Concepts cellulaires - Introduction

L'immense potentiel du téléphone conventionnel ne peut pas être exploité à son maximum en raison de la limitation imposée par les fils de connexion. Mais cette restriction a été supprimée avec l'avènement de la radio cellulaire.

Problème de rareté des fréquences

Si nous utilisons une boucle RF dédiée pour chaque abonné, nous avons besoin d'une bande passante plus importante pour desservir même un nombre limité de sous-systèmes dans une seule ville.

Exemple

Une seule boucle RF nécessite 50 kHz N / B; alors pour un abonné lakh, nous avons besoin de 1,00,000 x 50 kHz = 5 GHz.

Pour surmonter ce problème N / B, les abonnés doivent partager les canaux RF en fonction des besoins, au lieu de boucles RF dédiées. Ceci peut être réalisé en utilisant plusieurs méthodes d'accès FDMA, TDMA ou CDMA. Même dans ce cas, le nombre de canaux RF nécessaires pour desservir les abonnés s'avère irréalisable.

Exemple

Considérez une densité de sous-marins de 30 km2, une qualité de service de 1%, le trafic offert par sous-mobile mobile de 30 m E. Ensuite, le nombre de canaux RF requis est -

Rayon (km) Superficie en km2 Subs Canaux RF
1 3.14 100 8
3 28.03 900 38
dix 314 10 000 360

Pour que 10000 abonnés attribuent 360 canaux radio, nous avons besoin d'un N / B de 360 ​​× 50 KHz = 18 MHz. Cela n'est pratiquement pas faisable.

Approche cellulaire

Avec une ressource de fréquence limitée, le principe cellulaire peut desservir des milliers d'abonnés à un coût abordable. Dans un réseau cellulaire, la superficie totale est subdivisée en zones plus petites appelées «cellules». Chaque cellule peut couvrir un nombre limité d'abonnés mobiles dans ses limites. Chaque cellule peut avoir une station de base avec un certain nombre de canaux RF.

Les fréquences utilisées dans une zone de cellule donnée seront simultanément réutilisées dans une cellule différente qui est géographiquement séparée. Par exemple, un modèle typique à sept cellules peut être envisagé.

Le total des ressources de fréquences disponibles est divisé en sept parties, chaque partie étant constituée d'un certain nombre de canaux radio et allouée à un site cellulaire. Dans un groupe de 7 cellules, le spectre de fréquences disponible est totalement consommé. Les sept mêmes ensembles de fréquences peuvent être utilisés après une certaine distance.

Le groupe de cellules où le spectre de fréquences disponible est totalement consommé est appelé un groupe de cellules.

Deux cellules ayant le même numéro dans le groupe adjacent, utilisent le même ensemble de canaux RF et sont donc appelées «cellules co-canal». La distance entre les cellules utilisant la même fréquence doit être suffisante pour maintenir le brouillage dans le même canal (co-chl) à un niveau acceptable. Par conséquent, les systèmes cellulaires sont limités par les interférences dans le même canal.

Par conséquent, un principe cellulaire permet ce qui suit.

  • Utilisation plus efficace de la source RF limitée disponible.

  • Fabrication de chaque élément de terminal d'abonné dans une région avec le même ensemble de canaux afin que n'importe quel mobile puisse être utilisé n'importe où dans la région.

Forme des cellules

À des fins d'analyse, une cellule «hexagonale» est préférée à d'autres formes sur papier pour les raisons suivantes.

  • Une disposition hexagonale nécessite moins de cellules pour couvrir une zone donnée. Par conséquent, il envisage moins de stations de base et un investissement en capital minimum.

  • D'autres formes géométriques ne peuvent pas le faire efficacement. Par exemple, si des cellules de forme circulaire sont présentes, il y aura un chevauchement des cellules.

  • Aussi pour une zone donnée, parmi le carré, le triangle et l'hexagone, le rayon d'un hexagone sera le maximum qui est nécessaire pour les mobiles les plus faibles.

En réalité, les cellules ne sont pas hexagonales mais de forme irrégulière, déterminées par des facteurs tels que la propagation des ondes radio sur le terrain, les obstacles et d'autres contraintes géographiques. Des programmes informatiques complexes sont nécessaires pour diviser une zone en cellules. Un de ces programmes est «Tornado» de Siemens.

Environnement d'exploitation

En raison de la mobilité, les signaux radio entre une station de base et des terminaux mobiles subissent diverses modifications lorsqu'ils se déplacent d'un émetteur à un récepteur, même dans la même cellule. Ces changements sont dus à -

  • Séparation physique de l'émetteur et du récepteur.
  • Environnement physique du chemin, c'est-à-dire terrain, bâtiments et autres obstacles.

Décoloration lente

  • Dans des conditions d'espace libre (ou) LOS, la constante de propagation du signal RF est considérée comme égale à deux, c'est-à-dire r = 2. Cela s'applique aux systèmes radio statiques.

  • En environnement mobile, ces variations sont appréciables et normalement «r» est considéré comme 3 à 4.

Rayleigh Fading

La ligne de visée directe en environnement mobile, entre la station de base et le mobile n'est pas assurée et le signal reçu au niveau du récepteur est la somme d'un certain nombre de signaux traversant différents chemins (multi-trajets). La propagation par trajets multiples des ondes RF est due à la réflexion de l'énergie RF d'une colline, d'un bâtiment, d'un camion ou d'un avion, etc. l'énergie réfléchie subit également un changement de phase.

S'il y a 180 déphasés avec des signaux de trajet direct, ils ont tendance à s'annuler. Ainsi, les signaux à trajets multiples ont tendance à réduire la force du signal. En fonction de l'emplacement de l'émetteur et du récepteur et des divers obstacles réfléchissants sur la longueur du trajet, le signal fluctue. Les fluctuations se produisent rapidement et cela est connu sous le nom de «fading de Rayleigh».

De plus, la propagation par trajets multiples conduit à un «élargissement des impulsions» et à des «interférences entre symboles».

Effet Doppler

En raison de la mobilité de l'abonné, un changement se produit dans la fréquence des signaux RF reçus. Les systèmes mobiles cellulaires utilisent les techniques suivantes pour contrer ces problèmes.

  • Codage des canaux
  • Interleaving
  • Equalization
  • Récepteurs de râteau
  • Saut de fréquence lent
  • Diversité des antennes

Interférence dans le même canal et séparation des cellules

Nous supposons un système cellulaire ayant un rayon de cellule «R» et une distance co-canal «D» et la taille de cluster «N». Puisque la taille de cellule est fixe, les interférences dans le même canal seront indépendantes de la puissance.

L'interférence Co-chl est fonction de «q» = D / R.

Q = facteur de réduction des interférences Co-chl.

Une valeur plus élevée de «q» signifie moins d'interférences.

Une valeur inférieure de «q» signifie une interférence élevée.

«Q» est également lié à la taille du cluster (N) comme q = 3N

q = 3N = D / R

Pour différentes valeurs de N, q est -

N = 1 3 4 7 9 12
Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00

Valeurs plus élevées de «q»

  • Réduit les interférences dans le même canal,
  • Conduit à une valeur plus élevée de "N" cellules / cluster supplémentaires,
  • Moins de nombre de canaux / cellules,
  • Moins de capacité de traitement du trafic.

Valeurs inférieures de «q»

  • Augmente les interférences dans le même canal,
  • Conduit à une valeur inférieure de «n» cellules / cluster en moins,
  • Plus de nombre de canaux / cellules,
  • Plus de capacité de traitement du trafic.

Généralement, N = 4, 7, 12.

Calculs C / I et 'q'

La valeur de «q» dépend également de C / I. «C» est la puissance porteuse reçue de l'émetteur souhaité et «I» est l'interférence dans le même canal reçue de toutes les cellules brouilleuses. Pour un schéma de réutilisation à sept cellules, le nombre de cellules brouilleuses dans le même canal doit être au nombre de six.

I = m2b Mz1 Je m

La perte de signal est proportionnelle à (distance) –r

R - Constante de propagation.

c α R-r

R = rayon de la cellule.

I α 6 D-r

D = distance de séparation dans le même canal

C / I = R - r / 6D –r = 1/6 × Dr / Rr = 1/6 (D / R) r

C / I = 1/6 qr puisque q = D / R et qr = 6 C / I

Q = [6 × C / I] 1 / r

Sur la base de la qualité vocale acceptable, la valeur de C / I s'est avérée égale à 18 dB.

En supposant,

  • Un modèle de réutilisation à sept cellules
  • Antennes omnidirectionnelles

La valeur de «q» peut être généralement d'environ 4,6.

La valeur r est prise égale à 3.

C'est une condition idéale, considérant que la distance des unités mobiles des cellules interférentes est uniformément égale à «D» dans tous les cas. Mais pratiquement mobile se déplace et la distance «D» se réduit à «D-R» lorsqu'elle atteint la limite de la cellule, et C / I chute à 14,47 dB.

Par conséquent, le motif de réutilisation «fréq» de 7 ne répond pas aux critères C / I avec des antennes omnidirectionnelles.

Si N = 9 (ou) 12,

N = 9 q = 5,2 C / I = 19,78 dB

N = 12 q = 6,0 C / I = 22,54 dB

Par conséquent, le diagramme à 9 ou 12 cellules doit être avec des antennes omnidirectionnelles, mais la capacité de traitement du trafic est réduite. Par conséquent, ils ne sont pas préférés.

Afin d'utiliser N = 7 (ou moins), des antennes directionnelles sont utilisées dans chaque site cellulaire. Une cellule à 3 secteurs est très populaire et ressemblera à la figure ci-dessous.

Le phénomène de couplage police-retour de l'antenne réduit le nombre d'interférences potentielles.

Par exemple si N = 7.

Avec des antennes omnidirectionnelles, le nombre de cellules brouilleuses doit être de six. Avec des antennes directionnelles et 3 secteurs, la même chose est réduite à deux. Pour N = 7 et trois secteurs, le C / I passe de 14,47 dB à 24,5 dB même dans les pires conditions. Ensuite, C / I répond à l'exigence de 18 dB. Pour N = 7 et six secteurs, le C / I s'améliore à 29 dB.

Pour les applications urbaines, N = 4 et une cellule à trois secteurs est utilisée pour obtenir plus de nombre de porteuses par cellule que N = 7. De plus, le C / I devient 20 dB dans les pires cas.

DAMPS Utilise le modèle de cellule 7/21

GSM Utilise le modèle de cellule 4/21

Avantages de la sectorisation

  • Diminuer les interférences dans le même canal
  • Augmenter la capacité du système

Inconvénients de la sectorisation

  • Grand nombre d'antennes à la station de base.
  • L'augmentation du nombre de secteurs / cellule réduit l'efficacité de la jonction
  • La sectorisation réduit la zone de couverture, pour un groupe particulier de canaux.
  • Le nombre de «transferts» augmente.

Remise

Lorsque l'unité mobile se déplace le long d'un chemin, elle traverse différentes cellules. A chaque fois qu'il entre dans une cellule différente associée à f = fréquence différente, le contrôle du mobile est repris par l'autre station de base. Ceci est connu sous le nom de «Hand off».

Le transfert est décidé en fonction de -

  • Reçu des informations sur la force du signal si elle est inférieure à une valeur seuil.
  • Le rapport porteuse / interférence est inférieur à 18 dB.

Interférence de canal adjacent

Une cellule / un secteur donné utilise un certain nombre de canaux RF. En raison des filtres de récepteur imparfaits, qui permettent aux fréquences proches de s'infiltrer dans la bande passante, des interférences de canaux adjacents se produisent.

Il peut être réduit en gardant les séparations de fréquence entre chaque canal RF dans une cellule donnée aussi grandes que possible. Lorsque le facteur de réutilisation est faible, cette séparation peut ne pas être suffisante.

Une séparation des canaux, en sélectionnant des fréquences RF, qui sont distantes de plus de 6 canaux, est suffisante pour maintenir les interférences des canaux adjacents dans les limites.

Par exemple, dans le GSM qui suit le modèle 4/12, N = 4

Secteurs = 3 / cellule

IA utilisera RF Carr. 1, 13, 25, ……… ..

IB utilisera RF Carr 5, 17, 29, …………

IC utilisera RF Carr. 9, 21, 33, ……… .. et ainsi de suite.

Trunking

Les radios cellulaires s'appuient sur des jonctions pour accueillir un grand nombre d'utilisateurs dans un spectre radio limité. Chaque utilisateur se voit attribuer un canal au besoin / par appel et à la fin de la cellule, le canal est renvoyé au pool commun de canaux RF.

Niveau de service (GOS)

En raison de l'agrégation, il est probable qu'un appel soit bloqué si tous les canaux RF sont engagés. C'est ce qu'on appelle «Grade of Service» «GOS».

Le concepteur cellulaire estime la capacité maximale requise et alloue le nombre approprié de canaux RF, afin de respecter le GOS. Pour ces calculs, la table 'ERLANG B' est utilisée.

Division des cellules

Lorsque le nombre d'utilisateurs atteint une saturation dans une cellule de démarrage (conception initiale) et qu'aucune fréquence de réserve n'est disponible, la cellule de démarrage est divisée, généralement en quatre cellules plus petites et le trafic augmente de quatre et plus d'abonnés. peut être servi.

Après le partage de «n», le trafic sera -

T2 = T0 × 42

La puissance sera réduite -

P2 = P0 - n × 12 db

Par conséquent, la division des cellules améliore la capacité et diminue la puissance de transmission.