien

Fonction

BCH (Broadcast Control Channel)

DL

Diffusion

FACH (Forward Channel)

DL

Infos de contrôle

PCH (Paging Channel)

DL

Recherche

RACH (Random Access Channel)

UL

Accès

CPCH (Common Packet Channel)

UL

Paquets de données

DSCH (Downlink Shared Channel)

DL

Infos de contrôle dédiées

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1

Codes, canaux physiques et logiques (4)

Codes, canaux physiques et logiques (5) Canaux physiques DL

Canaux physiques UL - Dédiés : DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) pour les infos de contrôle des couches hautes et les données usager, et DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) pour les infos de contrôle générées par la couche physique. 0, 1 ou plusieurs DPDCH pour chaque lien radio et 1 seul DPCCH. - Communs : Physical Random Access Channel pour le transport du RACH, et le Physical Common Packet Channel pour le transport du CPCH. 7

- Dédiés : DPCH (Downlink Dedicated Physical Channel) pour les infos des couches hautes et les données usager. - Communs : • CPICH (Common Pilot Channel) pour l’identification du code d’embrouillage de la station de base, • P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel) pour le transport du BCH, • S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel) : pour le transport du FACH et PCH, • SCH (Synchronisation Channel) : composé du PSCH (Primary Synchronisation Channel) pour la synchro. slot du mobile, et SSCH (Secondary Synchronisation Channel) pour la synchro. trame du mobile. • PICH (Paging Indicator Channel) : pour le transport des paging. Toujours associé à un S-CCPCH transportant un canal PCH. 8

Codes, canaux physiques et logiques (6)

Codes, canaux physiques et logiques (7)

Relation entre canaux de transport et canaux physiques

Partage de la puissance de la station de base

Canaux de transport

Canaux physiques

DCH

DPDCH DPCCH

RACH CPCH

PRACH PCPCH CPICH

BCH FACH PCH

P-CCPCH S-CCPCH

DSCH

PDSCH

Puissance de la station de base partagée entre : - Les canaux de contrôle communs (10 à 20% de la puissance totale, typiquement 2 W pour le CPICH sur un total de 20 W, soit un facteur 10 dB), - Les canaux de trafic usager. Le soft handover nécessite de la puissance supplémentaire BCCH

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Contrôle de puissance (1) Boucle ouverte Mesure du signal reçu et ajustement de la puissance d’émission : si signal reçu par UE important : le mobile peut utiliser une puissance plus faible et inversement. Fonctionne sans lien retour donc peu précis. Boucle interne Fréquence : 1500 Hz Si SIRmesuré > SIRcible Ö Ì puissance Si SIRmesuré < SIRcible Ö Ê puissance Boucle externe Mesure du Eb/N0 et ajustement du SIRcible. Nécessite un lien retour Node B - RNC.

…

Sync.

User 3

Paging

User 2 User 1

10

Contrôle de puissance (2) Paramètres ayant un impact sur le contrôle de puissance - Du service (même service = même puissance), - De la distance, - Des interférences inter- et intra-cellulaires, - De l’environnement de propagation (multi-trajets). Intérêts - Qualité des communications, - Economie de puissance, - Réduction des risques liés aux effets biologiques. Contrôle réalisé chaque 625 µs (1600 fois/seconde). 11

12

2

Releases 3GPP (1) Release 99 (figée en Mars 2000) - Première version de la norme UMTS, - Introduction de l’UTRAN, - Peu de modification du cœur de réseau GSS. Release 4 (figée en Mars 2001) - Evolution du transport dans le cœur de réseau, - Séparation des données et du contrôle dans le cœur CS, - Premières étapes vers les NGN. Release 5 (figée en Juin 2002) - Introduction de l’IMS (pour le plan contrôle, avec le domaine PS pour le plan transport), - HSDPA, - IP dans l’UTRAN.

Releases 3GPP (2)

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Release 6 (figée en Décembre 2004) - HSUPA (E-DCH), - MBMS, - MIMO, - Partage du réseau, - Améliorations IMS : services temps réel, convergence avec le fixe, intégration de modes d’accès alternatifs (WLANs, xDSL, 3GPP2). Release 7 - Evolution vers le tout-IP, - Evolution vers le B3G, - MIMO, UMTS 2,6 GHz, UMTS 900 MHz, - OFDM (?).

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Paramètres et contraintes • Paramètres : – Technologie CDMA et nouvelles règles d’ingénierie, – Modèles de trafic paquet et circuit, – Stratégies de déploiement par rapport aux réseaux GSM/GPRS.

1. Paramètres caractéristiques

• Prévisions : – Applications et services, – Profils utilisateurs, – Environnements d’usages.

• Contraintes radio : – Segmentation des services et QoS, – Compromis couverture/services. 15

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Planification TDMA

Principes de la planification CDMA

• Problématique : - Division de la zone de couverture en cellules (planification radio), - Affectation de fréquences. Détermination du : - nombre de sites en fonction de la zone à couvrir (objectifs de QoS radio), - nombre de canaux en fonction de la capacité en trafic dans la zone à couvrir (objectifs de QoS trafic) Ö Capacité hard.

• Problématique : - Bande partagée par toutes les connexions active sans allocation  Séparation Planification radio – Dimensionnement impossible, - Couverture et capacité liées, - Dépendance de la capacité avec la distribution du trafic et la position des stations de base. Avantages CDMA : - pas de limitation a-priori de la capacité comme en TDMA Ö Capacité soft, - allocation de capacité en fonction du C/I (allocation de bande si SIRmin ≤ SIR. 18

17

3

Spécificités des systèmes WCDMA (1)

Spécificités des systèmes WCDMA (2)

• Principales caractéristiques et contraintes :

Relation entre puissance et débit du service

− − − −

puissance BTS : partagée entre les N mobiles connectés, puissance maximum du bruit : 10 dB, puissance de transmission : entre 6 et 10 dB, puissance d’émission sur chaque lien : dépend des conditions de propagation et du service activé, − répartition des mobiles dans la cellule : si mobiles proches de la BTS, capacité jusqu’à 10 fois supérieure au cas où mobiles éloignés, − respiration de cellules : gestion des accès par contrôle d’admission (CAC, cf. noise rise) et contrôle de charge, − contrôle de puissance fondamental sur le lien montant : boucle externe pour ajuster la puissance cible en fonction de l’estimation du BER et boucle rapide contre fading rapide. Contrôle de puissance rapide Ö transmission continue sur l’interface radio et 19 par paquets au niveau RLC (couche 2).

Spécificités des systèmes WCDMA (3)

Pr Puissance émise par la station de base

Service voix Puissances reçues

Pe

Pr Service email

au niveau des mobiles

Pr

Service vidéo

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Spécificités des systèmes WCDMA (4)

Facteur d’étalement SF relié au SIR par la relation : SIR=SF

Preceived

Capacité Capacité

α I in+I out+η

Preceived : puissance du signal reçu, Iin : interférence intra-cellulaire, Iout : interférence inter-cellulaire, α : facteur d’orthogonalité (0 ≤ α ≤ 1), α = 1 en UL (pas d’orthogonalité), η : puissance du bruit thermique. En supposant que Iout = f.Iin, on a : SIR=SF Preceived I in(1+ f) Où 0,3 ≤ f ≤ 0,5.

Sur le sens montant : Limitée par l’interférence Sur le sens descendant : Limitée par la puissance de la station de base.

21

22

Processus de planification UMTS

Spécificités des systèmes WCDMA (5) Comparaison par rapport au TDMA

Trafic multiservice

Rayon de la cellule WCDMA DL

Analyse du trafic

Processus itératif

WCDMA UL Nombre de canaux requis à un instant donné

TDMA UL et DL

jusqu'à la convergence

Bilan de liaison WCDMA Portée maximum des cellules Nombre de porteuses par cellule

Capacité 23

Nombre de cellules

24

4

Processus de planification et de dimensionnement d’ d’un ré réseau WCDMA

Identification de la demande 1. Zones à couvrir : environnements (urbain dense, urbain, suburbain, rural, …), type de pénétration (indoor profond, indoor, outdoor, incar, …), mobilité (piéton, voiture) et services. 2. Demande en trafic par zone : taux de pénétration UMTS, prévisions et parts de marché, profils et nombre d’utilisateurs, profils de trafic par service et par utilisateur, QoS.

Caractéristiques des abonnés

Configuration initiale du réseau

- Modèles de trafic (type de services, taux d'activité, débits, QoS, ...),

- Localisation des stations de base, - Caractéristiques des antennes,

- Modèles de mobilité (vitesses, ...), - Distribution des abonnés dans le réseau.

- Caractéristiques de l'environnement.

Simulations ou Calculs analytiques - Facteurs de charge (liaisons montante et descendante), - Contrôle de puissance, - Soft handover, - Bilan de liaison.

Evaluation des performances Contraintes de QoS par service.

- Couverture par service, - Capacité par service, - QoS.

Optimisation

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- Ajustement des paramètres, - Ajout d'équipements (sites, ...), - Ajout de ressources spectrales.

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Planification de la couverture et de la capacité capacité d’un ré réseau WCDMA − Estimation de la capacité d’un émetteur/récepteur unique sur un site donné : estimer l’augmentation de l’interférence en fonction de l’interférence inter cellulaire, les contraintes de Eb/N0, les débits binaires prévus, les taux de couverture souhaités, les facteurs d’activité des différents services au niveau de l’interface radio, les marges d’interférence cibles, les gains de traitement ... ª Capacité typique d’un transceiver : entre 400 et 1200 kb/s. − Détermination de la capacité et surface d’une cellule typique. Capacité de la cellule et profil de trafic d’un abonné (en Erlangs ou en kb/s) Â Calcul de couverture de la cellule.

2. Gestion de la charge CDMA

27

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Algorithmes CAC (Call (Call Admission Control) Control)

Contrôle d’admission et de congestion • Congestion : Prendre la bonne réaction à une surcharge. ¾ Services non temps réel retardés, ¾ Réduction des débits des services, ¾ Fermeture de connexions.

• ICAC (Interference CAC) : décision basée sur un seuil d’interférence prédéfini au niveau de la station de base. • SIR CAC (Signal to Interference Ratio CAC) : décision basée sur le rapport SIR. • Power-based CAC : basés sur la puissance du mobile comme facteur limitant.

• Admission : Décider d’accepter ou de rejeter des abonnés en anticipant le risque de surcharge. Etablissement de RAB et demandes de RRC refusées quand conditions non remplies. • Gestion de puissance et de séquencement permettent également de jouer sur la capacité. 29

30

5

Bilan de liaison ª Premier dimensionnement par la couverture : calcul de taille de cellule pour services les plus contraignants. - Sens Montant : Atténuation maximale, calcul de la taille de la cellule, - Sens Descendant : Equilibrage du bilan de liaison pour déterminer la puissance de la BTSs, puissance de la BTS partagée entre tous les canaux (communs et de trafic).

3. Bilan de liaison CDMA 31

32

Puissances d’émission des Node B

Classes de puissances

- 37 dBm (5 W) : faible capacité et couverture étendue, - 40 dBm (10 W) : bonne couverture et capacité moyenne, - 43 dBm (20 W) : bonne couverture et grande capacité par porteuse, - 46 dBm (40 W) : grande capacité pour une couverture étendue.

EIRP (dBm) Node B Macro

Micro

Pico

UE

[40, 43] [30, 43] [20, 43] [10, 33] 33

Paramè Paramètres du bilan de liaison (1)

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Paramè Paramètres du bilan de liaison (2) Plus la marge d’interférence est importante, plus faible pourra être le rayon de la cellule mais plus important sera le trafic que pourra supporter la cellule  Marge d’interférence = marge de trafic.

Facteur de charge et marge d’interférence (noise rise) • Marge d’interférence Ù niveau d’augmentation du bruit dû à l’augmentation de la charge dans la cellule. ªMarge d’interférence liée au facteur de charge qui mesure la charge de chaque lien (montant ou descendant). ) Marge d’interférence importante si la capacité et donc la charge autorisée dans la cellule est importante (donc taille de cellule réduite). ÂZones urbaines : marge d’interférence importante, Â Zones rurales : marge d’interférence faible.

Interférences large bande Interférences bande étroite

Chargement du canal montant Couverture et capacité Interférence sur le canal descendant

Bruit de fond Noise rise (dB) 20

35

0

99

36

Chargement (%)

6

Paramè Paramètres du bilan de liaison (3)

Bilan de liaison UL/DL

Evolution du noise rise en fonction du nombre moyen d’abonnés par cellule

Lp (dB) = Pt (dBm) + Gt (dBi) – Pr (dBm) + Gr (dBi) = EIRP (dBm) – Pr (dBm) + Gr (dBi) La PIRE (EIRP) dépend du lien UL ou DL.

12 Noise Rise (dB)

10 8 6 4 2 0 0

10

20

30

40

50

60

Nombre d'abonnés / cellule

Sens Montant (UL)

Sens Descendant (DL)

EIRP (dBm) = PTx (dBm) – Lu (dB) + Gt (dBi)

EIRP (dBm) = PTx (dBm) – Lc (dB) + Gt (dBi)

PTx : puissance d’émission, Gt : gain de l’antenne d’émission, Lu : pertes dues à l’usager (voix : [3, 10], données : [0, 3]).

PTx : puissance d’émission, Gt : gain de l’antenne d’émission, Lc : pertes dues au feeder.

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Analyse de la liaison montante (a) Soit une cellule de rayon R donné a priori. (b) Trafic moyen potentiel dans la cellule estimé en fonction d’hypothèses de trafic. (c) A partir du trafic agrégé (somme des trafics des différents services) ª nombre de canaux (ou de codes) nécessaires. (d) Calcul de la valeur de noise rise (augmentation du brouillage due à l’augmentation du trafic). (e) Valeur du noise rise Ö calcul du bilan de liaison (permet de déterminer la valeur du path loss maximum admissible sur le lien montant). (f) Si distance maximum > R, le processus reprend en (a). (g) Si la valeur du noise rise est supérieure au niveau maximum de bruit admissible dans la cellule, la capacité de la zone considérée doit être augmentée par l’ajout d’une nouvelle porteuse ou d’une nouvelle cellule.

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Planification/dimensionnement d’ d’une cellule pour la liaison montante Hypothèses de trafic

R

Nombre de canaux/codes nécessaires pour le trafic maximum estimé Valeur du noise rise (par approche statistique du mix trafic) Calcul du bilan de liaison (sens montant) Perte de propagation maximum R’ : Rayon maximum de la cellule avec un modèle de prédiction de propagation - Si R’ > R et Noise Rise < Max(Noise Rise) => Nouvelle itération avec R’’> R - Sinon, ajout de capacité (nouveau cncal ou nouvelle station) et réitération avec la nouvelle configuration

39

40

Analyse de la liaison descendante (1)

Analyse de la liaison descendante (2)

(a) Soit la zone considérée de rayon R. (b) Modèles de trafic Ö trafic moyen potentiel de la zone. (c) Trafic estimé Ö calcul du nombre de canaux nécessaires. (d) Pour chaque usager, estimation de la puissance nécessaire pour chaque liaison. (e) Répartition des usagers dans la cellule et situation en soft handover ou non Ö calcul de puissance d’émission de la BTS. (f) Bilan de liaison établi pour déterminer la portée maximum de la cellule. (g) Le processus reprend en (a) jusqu’à ce que la valeur de la puissance de la station de base soit inférieure ou égale à la puissance maximum de la station.

Etapes : − Puissance totale de chaque BTS = somme des puissances de tous les liens établis tenant compte des sensibilités des mobiles et de la perte de propagation (estimée avec modèle de propagation). Puissance supplémentaire pour les canaux de contrôle. Si aucune BTS ne dépasse sa puissance maximum, aucun lien n’est éliminé et la valeur instantanée de C/I est calculée pour chaque mobile. − Après détermination de la puissance totale de la BTS : répartition de cette puissance entre différents types de canaux (canal pilote, canal de synchronisation, canal de trafic). Arrêt des simulations : test d’arrêt. Critère couramment utilisé : variations de puissance. 42

41

7

Bilan de liaison DL

Bilan de liaison UL (exemple pour service data à 144 kb/s) kb/s) Valeur Emetteur P: MS Tx Power (dBm) MAG : MS Tx Antenna Gain (dBi) BL : Body Loss (dB) PIRE : MS EIRP (dBm) Récepteur FM : Fade Margin (dB) IM : Interference Margin (dB) PL : Perte de pénétration (dB) BAG : BTS Antenna Gain (dBi) BCL : BTS Cable Loss (dB) SHG : Soft HO Gain (dB) TM : Total Margin (dB) S : BTS Rx Sensitivity (dBm) UL_PL : UpLink Path Loss (dB)

23 0 3 20 5,4 3 0 16 3 2 -6,6 -115 141,6

Valeur

Formule

PIRE = P+MAG-BL FM = 0,675*SD (RC=90%, SD=8dB)

IM = 10log(1/1-loading) Urbain dense = 20 dB

TM=FM+IM+PL-BAG+BCL-SHG

UP_PL = PIRE-TM-S

Emetteur P: BTS Tx Power (dBm) BAG : BTS Tx Antenna Gain (dBi) BCL : BTS Cable Loss (dB) PIRE : BTS EIRP (dBm) Récepteur FM : Fade Margin (dB) IM : Interference Margin (dB) PL : Perte de pénétration (dB) MAG : BTS Antenna Gain (dBi) SHG : Soft HO Gain (dB) TM : Total Margin (dB) S : MS Rx Sensitivity (dBm) DL_PL : DownLink Path Loss (dB)

29 16 3 42 5,4 3 0 0 2 9,4 -110 142,6

Formule Puissance allouée au pilote

PIRE = P+BAG-BCL FM = 0,675*SD (RC=90%, SD=8dB)

IM = 10log(1/1-loading) Urbain dense = 20 dB

TM=FM+IM+PL-MAG+BL-SHG

UP_PL = PIRE-TM-S

43

44

Dimensionnement du RNC (1)

Dimensionnement du RNC (2)

Caractéristiques à considérer : - Capacité en trafic du RNC : débit en Erlangs (CS), débit en Mb/s (PS), - Capacité de gestion : nombre maximum de Nodes B contrôlés par le RNC, - Capacité de connexion : nombre maximum de connexions sur les interfaces Iu-b, Iu et Iu-r. Capacité de RNC = Compromis entre débit CS et débit PS. 45

Etapes de dimensionnement RNC : 1. Déterminer le nombre maximum de Nodes B pour la zone. En déduire le nombre minimum NRNC1 de RNC (= Nombre de Nodes B/Nombre maximum de Nodes B gérés par RNC). 2. En fonction du trafic écoulé par Node B, déterminer le nombre NRNC2 de RNCs nécessaires pour écouler le trafic. 3. En fonction de la capacité maximum en trafic par RNC et d’une analyse statistique, évaluer si NRNC2 permet de répondre aux conditions fluctuantes du trafic, sinon, augmenter ce nombre ou la capacité en trafic de certains RNCs. 4. Le nombre de RNC pour la zone = Max (NRNC1, NRNC2). 5. En fonction de la capacité maximum écoulée par RNC, déterminer le trafic aggrégé sur l’interface Iu-b ainsi que le trafic sortant aggrégé sur les interfaces Iu-cs, Iu-ps et Iu-r.

46

??? η =∑ k

1 u .(1+i.N / ζ ) k s 1+ W ρ k .R k

i

4. Facteur de charge et noise rise 47

= (interférences extérieures créées par les autres cellules)/(interférences internes créées par la cellule considérée). i dépend de l’environnement, du type de cellule (i = 55 % dans le cas de cellules omnidirectionnelles) et du type d’antenne, W : débit chip (3,84 Mchip/seconde), Rj : débit utilisateur j, dépend du service utilisé, uj : facteur d’activité utilisateur j au niveau de la couche physique (67 % pour la voix et 100 % pour les données), N : nombre d’utilisateurs dans chaque cellule, Ns : nombre de secteurs. Plus la charge est élevée, plus le rayon de la cellule diminue. Ö Respiration de cellules. 48

8

Facteur de charge sur le lien montant N

nUL=(1+i)∑

j =1

i

1+

1 W

Phénomène de respiration de cellules

.u j

 E b  .R j  N0 j

= (interférences extérieures créées par les autres cellules)/(interférences internes créées par la cellule considérée). i dépend de l’environnement, du type de cellule (i = 55 % dans le cas de cellules omnidirectionnelles) et du type d’antenne, W : débit chip (3,84 Mchip/seconde), Rj : débit utilisateur j, dépend du service utilisé, uj : facteur d’activité utilisateur j au niveau de la couche physique (67 % pour la voix et 100 % pour les données), N : nombre d’utilisateurs dans chaque cellule. Plus la charge est élevée, plus le rayon de la cellule diminue. Ö Respiration de cellules. 49

Noise Rise • Rapport entre puissance large bande totale sur puissance du bruit thermique dans la bande du signal (PN). • Noise Rise = - 10log10(1 – nul). • Valeur utilisée comme marge d’interférence dans le calcul du bilan de liaison. Augmente avec le débit de transmission et le nombre de communications. ¾ Capacité du système définie par la pôle capacité. Correspond au cas où nul tend vers 1. ¾ Pôle capacité jamais atteinte car suppose des puissances d’émission infinies de la part des mobiles. ¾ En pratique : Charge maximum d’une cellule WCDMA comprise entre 40 et 70 %. ¾ Exemple : Charge entre 20 et 50 % Â noise rise = 2 dB.

 Eb   N  0 j 

ndl= ∑ u j. W j =1

Cas 2 : 20 utilisateurs

-10 < C/I < -5 dB

-15 < C/I < -10 dB cellules

-15 < C/I < -50 dB

50

Capacité Capacité, rayon de cellule et noise rise Charge de la cellule = 20 % de la capac ité ma xi mu m

R Niveau d’interférence = y dB

R et R’ sont les rayons des cellu les dans les deux situations de charge

Noise Rise = 2 dB

Charge de la cellule = 50 % de la capac ité ma xi mu m

R’ R R 51

Facteur de charge sur le lien descendant N

Cas 1 : 10 utilisateurs

[(1−a j)+i j]

Rj

• aj : facteur d’orthogonalité du signal sur le sens descendant. < 1 du fait des trajets multiples. Valeur entre 0,4 et 0,9. 0,6 pour un véhicule et 0,9 pour un piéton. • ij : rapport entre interférence extracellulaire et interférence intracellulaire, au niveau de l’utilisateur j. 53

Niveau d’interférence = y + 2 d B

52

Gain de soft handover ou gain de macrodiversité macrodiversité Soft handover : MSs connectés simultanément à plusieurs BTS ª Puissance minimale (celle de la liaison radio la plus favorable). ª Gain dans le bilan de liaison. Â Réduction de la valeur de Eb/N0 nécessaire du fait de la combinaison des différents signaux provenant des différents liens de macrodiversité. 54

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Marge de fading rapide et impact sur la couverture Contrôle de puissance rapide Ö augmentation de la puissance du mobile pour compenser le fading de Rayleigh. ÂRéserve de puissance garantie au niveau du mobile. Réserve de puissance MS = marge de fading rapide. Vitesse du mobile Ö Caractéristiques de fading rapide et durée du fading de Rayleigh. ªVitesse élevée  Contrôle de puissance pas assez rapide pour augmentation de puissance à temps Æ marge de fading rapide inutile. ªLa marge de fading rapide prise en compte que pour les mobiles lents. 55 Conséquence : Couverture limitée pour mobiles lents.

Couverture et capacité soft

5. Couverture et services 56

Couverture et services (1)

Bilan de liaison Ù Débit du service ª Dépendance entre couverture et débit du service

• Dépendance en fonction du bearer : service 384 kb/s disponible uniquement dans 60% de la surface d’une cellule planifiée pour le 144 kb/s. • Dépendance par rapport à la charge: urbain 64 kb/s avec une charge de 50 %, le rayon de la cellule réduit de près de 20 %. 57

Jaune = 12.2 kbps – Orange = 64 kbps - Rouge = 384 kbps

58

Couverture et services (2) Localisation du trafic et capacité capacité

...

...

...

...

...

..

...

< ^>

< ^>

..

< ^>

..

...

...

...

...

..

...

< ^>

... < ^>

..

< ^>

.. ... ... < ^>

... ... < ^>

..

..

... ... < ^>

..

Violet = 144 kbps – Rouge = 384 kbps

59

60

10

Avantages de placer les sites prè près des hot spots

Couverture/capacité en fonction du débit

− Minimisation de la puissance sur les canaux descendants; − Réduction du nombre de mobiles en situation de soft handover et augmentation de la capacité moyenne par BTS ; − Réduction de l’interférence sur le lien montant; − Augmentation de la capacité des stations de base voisines : terminaux proches de la BTS nécessitent moins de puissance et donc minimise l’interférence sur le lien descendant. De plus, les autres mobiles connectés sur les stations de base voisines étant éloignés, l’interférence intercellulaire est plus faible, d’où augmentation de la capacité des stations de base voisines sur le lien descendant.

− Débits élevés = puissance élevée, − Débits de transmission importants possibles uniquement à proximité de la station de base.

61

62

Pollution du canal pilot • Pollution du canal pilot : mobile recevant plusieurs signaux pilots de puissances importantes mais sans signal prédominant permettant au mobile de se caler sur l’un d’eux. • Solutions : sectorisation, tilt des antennes, ajustement des puissances.

6. Optimisation des réseaux UMTS 63

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Paramètrage du soft HO

Variables optimisées

• Paramètres du SHO : - AS_Th : seuil de macrodiversité (marge de report), - AS_Th_Hyst : hystérésis pour le seuil cidessus, - AS_Rep_Hyst : hystérésis de remplacement de cellule, - T : durée de déclenchement, - AS_Max_Size : taille maximum de l’AS.

Deux types : • Variables continues : configuration des antennes, puissance des nodes B, bilan de liaison. Permettent à l’énergie spectrale de se concentrer dans les zones requises et à la taille des cellules de correspondre aux besoins en trafic offert. • Variables discrètes : sélection des sites. 65

66

11

Techniques de diversité diversité en UMTS − Diversité de réception : diversité d’espace (2 antennes à polarisation verticale) ou diversité de polarisation (1 antenne). − Diversité d’émission : le mobile combine les signaux provenants de 2 Nodes B. Gain de 3 dB. Ajustement de la phase du signal émis par la deuxième antenne (4 phases) pour maximiser la puissance reçue par le mobile. Ajustement de la phase et de l’amplitude (8 phases entre –135° et 180° et 2 amplitudes 0,2 et 0,8).

7. Densification des réseaux UMTS 67

MHA (Mast (Mast Head Amplifier) Amplifier)

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Remote RF Head Amplifier ) Si long feeder : connexion optique d’amplificateurs au niveau des antennes (Remote RF Head Amplifier), ) Permet de séparer la BTS (bande de base) et les antennes (RF) pour éviter une longueur importante de feeders. Longueur possible de la connexion optique : 2 km. ) Compense la perte des feeders et permet d’augmenter la PIRE : permet soit d’améliorer la couverture UL ou DL sans impact sur la capacité, soit de maintenir la couverture et augmenter la capacité.

) Si perte des feeders > 3 dB : MHA pour compenser les pertes UL (gain entre 2 et 12 dB) mais perte DL (environ 0,5 dB). ) Réduction du noise rise du Node B en réception (réduction de l’ordre de 2 dB) : améliore le bilan de liaison sur le UL et donc la couverture. 69

Répéteurs

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Réseaux multiporteuses (1)

) Permettent d’étendre la couverture du Node B. ) Utilisation dans les zones à faible couverture sans ajout de Node B. ) Caractéristiques : - Puissance d’émission en DL : 5 W, - Puissance d’émission en UL : 0,25 W, - Retard : 5 µs, - Facteur de bruit UL : 3 dB.

Disponibilité de plusieurs porteuses : - Option 1 : Utilisation de toutes les porteuses sur une seule couche macro, - Option 2 : Réseau hiérarchique avec une couche macro, une couche micro et une couche pico.

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12

Réseaux multiporteuses (2)

Réseaux multiporteuses (3)

Rapports de protection : ACLR (Adjacent Channel Leakage power Ratio)

Couche macro / Couche micro

ACLR maximum pour le mobile

ACLR maximum pour le Node B

Première porteuse adjacente (5 MHz)

33 dB

45 dB

Deuxième porteuse adjacente (10 MHz)

43 dB

50 dB

Noise Rise Interférences Capacité / porteuse

Couche Macro

Couche micro

6 dB Limitation

20 dB Fortes mais capacité importante

1 Mb/s

1,5 Mb/s

73

74

Exemple d’outil d’ingénierie CDMA 1. Spécification de la configuration du réseau (sites à retenir),

2. Spécification des paramètres des BTSs (puissances,

8. Outils d’ingénierie WCDMA

antennes, pertes des câbles, facteur de bruit, Eb/I0 min. à la BTS, Ec/I0 cible, paramètres de HO, …),

3. Spécification des paramètres CDMA (débit chip, débit des canaux de trafic, débit du canal de paging, débit du canal de synchro.),

4. Spécification des paramètres du mobile (puissance maximum, facteur de bruit, body loss, activité vocale, …),

5. Sélection des paramètres à analyser et à visualiser (sens montant et sens descendant). 75

Outil de planification UMTS BD géo. Config. initiale du réseau

Demande en service (trafic)

Outil TDMA/Outil CDMA (1)

Caract. du système Caract. des canaux de propagation

• Outil TDMA : statique, temps de réponse courts. • Outil CDMA : dynamique

Modèle de la demande en service Initialisation du modèle

Modélisation du lien radio (à grande échelle) « Modèles de propagation »

Distribution des mobiles dans le réseau

Matrices de pathloss Type de canal multipath

Modélisation du système et évaluation du niveau d’interférence

Modélisation de la liaison radio (petite échelle) « Modèles de QoS »

Performances du lien radio BER = f(Eb/N0)

– Respiration de cellules, – Modélisation du contrôle de puissance, – Utilisation d’une approche statique pour simuler l’aspect dynamique : utilisation de photos instantanées, modéliser le contrôle de puissance, calcul des puissances sur des boucles de contrôle de puissance.

Modélisation du système : calcul de puissances avec prise en compte de la macrodiversité, du controle de charge, ... « Analyse du lien montant » « Analyse du lien descendant » « Evaluation du niveau d’interférences »

Etat stable du réseau Niveau d’interférences

Générateur des paramètres d’ingénierie Performances de l’ingénierie

Sorties graphiques Rapports de performances

Analyse des résultats

76

77

78

13

Planification TDMA/Planification CDMA

Outil TDMA/Outil CDMA (2) • 1. 2. 3.

2.

CDMA

Process avec outil TDMA

Planification de la couverture

Prédiction de la couverture (puissance dans la zone supérieure au minimum nécessaire), Seuil de planification déduit du bilan de liaison (intègre des marges de shadowing, de pénétration indoor, …), Affectation des fréquences et analyse des interférences.

Paramétrage

• 1.

TDMA

Prévisions de trafic

Couverture

Prévisions de trafic

Process avec outil CDMA

Prédiction de couverture

Prédiction de couverture en fonction du trafic, de la position des utilisateurs, des débits, … Simulation du trafic dans la cellule et dans les cellules voisines.

Paramétrage

Ajout de TRX/site Ajout de TRX/site 79

Caractéristiques des systèmes WCDMA et planification

• Interaction entre couverture et capacité (estimation du niveau d’interférence, relation entre nombre d’utilisateurs et débits dans les cellules), • Aspect multi-services (différents services avec différents Eb/N0), • Contrôle de puissance (puissances d’émission minimum des MSs et BTSs, différence entre UL et DL), • Récepteur Rake et Soft HO. ª Simulations

80

- M o d èles d e traf ic (ty p e d e s erv ices , tau x d 'act iv ité, d éb its , Qo S, ...), - Rép art itio n d es ab o n n és et d en s ité p ar zo n e.

Simulations Co n fig u ratio n d u rés eau

A ttrib u tio n d es v aleu rs d es facteu rs d e ch arg es mo n tan t et d escen d an t p ar cellu le

Para m ètres d 'in g én ie r ie - Co n d it io n s d e p ro p ag atio n ,

Ca lcu l d u No is e r is e

- Ca ractér is tiq u es d es éq u ip emen ts , - Qo S p ar s erv ice, . .. Eq u ilib r ag e d u b ilan d e lia is o n

Ca lcu l d u ma xim u m Path lo s s o u Ray o n d e la ce llu le

Op timis atio n o u ajo u t d 'éq u ip emen ts

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Synthèse : design du RAN

Qo S as s u rée ?

82

Dimensionnement UMTS

1. Etablir les objectifs initiaux : services, trafic et technologie, 2. Dimensionnement du réseau : sites, Nodes B, concentrateurs, MSCs, routeurs, liaisons de transmission, etc. 3. Planification cellulaire : nombre et localisation des sites pour assurer couverture et capacité, 4. Construction des sites et déploiement, 5. Optimisation du réseau pour améliorer les performances (mesures), 6. Planification de l’évolution du réseau.

Bilan de liaison Seuils de service

Paramètres du bilan de liaison

Dimensionnement en couverture Demande marketing (trafic, couverture, débit/service, QoS)

Dimensionnement en capacité

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Modèles de trafic

Hypothèses de déploiement

Cartes de couverture Nombre de sites

Configuration sites, RNCs et interfaces • Sites 2G existants, • Localisation RNC, • Types de liens (E1, STM1, …), • Hypothèses SHO.

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14