rebah_kahlaoui

8/2/2019 Rebah_Kahlaoui

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Table des Matires

Table des Matires

Introduction Gnrale ......................................................................................................................1Introduction ......................................................................................................................................4

I.1. Concept cellulaire ......................................................................................................................4I.2. Architecture du rseau ..............................................................................................................5I.2.1 Le sous-systme radio ........................................................................................................5I.2.2. Le sous-systme rseau ......................................................................................................5I.2.3. Le centre d'exploitation et de maintenance ........................................................................6

I.3. Planification dun rseau GSM ................................................................................................7I.3.1. Les phases de la planification ...........................................................................................7I.3.2. Rsultat du processus de la planification ..........................................................................8

I.4. Techniques de couverture indoor .............................................................................................9I.4.1. A partir des sites outdoor .................................................................................................9I.4.2. A partir des sites indoor .....................................................................................................9

a- Solution base sur les rpteurs ........................................................................................10b- Distribution passive ..........................................................................................................10c- Distribution active .............................................................................................................11d- Solution optique ................................................................................................................11

I.5. Principes de base des antennes ...............................................................................................13I.5.1. Caractristiques dune antenne ........................................................................................13

a- Diagramme de rayonnement .............................................................................................14b- Directivit (D) ...................................................................................................................15c- Aire quivalente dune antenne (Ae) ................................................................................15d- Polarisation et Gain ...........................................................................................................15e- PIRE ...................................................................................................................................15

I.5.2. Critres de slection dune antenne .................................................................................16I.6. Conclusion ...............................................................................................................................16Introduction ....................................................................................................................................18II.1. La propagation radio ............................................................................................................18II.2. La propagation en espace libre .............................................................................................19II.3. Les modles de propagation indoor ......................................................................................19

II.3.1. Les modles empiriques .................................................................................................19II.3.1.1. Modle daffaiblissement Log - distance ...............................................................19II.3.1.2. Modle de SEIDEL ................................................................................................20

II.3.2. Les modles dterministes ..............................................................................................20

II.3.2.1. Modle de lancer de rayons ....................................................................................20II.3.3. Les modles semi dterministes .....................................................................................21II.3.3.1. Le parcours dominant pour les milieux indoor (IDP) .............................................21

II.4. Conclusion ..............................................................................................................................28Introduction ....................................................................................................................................30III.1. Modlisation du problme ....................................................................................................30

III.1.1. Objectif du modle ........................................................................................................30III.1.1. Contraintes du modle ...................................................................................................32

III.2. Algorithme d'optimisation : le recuit simul ........................................................................34III.2.1. Dfinition ......................................................................................................................34III.2.1. Description de la solution ............................................................................................38

A - Dtermination de la temprature initiale T0 ...................................................................39B- Tirage dun voisinage ......................................................................................................39

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Table des Matires

C- Rgle dacceptation de Metropolis ...............................................................................39D- Changement de palier de temprature ..........................................................................40E- Dcroissance de la temprature ...................................................................................40

F- Arrt du programme ..........................................................................................................40G- Synthse ............................................................................................................................40

III.3. Conclusion ............................................................................................................................41Introduction ....................................................................................................................................43IV.1. Environnement de travail .....................................................................................................43IV.2. Scne dtude ........................................................................................................................43IV.3. Etat radio actuel ....................................................................................................................43IV.4. Diffrents antennes et feeders utiliss ..................................................................................44IV.5. Prsentation de loutil InPred ...............................................................................................46

Etapes de cration dun projet ..................................................................................................46IV.6. Mise en vidence du Ranking ..............................................................................................47IV.7. Choix des positions candidates ............................................................................................49IV.8. Analyse des rsultats et Interprtations ...............................................................................49

IV.9. Affichage avec InPred ..........................................................................................................58IV.10. Temps de calcul ..................................................................................................................61IV.11. Conclusion ..........................................................................................................................61Conclusion Gnrale et Perspectives ............................................................................................61Bibliographie ..................................................................................................................................62ANNEXE .......................................................................................................................................63

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Liste des Figures

Liste des Figures

Figure I.1: (a) un motif lmentaire, (b) un ensemble de motifs dans un rseau .....................4

Figure I.2 : Architecture du rseau GSM........................................................................................5Figure I.3 : Processus de la planification cellulaire........................................................................8Figure I.4 : Couverture indoor partir des sites outdoor ...............................................................9Figure I.5 : Couverture indoor partir des rpteurs....................................................................10Figure I.6 : Distribution Passive....................................................................................................11Figure I.7 : Solution Optique.........................................................................................................12Tableau I. 1 : Comparaison entre diffrentes solutions de couverture indoor..............................13Figure I.8 : Diagramme de rayonnement dune antenne sectorielle.............................................14Figure II.1 : Reprsentation de la scne dtude en 2D................................................................22Figure II.2 : Dveloppement de larbre de structure. .................................................................22

Figure II.3 : Combinaison de pices pour la dtermination du parcours dominant.....................23Figure II.4 : Coins concaves et convexes de la pice....................................................................24Figure II.5 : dtermination du parcours dominant travers les coins convexes..........................24

Figure II.6 : Post-traitement du parcours dominant...................................................................25Figure II.7 : Mthodologie de la dtermination du parcours dominant......................................25

Figure II.8 : Optimisation du parcours Dominant.........................................................................26Figure II.9 : Scne de prdiction...................................................................................................27Figure II.10 : Couverture de la scne avec 3 antennes..................................................................27Figure III.1 : Organigramme de lalgorithme du recuit simul....................................................38Figure IV.1 : Couverture radio du local avant optimisation.........................................................44Figure IV.2 : Antennes indoor.......................................................................................................45

(a) : Antenne omnidirectionnelle (b) : Antenne directionnelle..................................................45Tableau IV.1 : Pertes des diffrents feeders..................................................................................45Figure IV.3 : Page daccueil dInPred...........................................................................................46Figure IV.4 : Cration dun nouveau projet..................................................................................47Figure IV.5 : Mise en vidence du Ranking..................................................................................48Figure IV.6 : Positions candidates.................................................................................................49Figure IV.7 : Variation du taux de couverture en fonction du nombre ditrations.....................50Tableau IV.2 : Cas dune seule antenne........................................................................................52Figure IV.8 : Couverture du palmarium avec une seule antenne..................................................53Figure IV.9 : Variation du taux de couverture en fonction du nombre ditrations.....................54Tableau IV.3: Cas de deux antennes.............................................................................................55

Figure IV.10 : Variation du taux de couverture en fonction du nombre ditrations...................55Tableau IV.4 : Cas de trois antennes.............................................................................................56Figure IV.11 : Variation du taux de couverture en fonction du nombre ditrations...................56(Cas de 4 antennes)........................................................................................................................56Tableau IV.5 : Variation du taux de couverture en fonction du nombre ditrations..................57Tableau IV.6 : Simulation avec quatre antennes..........................................................................57Figure IV.12 : Couverture du palmarium avec 4 antennes...........................................................58Figure IV.13 : Paramtres doptimisation.....................................................................................59

Figure IV.14 : Couverture radio assure par 4 antennes.......................................................60

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Liste des Tableaux

Liste des Tableaux

Tableau I. 1 : Comparaison entre diffrentes solutions de couverture indoor......Error: Reference

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Tableau IV.1 : Pertes des diffrents feeders..............................Error: Reference source not found

Tableau IV.2 : Cas dune seule antenne....................................Error: Reference source not found

Tableau IV.3: Cas de deux antennes..........................................Error: Reference source not found

Tableau IV.4 : Cas de trois antennes.........................................Error: Reference source not found

Tableau IV.5 : Variation du taux de couverture en fonction du nombre ditrations. . . Error:

Reference source not foundTableau IV.6 : Simulation avec quatre antennes......Error: Reference

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Liste des abrviations

Liste des abrviations

GSM: Global System for Mobile Communications

BTS : Base Transceiver Station

BSC: Base Station Controller

AuC: Authentication Center

NSS : Network Switching Center

MSC: Mobile Switching Center

HLR: Home Location Register

VLR: Visitor Location Register

IMEI: International Mobile station Equipment Identity

EIR: Equipment Identity Register

OMC: Operation and Maintenance Center

IDP: Indoor Dominant Path.

LOS: Line Of Sight.

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http://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBTShttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBSChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBSChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGAuChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGNSShttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGMSChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGHLRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGVLRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGVLRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGIMEIhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGEIRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBTShttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBSChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGAuChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGNSShttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGMSChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGHLRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGVLRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGIMEIhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGEIR


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Introduction Gnrale

Introduction Gnrale

La radiotlphonie mobile connat ces dernires annes un dveloppement sansprcdent dans lhistoire des tlcommunications. Lexplosion de la demande dans ce secteur

incite les oprateurs dployer des rseaux de tlcommunication mobile de plus en plus

performants pour satisfaire la demande des consommateurs.

Ainsi, le nombre d'utilisateurs sans cesse croissant a rendu urgent la ncessit d'assurer

une couverture radiolectrique de bonne qualit. Lors du dploiement de tels rseaux, il a fallu

mettre au point des modles performants, capables de prdire la zone de couverture

radiolectrique des diffrents metteurs placs en des points stratgiques. Ensuite, il sest avr

intressant doptimiser lemplacement de ces metteurs afin de maximiser la couverture radio.

Or dans un milieu outdoor, la couverture est quasi-totale, le problme se peroit alors dans les

milieux indoor(intrieur des btiments). Dans ce contexte se situe notre projet de fin dtudes

ralis Orascom Tlecom Tunisie qui cherche optimiser les couvertures en indoor. Cette

optimisation consiste dterminer le nombre et les gains dantennes utiliser, les feeders et les

puissances dmission pouvant assurer cet objectif tout en minimisant le cot.

Lautomatisation de cette tche devient primordiale, et dans ce contexte lobjectif de

notre projet est de dvelopper un outil permettant de dterminer le nombre et lemplacement des

antennes. Notre outil utilise comme modle de propagation lIDP (Indoor Dominant Path) qui

est un modle destin aux milieux indooret dont le principe est de se focaliser uniquement sur

le parcours dominant entre lmetteur et le rcepteur lors de la dtermination de lattnuation

du signal entre ces deux entits.

A cet effet, lensemble de ce document est partag en quatre grandes parties. Lapremire propose un tat de lart du rseau GSM: concept cellulaire, architecture, planification,

etc. ainsi que les diffrentes techniques de dploiement dune solution de couverture indoor.

La deuxime partie propose de sintresser diffrents modles de prdiction de

propagation dans un milieu indooro nous dtaillerons le modle du parcours dominant et nous

prsentons des rsultats de simulation raliss avec ce modle.

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Introduction Gnrale

La troisime partie conduit une conception de la problmatique de loptimisation des

emplacements des antennes dans un environnement intrieur. Nous commenons par une

modlisation de la problmatique, ensuite nous menons une rsolution de la problmatique en

faisant recours une mthode heuristique savoir le recuit simul.

Enfin, le dernier chapitre sera consacr la prsentation de loutil ainsi que quelques

rsultats de simulation.

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GSM & Couverture Indoor

Chapitre I

Le Rseau GSM et

Techniques de

dploiement dune

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Introduction

La rvolution actuelle dans le domaine des tlcommunications entrane un essorconsidrable des rseaux mobiles. Le systme GSM offre ses abonns la possibilit de

communiquer librement sans les contraintes inhrentes au rseau fixe. Nous essayons dans ce

premier chapitre de prsenter cette technologie tout en mettant en uvre la ncessit de dfinir

une stratgie de dploiement dune solution de couverture indoor vu les problmes de

couverture constats dans des environnements indoor et que chaque oprateur essaye de les

liminer en investissant en temps et en ressources pour laborer des techniques diverses pour

lamlioration de la qualit de service et par consquent satisfaire ses abonns.

I.1. Concept cellulaire

Le GSM (Global System for Mobile Communications) est la premire norme de

tlphonie cellulaire de seconde gnration. Le principe de ce systme est de diviser le territoire

en de petites zones, appeles cellules, et de partager les frquences radio entre celles-ci. Ainsi,

chaque cellule est constitue d'une station de base (relie au Rseau Tlphonique Commut,

RTC) laquelle on associe un certain nombre de canaux de frquences bande troite . Ces

frquences ne peuvent pas tre utilises dans les cellules adjacentes afin d'viter les

interfrences. Ainsi, on dfinit des motifs, aussi appels clusters, constitus de plusieurs

cellules, dans lesquels chaque frquence est utilise une seule fois. La figure I.1 montre un tel

motif, en guise d'exemple.

Figure I.1: (a) un motif lmentaire, (b) un ensemble de motifs dans un rseau

4
http://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGRTChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGRTC


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I.2. Architecture du rseau

L'architecture d'un rseau GSM peut tre divise en trois sous-systmes:

1. Le sous-systme radio contenant la station mobile, la station de base et son contrleur.

2. Le sous-systme rseau ou d'acheminement.3. Le sous-systme oprationnel ou d'exploitation et de maintenance.

Les lments de l'architecture d'un rseau GSM sont repris sur le schma de la figure I. 2.

Figure I.2 : Architecture du rseau GSM

I.2.1 Le sous-systme radio

Le sous-systme radio gre la transmission radio. Il est constitu de plusieurs entits

dont lemobile, lastation de base (BTS,Base Transceiver Station) et uncontrleur de station de

base (BSC, Base Station Controller).

I.2.2. Le sous-systme rseau

Le sous-systme rseau, appel NetworkSwitchingCenter (NSS), joue un rle essentiel

dans un rseau mobile. Alors que le sous rseau radio gre l'accs radio, les lments du NSS

prennent en charge toutes les fonctions de contrle et d'analyse d'informations contenues dans

des bases de donnes ncessaires l'tablissement de connexions utilisant une ou plusieurs des

fonctions suivantes:chiffrement,authentificationou roaming.

Le NSSest constitu de:

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http://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#fig:architectureGSMhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBTShttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBTShttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBSChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGNSShttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGchiffrementhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGchiffrementhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGauthentificationhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGauthentificationhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGauthentificationhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGroaminghttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#fig:architectureGSMhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBTShttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGBSChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGNSShttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGchiffrementhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGauthentificationhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGroaming


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MobileSwitchingCenter (MSC) : Cest la partie centrale du NSS. Il prend en charge

ltablissement des communications de et vers les abonns GSM. En plus de la

commutation, il gre la mobilit et les frquences et enregistre la localisation des

abonns visiteurs (VLR).

HomeLocationRegister(HLR) /AuthenticationCenter(AuC):

Le HLR est la base de donnes nominale, unique dans le rseau et utilise pour stocker

les informations des abonns du rseau : nom, numro, droits daccs, donnes de scurit,.

et la localisation courante de labonn.

Lorsqu'un abonn passe une communication, l'oprateur doit pouvoir s'assurer qu'il ne

s'agit pas d'un usurpateur. Le centre d'authentification (AuC) remplit cette fonction de

protection des communications.

VisitorLocationRegister(VLR) : Ce sont les bases de donnes qui grent la mobilit

des usagers : vrification des caractristiques dun abonn, transfert dinformations de

localisationElle contient toutes les donnes des abonns mobiles prsents dans une

zone gographique.

EquipmentIdentityRegister(EIR)

Malgr les mcanismes introduits pour scuriser l'accs au rseau et le contenu des

communications, le tlphone mobile doit potentiellement pouvoir accueillir n'importe quelle

carte SIM de n'importe quel rseau. Il est donc imaginable qu'un terminal puisse tre utilis par

un voleur sans qu'il ne puisse tre repr. Pour combattre ce risque, chaque terminal reoit un

identifiant unique (InternationalMobile station Equipment Identity, IMEI) qui ne peut pas tre

modifi sans altrer le terminal. En fonction de donnes au sujet d'un terminal, un oprateur

peut dcider de refuser l'accs au rseau.

I.2.3. Le centre d'exploitation et de maintenance

Ce sous-systme est entirement ddi ladministration du rseau par lexploitant, la

fois en ce qui concerne ladministration commerciale, la gestion de la scurit, la

maintenance

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http://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGMSChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGHLRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGAuChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGVLRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGEIRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGIMEIhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGMSChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGHLRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGAuChttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGVLRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGEIRhttp://www.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/index.html#GGGIMEI


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I.3. Planification dun rseau GSM

La planification dun rseau cellulaire est un processus trs dlicat dont le rsultat

conditionne le succs de loprateur. En effet, un rseau mal planifi se traduira par une qualit

dappel mdiocre, un taux de perte dappels important, un taux de blocage (demande dappelnon satisfaites) lev, etc. Il entranera des cots supplmentaires et des manques gagner pour

loprateur [1]. Cest ltape donc qui prcde limplantation du systme. Le but de cette tape

est de prvoir un systme convenablement optimis, qui offre une communication de bonne

qualit (taux de coupure, rapport signal sur bruit) et a une grande capacit. Tout oprateur de

tlcommunication se trouve face la problmatique suivante : comment desservir le maximum

dabonns mobiles avec une ressource limite (le spectre de frquences), et un mdia de

communication difficilement contrlable ?

La planification cellulaire est un moyen qui permet au mobile de choisir une cellule particulire

du rseau pour :

enregistrer les informations diffuses par le rseau aux mobiles,

tre prt se connecter au rseau en cas de communication,

signaler ses mouvements au rseau,

Do la ncessit de lcoute permanente des stations de base avoisinantes. Loprateur doit

donc pouvoir optimiser le rseau pour :

quil coule le maximum de trafic (pour rpondre la demande des abonns),

satisfaire les contraintes de qualit de services (maximiser la qualit de service offerte,

minimisation du taux de blocage, minimisation de linterfrence, viter les trous de

couverture),

minimiser les investissements (minimiser le nombre de stations de base mettre en place

pour rduire les cots).

I.3.1. Les phases de la planification

Le processus de planification du rseau passe par 3 tapes essentielles :

1. Dfinition de la stratgie (la couverture, la qualit de service, la capacit du rseau) et

du dimensionnement,

2. Planification et implantation, cette tape inclut :

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La planification de la couverture,

La slection des sites,

La mesure de propagation,

Le calcul de couverture, Loptimisation de la couverture.

3. Optimisation et mesure :

Optimisation du rseau,

Mesure de qualit,

Analyse de performances (qualit, efficacit),

Figure I.3 : Processus de la planification cellulaire

I.3.2. Rsultat du processus de la planification

Le processus de planification cellulaire aboutit aux rsultats suivants :

Un plan de stations de base (emplacement, capacit, puissance),

Un plan de frquences (en utilisant un algorithme daffectation de frquences),

Un plan des quipements du rseau fixe (BSC, MSC),

Un rseau de connexion entre ces entits.

Il est noter ce stade que de nos jours, le rseau GSM connat un grand succs et lesservices sont de plus en plus volus et la couverture est quasi mondiale. Ce succs repose sur

Dimensionnementdes sites radio

Dimensionnementdes sites radio

Position, Taille,Capacit des cellules

Position, Taille,Capacit des cellules

Allocation desfrquences

Allocation desfrquences

Planification durseau fixe

Planification durseau fixe

Donnes Outils Formules dErlang

Algorithme

Outils

Donnes

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des rgles dingnierie et un processus assez complexe. Par ailleurs, lassurance dune qualit

de service qui rpond aux attentes et aux exigences des abonns reste le souci majeur des

oprateurs de tlcommunications ; la raison pour laquelle et aprs la couverture quasi-totale

outdoor, les oprateurs concentrent leurs efforts sur la garantie dune bonne couverture indoor.

Dans ce qui suit, nous prsentons alors diffrentes techniques permettant dassurer une

couverture indoor.

I.4. Techniques de couverture indoor

Assurer une couverture satisfaisante en environnement intrieur est fondamentale. Cette

couverture indoor peut tre assure de deux manires diffrentes :

I.4.1. A partir des sites outdoor

La couverture indoor peut tre assure partir des sites localiss lextrieur du local

couvrir. En effet, si le trafic dans les locaux couvrir nest pas important et ne ncessite pas une

capacit supplmentaire, nous pouvons appliquer cette solution. De mme, nous pouvons faire

recours cette solution dans le cas o le propritaire du local refuse linstallation des

quipements des antennes et des cbles lintrieur du local. La figure I.4 illustre cette

technique de couverture indoor partir des sites outdoor.

Figure I.4 : Couverture indoor partir des sites outdoor

I.4.2. A partir des sites indoor

Le dploiement de ce genre de solution est intressant pour lamlioration de la

qualit de communication notamment lintrieur des grands btiments tels que les centres

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commerciaux, les aroports, les gares, les grands htels, vu la grande diversit des matriaux

de construction (bton, marbre, vitre renforc) et la forte densit des utilisateurs GSM.

En pratique, nous distinguons plusieurs types de solutions localiss en

indoor et que loprateur choisit lune ou lautre selon le milieu couvrir et

suivant les contraintes tenir en compte que nous dtaillerons dans les

paragraphes suivantes.

a- Solution base sur les rpteurs

Un rpteur est un quipement passif qui assure la rgnration

du signal et son amplification. Le rpteur slectif bidirectionnel permet l'amplification

de un quatre canaux GSM de 200 khz. Tout en aillant faible encombrement, faible cot, et

facilit d'installation, le rpteur assure les caractristiques lectriques ncessaires au rseau. Par

suite, le choix de cet quipement est conseill dans le cas o la capacit des sites extrieurs suffit

supporter le trafic indoor[2].

Figure I.5 : Couverture indoor partir des rpteurs

b- Distribution passiveLobjectif de la distribution passive est dassurer une bonne couverture en utilisant une

seule station de base laquelle sont connectes plusieurs antennes avec lutilisation

dquipements passifs : cbles coaxiaux, diviseurs de puissance (splitters), coupleurs,

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Figure I.6 : Distribution Passive

Il est noter que cette solution assure une bonne couverture du local avec le minimum

de cot, toutefois elle prsente quelques limites:

- Le nombre dantennes utilis est limit vu les pertes associes aux cbles coaxiaux

pour les distances assez leves.

- La diffrence de distance maximale entre deux cbles coaxiaux qui sparent deux

points rayonnants (mettant avec la mme puissance) connects avec la mme station de base

est limite 4 km afin dviter les problmes dinterfrence co-canal.

c- Distribution active

Pour remdier aux problmes de la distribution passive, la distribution active utilise des

lments actifs pour rduire les pertes tel que les rpteurs et les micro-BTS.

d- Solution optique

Les lments constitutifs de cette solution sont :

- Unit matresse qui a pour rle la conversion du signal de la BTS en un signal optique et

lenvoi vers les units esclaves,

- Units esclaves : assurant la conversion du signal lectrique en un signal optique et

inversement.

11


17/71


Figure I.7 : Solution Optique.

Le choix de cette solution est avantageux surtout dans le cas o on doit couvrir un

ensemble de btiments ncessitant plusieurs antennes rayonnantes. En effet, lutilisation de la

fibre optique engendre des pertes minimes (0.4 dB/km. pour les fibres monomodes de 1310 nm)

en le comparant avec celle des cbles coaxiaux et une transmission plus scurise vu limmunit

de ces fibres contre linterfrence lectromagntique. En plus, lutilisation de cette solution est

prfrable en cas dune extension du rseau dans la mesure o nous navons pas besoin de

changer linfrastructure existante.

Comparaison entre les diffrentes techniques

Chaque solution de couverture indoor prcdemment dcrit prsente des avantages et

des inconvnients. Dans ce qui suit nous montrons un tableau comparatif entre ces diffrentes

techniques [2].

Unitesclave

Unitescla

Unitmaitresse

BTS

Splitter AO

12


18/71


Solutions Nature du local

couvrir

Trafic Mobilit

du trafic

Ingnierie

radio

installation cot

Base sur lesrpteurs

Espace de taillerduite

Sans capacitsupplmentaire -

Facile Facile Faible

Distributionpassive Entreprises,aroports,

centrescommerciaux,

Moyen Elev enajoutantdes TRXau niveaudu BTS

Complexe,ncessitdune

optimisationdes

paramtres etdes

emplacementsdes

quipements

Difficilesurtout pourles grandsbtiments

Un peulev

Distribution

activeMicro-BTS

Btiments avec

quelques tages

Elev et

uniforme

Pas de

mobilit

Trs dlicate

vuelexistence de

plusieurscellules en

indoor

Facile Elev

pour lesgrands

btiments(pertes decapacit)

Distributionoptique

Btiments telque le nombre

dtages dpasse25

Elev Elev Complexe Complexe Trs lev

Tableau I. 1 : Comparaison entre diffrentes solutions de couverture indoor

La couverture radio dans un rseau radio mobile ne peut se faire sans recours des

quipements bien particuliers qui sont les antennes. Dans ce qui suit, nous essayons de dfinir

les principes de bases des antennes.

I.5. Principes de base des antennes

Une antenne est la structure associe linterface entre londe mise (ou reue) guide

dans lmetteur (ou rcepteur) et londe se propageant en espace libre. Par ailleurs, elle rayonneou reoit de lnergie et assure donc une fonction de couplage de lnergie entre lespace libre

et un quipement de guidage telle une ligne de transmission, un cble coaxial ou un guide

donde.

I.5.1. Caractristiques dune antenne

Une antenne est gnralement caractrise par son diagramme de rayonnement, sa

directivit, une polarisation, son gain, sa puissance isotrope rayonne quivalente (PIRE) et sonrendement.

13


19/71


a- Diagramme de rayonnement

LIEEE dfinit le diagramme de rayonnement comme la reprsentation graphique desproprits de rayonnement de lantenne en fonction des coordonnes spatiales

- Intensit du rayonnement

- Puissance du champ

- Phase et polarisation

Figure I.8 : Diagramme de rayonnement dune antenne sectorielle

Dans les rseaux radio mobiles, deux coupes de la surface caractristiques de

rayonnement dune antenne sont utilises :

- le diagramme de rayonnement horizontal qui permet de dterminer la couverture que

permettra dassurer lantenne.

- le diagramme de rayonnement vertical qui indiquera la directivit dans le plan vertical

et sera utilis pour dterminer lorientation de lantenne par rapport la verticale (appele

tilt ).

Notons quil existe plusieurs types dantennes savoir lantenne isotrope, lantenne

directive et lantenne omnidirectionnelle . La premire antenne est une antenne thorique

rayonnant de faon uniforme dans toutes les directions. Pour lantenne directive, elle peut

rayonner ou recevoir les ondes plus efficacement dans certaines directions que dans dautres,

par contre lantenne omnidirectionnelle reoit et met les ondes dans toutes les directions.

14


20/71


b- Directivit (D)

La directivit est le rapport entre la puissance rayonne par lantenne vers une direction

donne et celle dune antenne de rfrence (isotrope). Notons quelle est exprime en dBi et

quelle indique la capacit de lantenne concentrer lnergie dans des directions spcifiques.

c- Aire quivalente dune antenne (Ae)

Laire quivalente dune antenne est louverture gomtrique sur laquelle le champ

lectromagntique nest pas ngligeable. Dans le cas dune antenne directive, laire quivalente

est gale la portion de la surface plane proche de lantenne, perpendiculaire la direction de

rayonnement maximum.

d- Polarisation et Gain

Lorientation du champ lectrique E dtermine la polarisation de londe rayonne parlantenne.

- si lantenne est place horizontalement par rapport au sol, E est horizontal (pour une

grande partie des directions de lespace), lantenne est dite polarisation horizontale. Dans le

cas o lantenne est verticale, elle est dite polarisation verticale.

Le gain dune antenne est une caractristique particulirement importante qui reprsente

le rapport entre lintensit de rayonnement dans une direction donne et celle dun signal

rayonn isotrope. Il est gal 4 fois le rapport entre lintensit moyenne de rayonnement par

unit dangle solide et la puissance totale fournie lantenne par la source.

24 /e

G A = et .G D= (avec : rendement)

e- PIRE

La puissance isotrope rayonne quivalente ou PIRE est dfinie comme la puissance

ncessaire fournir une antenne isotrope pour obtenir la mme puissance que celle fournie par

lantenne considre et dans la direction considre. La PIRE est donne par le produit de la

puissance P fournie lantenne par le gain isotrope ( , )G :

( , ) ( , ) ( )PIRE P G dB = + (I.1)

15


21/71


Dans le cas gnral, cest la direction principale de lantenne dans laquelle le

rayonnement est maximal qui est prise en compte pour dterminer la porte dune antenne.

Dans ce cas la valeur de la PIRE sera [1] :

( )Max

PIRE P G dB= +

I.5.2. Critres de slection dune antenne

Avant de choisir une antenne, il faut vrifier son diagramme de rayonnement dans les

frquences basses, centrales et suprieures de la bande, de mme vrifier les lobes secondaires

et zros, la symtrie,... Ensuite, inspecter un chantillon : Intgrit physique, rsistance leau,

type dalimentation, raliser des mesures,

I.6. Conclusion

Dans ce premier chapitre, nous avons prsents diffrents aspects de la technologie

GSM : concept cellulaire, architecture, planification du rseau, couverture radio, etc.

Dans le chapitre suivant, nous essayons dtudier diffrents modles de prdiction de

propagation dans un milieu indoor dans la mesure o grce ces modles que nous pouvons

mesurer la couverture radio.

(I.2)

16


22/71

Modles de prdiction de propagation indoor

Chapitre I I

17

Les modles deprdiction de

propagation dans un


23/71


Introduction

Lingnierie radio constitue lun des aspects les plus importants lors du dploiementdun rseau cellulaire dans la mesure o elle est responsable du niveau de qualit de service

offert aux abonns.

En environnement indoor, le signal subit diffrents affaiblissements pouvant atteindre

30 dB. En effet, la propagation dans ce milieu dpend de plusieurs caractristiques savoir les

donnes architecturales des btiments, en dautres termes les types de matriaux de construction

utiliss, la taille des fentres, etc. Nous nous intressons dans ce chapitre prsenter diffrents

modles de prdiction de propagation en environnement indoor ; l o nous dtaillerons plus le

modle du parcours dominant pour les milieux indoor dans la mesure o notre projet se basera

sur ce modle pour le calcul de la couverture radio. Nous prsentons ensuite quelques scnarios

de simulation raliss avec ce modle.

II.1. La propagation radio

Londe radiolectrique est sujette de nombreuses irrgularits de temprature,

dhumidit, de caractristiques lectromagntiques, etc. En dautres termes a des fluctuations en

temps et en espace. Par ailleurs, quatre mcanismes de propagation une onde peut subir savoir

la diffusion, la rflexion, la rfraction et la diffraction. Il est affirmer ce stade que le mdia

de communication est incontrlable. En effet, trois types de variations du canal radio-mobile se

dvoilent. Dans un premier lieu, on trouve les variations grande chelle ou affaiblissement de

parcours (Pathloss) qui sont des pertes de propagation dues la distance parcourue par londe

radio. Ensuite, on distingue leffet de masque (Shadowing effect) qui se prsente comme tant

des attnuations de puissance du signal dues aux obstacles rencontrs. Le dernier type de

variation du canal radio mobile est li aux trajets multiples.

Dans ce qui suit, nous prsentons diffrents modles de prdiction de propagation dans

un milieu indoor mais nous rappelons prcdemment la propagation en espace libre.

18


24/71


II.2. La propagation en espace libre

La propagation en espace libre est un cas thorique qui, dans la pratique, nest que

rarement vrifi. En effet, il sagit des cas o aucun obstacle nest prsent entre lmetteur et le

rcepteur, on parle alors de visibilit directe qui est dtermine partir des ellipsodes deFresnel.

Lquation de laffaiblissement en espace libre est donne par la formule suivante [4] :

32.4 + 2 0 log (f) + 20 lL =

Avec f : la frquence exprime en Mhz

d : la distance entre lmetteur et le rcepteur, exprime en Km.

Le principe des modles de propagation est de calculer lattnuation en espace libre et yajouter un facteur correctif. Nous nous intressons dans ce qui suit diffrents modles de

propagation mais nous nous limitons ceux du milieu indoor dans la mesure o notre intrt

vise les environnements intrieur.

II.3. Les modles de propagation indoor

Les modles de prdiction de propagation se subdivisent en trois grandes catgories. En

premier lieu, nous trouvons les modles empiriques qui sont des modles se basant sur desstatistiques. Ensuite, les modles exactes qui sont des modles se basant sur des quations

mathmatiques donc ils ncessitent beaucoup de temps de calcul et sont gourmands en espace

mmoire. Le dernier modle de prdiction de propagation est le modle semi empirique qui

reprsente un compromis entre les deux modles prcdemment voqus, en dautres termes

cest un modle qui essaye de faire face la complexit des modles exactes et au manque de

prcision des modles empiriques.

Nous prsentons dans ce qui suit quelques modles de prdiction de propagation dans un

milieu indoor et nous mettons laccent sur le modle du parcours dominant pour les milieux

indoor dans la mesure o nous nous basons sur ce modle pour dterminer la couverture radio

des antennes dans un environnement indoor.

II.3.1. Les modles empiriques

II.3.1.1. Modle daffaiblissement Log - distance

Selon ce modle, laffaiblissement dans un environnement indoor augmente en fonctionde la distance qui spare lmetteur du rcepteur et il est dfini comme suit [4] :

19

(II.1)


25/71


[ ] [ ]0 10 10( ) ( ) 10* log ( / )= +L d dB L d dB n d d

Avec :

- 0d : distance de rfrence gnralement prise 1m.

- d : distance entre lmetteur et le rcepteur.

- n : facteur dattnuation qui dpend du milieu de propagation.

- 0( )L d : gnralement calcul par des mesures ou en appliquant les conditions de

lespace libre.

II.3.1.2. Modle de SEIDEL

Cest un modle qui permet destimer laffaiblissement dans un environnement indoorform par plusieurs tages. Laffaiblissement en dB est estim partir de lquation suivante

[4] :

[ ] [ ] [ ]0 10( ) ( ) 10 log ( / )SFL d dB L d dB n d d FAF dB= + +

Avec

- 0d : distance de rfrence gnralement prise 1m.

- d : distance entre lmetteur et le rcepteur.

- SFn : coefficient appliqu pour les mesures faites au sein du mme tage.

- FAF : coefficient qui peut tre remplac par un facteur qui tient en compte leffet de la

sparation des planchers multiples.

Il est noter ce stade que les modles de propagation empiriques sont des formules

mathmatiques obtenues partir de statistiques sur un trs grand nombre de mesures coteuses

et longues pour diffrentes positions Emission/Rception. Ils manquent par consquent de

prcision. Nous abordons dans ce qui suit les modles dterministes qui sont caractriss par

une bonne prcision mais en contre partie un temps de calcul excessif.

II.3.2. Les modles dterministes

II.3.2.1. Modle de lancer de rayons

Cest une technique entirement dterministe (base sur une approche drive de

loptique gomtrique) dont le principe est:

Lancement partir de lmetteur, de lignes directrices (rayons) dans toutes les

directions.

20

(II.2)

(II.3)


26/71


Rayons espacs rgulirement partir de lmetteur et tracs au fur et mesure

de leur propagation.

Trajets metteur-rcepteur recherchs.

La condition darrt est atteinte si:

Puissance du rayon en dessous dun seuil,

Rayon qui a quitt la zone de simulation,

Rayon qui a subit un nombre maximal de rflexions (5 10).

Le lancer de rayon prend en considration tous les trajets entre lmetteur et le rcepteur

ce qui le rend coteux en temps de calcul [5]. Un autre modle savre intressant tel que le

parcours dominant (IDP) que nous proposons de le dtailler dans ce qui suit.

II.3.3. Les modles semi dterministes

II.3.3.1. Le parcours dominant pour les milieux indoor (IDP)

Le parcours dominant pour les milieux indoor (IDP : Indoor Dominant Path) est un

modle rcemment dcouvert, qui sintresse la dtermination de la prdiction de propagation

dans les milieux indoor dont le principe est de ne prendre en considration lors de la

dtermination de lattnuation du signal que le parcours dominant entre lmetteur et le

rcepteur et de ce fait le temps de calcul est proche de celui des modles empiriques et loin de

se rapprocher de celui du lancer de rayons [6]. Afin dillustrer le principe de ce modle, nous

prsentons dans ce qui suit les diffrentes tapes de son droulement.

1. Dveloppement dun arbre de structure

Le parcours dominant pour les milieux indoor considre une base de donnes qui doit

comprendre une reproduction exacte de lenvironnement simuler, en dautres termes, lesinformations relatives chaque type de matriau figurant dans la scne ; ainsi cette description

sollicite que toutes les pices de la scne gographique sont vides. Et par consquence, un arbre

de structure sera dvelopp partir de cette base.

Le schma suivant montre un exemple dune scne dtude en 2D que nous essayons par

la suite de dvelopper son arbre de structure [7].

21


27/71


Figure II.1 : Reprsentation de la scne dtude en 2D.

Afin de pouvoir dterminer larbre de structure dune scne bien dtermine, il faut

numroter chaque pice par un numro et chaque mur par un indice. Ensuite, la pice contenant

lmetteur sera la racine de larbre. La premire couche rassemble les diffrentes sallesadjacentes la racine. Concernant, la deuxime couche, elle reproduit les salles adjacentes la

premire couche et ainsi de suite pour les autres couches. Il est noter que les branches sortant

de chaque couche vers une couche suprieure dchiffrent les indices des murs en commun entre

les deux pices. Enfin, nous mettons en vidence que, sil existe plusieurs murs entre lmetteur

et la pice adjacente, la pice adjacente est compt n fois dans la couche infrieure de larbre de

structure que le nombre de murs commun[7]. La figure II.2 montre larbre de structure

dveloppe partir de la scne prcdemment reprsente.

Figure II.2 : Dveloppement de larbre de structure.

2. Dtermination du parcours dominant

La dtermination du parcours dominant peut se faire de deux manires : soit en utilisant

larbre de structure soit en se basant sur la matrice de transition.

Couche 1

Couche 2

HDH

G

H

F

HE

HC

H

BH

A

H

I

H

1

665

65

6

45

6

3

4

56

3

4

5

6

2

3

4

5

6

2

34

5

6AH

N

A

H

J

A

H

16

3

4

56

N

AH

G

H H

L

H

2

3

4

5

6

1 156

Couche 3

N

A

H

J

AH

I

H3

4

56

6 1

C

H

J

AH

1

2

3

45

6

B

H

JA

H

1

2

3

45

6

.............

22


28/71


a. Larbre de structure

Le calcul du parcours entre lmetteur et le rcepteur est dtermin partir de larbre de

structure. En fait, il sagit de dterminer partir de cet arbre les diffrents chemins possibles

entre lmetteur et le rcepteur (tout en mettant en vidence les obstacles franchis).

Si le rcepteur se trouve dans la pice i, il faut examiner seulement les branches de la

pice i, en dautres termes, il sagit de balayer en sens inverse larbre vers la racine (vers

lmetteur). Ensuite, combiner toutes les pices parcourues entre lmetteur et le rcepteur en

une seule pice [7].

Figure II.3 : Combinaison de pices pour la dtermination du parcours dominant.

Les murs supprims lors de la dtermination du parcours dominant sont ceux donns par

les branches de larbre de structure lors du balayage en sens inverse (cest--dire du rcepteur

vers lmetteur).

Il est noter que lors de la dtermination du parcours dominant deux cas de figure se

prsentent :

Visibilit directe entre lmetteur et le rcepteur (LOS : Line Of Sight) :

Lmetteur et le rcepteur se trouvent dans la mme pice. La dtermination du parcours

dominant est simple puisque celui-ci correspond au rayon directe de lmetteur vers le

rcepteur.

Absence de visibilit directe entre lmetteur et le rcepteur (NLOS : None Line Of

Sight) : Lmetteur et le rcepteur ne sont pas situs dans la mme pice. La

dtermination du parcours dominant suit la procdure dcrite ci-dessus.

Une fois la combinaison de pice, pour la dtermination du parcours dominant, est faite,

il faut numroter les coins de la pice rgnre et les arranger dans deux listes (coins concaves

et coins convexes). Il est noter que les coins concaves ne sont pas pris en compte pour la

23


29/71


dtermination du parcours dominant. Par contre la recherche de ce parcours stimule que ce

dernier doit passer par un ou plusieurs coins convexes (au minimum un seul coin) [7].

Figure II.4 : Coins concaves et convexes de la pice.

Aprs le choix des coins adquats parmi lensemble de coins candidats, gnrer deux

autres arbres partir de larbre de structure et on aura alors deux nouveaux arbres de structure

(celui de lmetteur et du rcepteur).

Figure II.5 : dtermination du parcours dominant travers les coins convexes.

Ensuite, nous devons procder par une comparaison des deux arbres couche par couche.

Si dans la premire couche, il existe plusieurs coins communs entre les deux arbres, prendre les

numros de ces nuds et mettre fin la comparaison. Si dans la couche une, aucun coin nest

en commun, il faut passer la couche suivante dans les deux arbres. La comparaison se fait

alors pour la deuxime couche avec la premire et la deuxime couche de lautre arbre (cest--

dire faire le balayage de larbre oppos partir de la ime couche jusqu' la premire couche et

rciproquement avec lautre arbre).

24


30/71


La recherche des coins ne sarrte que si nous mettons en vigueur un ou plusieurs

numros de coins en commun dans les deux arbres. Enfin, les coordonnes obtenues du

parcours dominant doivent tre modifi pour que ce dernier devienne indpendant des

localisations exactes des coins calculs partir des arbres et les cordonns des coins sont

dplacs lintrieur de la pice adjacente de telle sorte que les nouvelles coordonns sont

gnrs partir de la base gographique de la scne [7]. La figure II.6 illustre la dmarche

explique ci-dessus.

Figure II.6 : Post-traitement du parcours dominant.

b. Mthode de la matrice de transitionLa matrice de prdiction est produite partir dune base de donnes. Chaque point

reprsente un carr en 2D. Ensuite, les transitions entre les points avoisinants sont dtermines

et emmagasines dans une matrice [7].

Figure II.7 : Mthodologie de la dtermination du parcours dominant.

Aprs la gnration de la matrice de prdiction, la recherche du parcours dominant est

faite partir de la dcision effectue par l'analyse de la perte de transmission entre le point de

dpart et les points avoisinants. Ainsi, le test de dcision est refait de nouveau pour le point

survivant. Cest--dire, par exemple, le troisime test de dcision est gnr partir de lanalyse

25


31/71


faite pour le deuxime point et ainsi de suite tout en prenant en considration la transition avec

la plus petite perte de transmission est choisie.

Une fois le chemin dominant est achev, ce chemin est optimis de telle sorte que ce

dernier devient indpendant de la matrice de prdiction, le plus court et dont les changements

angulaires de direction sont aussi rduits.

Figure II.8 : Optimisation du parcours Dominant.

3. Dtermination de lattnuation du parcours

Lattnuation du parcours (Pathloss) est donne par lquation suivante [8] :

1

20 (1 0.5 ) log( ) ( )

180

ni

i D

i

L n d w L

=

= + oAvec :

n : facteur multiplicatif.

d: la longueur de chemin donn en mtre.

: facteur de guidage (waveguiding factor).

DL : Perte en dB en raison d'une interaction, cause du changement de la

direction de propagation.

: Langle entre l'ancienne direction et la nouvelle direction de propagation.

En effet, la perte augmente linairement avec l'angle, normalis 180.

w : facteur qui peut tre utilis pour rduire le poids dinteractions.

4. Simulation

Afin de mieux illustrer la prdiction avec le parcours dominant pour les milieux indoor

nous prsentons une simulation ralis avec Matlab 6.5 pour le premier tage du palmarium

dont voici le plan et lemplacement de trois antennes prvues pour assurer une couverture

indoor.

26

(II.4)


32/71


Figure II.9 : Scne de prdiction.

Et voici le rsultat de la simulation de la prdiction de cette scne en utilisant contourf

de Matlab 6.5.

Figure II.10 : Couverture de la scne avec 3 antennes

Nous constatons quavec le parcours dominant pour les milieux indoor, nous pouvons

prvoir la couverture radio des diffrentes antennes installes mais il est noter que la

couverture nest pas bonne dans la mesure o le niveau de champ dsir qui est suprieur ou

gal -85 dBm nest atteint que dans une zone restreinte, ceci est d en fait aux mauvais

emplacements des antennes et nous amne alors chercher amliorer cette couverture en

27


33/71


essayons doptimiser les emplacements des antennes et par la suite amliorer la couverture

radio.

II.4. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons abord diffrents modles de prdiction de propagation

dans un milieu indoor l o nous avons dtaill le modle du parcours dominant et prsent un

rsultat de simulation ralis avec ce modle.

Le problme de la planification Indoor est le fait de choisir le nombre, le type et

lemplacement des antennes. La minimisation du cot avec lassurance dun taux de couverture

maximum est le souci de tous les oprateurs. Dans le prochain chapitre, nous abordons la

mthodologie permettant de dvelopper cette tche.

28


34/71

Optimisation

ChapitreIII

29

Optimisation dune

solution decouverture Indoor


35/71

Optimisation

Introduction

Afin datteindre lobjectif de ce travail qui consiste optimiser les emplacements desantennes dans un milieu indoor dans le but dassurer une couverture radio globale, nous

prsentons dans ce chapitre notre conception de la problmatique et nous abordons ensuite une

description dtaille de la solution propose.

III.1. Modlisation du problme

Nous avons dcrit dans le premier chapitre quelques stratgies de dploiement dunesolution de couverture indoor, et nous avons mentionn que nous pouvons assurer une

couverture indoor soit partir des sites outdoor notamment dans le cas o le trafic dans les

locaux couvrir est faible, soit partir des sites indoor. Notre projet sintresse la deuxime

technique, en dautres termes tant donn un environnement indoor couvrir partir de micro

stations de bases, quelles sont les positions optimales, le nombre et les types des antennes

installer afin dassurer une couverture radio totale.

Le problme demplacement dantennes consiste trouver un ensemble demplacementspour les antennes partir dun ensemble de positions candidates et pour chaque position

slectionn le gain dantenne, la puissance dmission ainsi que le feeder associ.

Le choix de ces positions doit satisfaire un ensemble de contraintes et optimiser un

certain nombre dobjectives. Notre problmatique est une problmatique de maximisation de la

couverture, mais linstallation dune antenne est chre pour un oprateur donc loprateur a

pour objective de minimiser le nombre des antennes installer et de ce fait pour chaque scne

nous commenons par un nombre dantennes minimal.

III.1.1. Objectif du modle

Nous essayons maintenant de donner une modlisation mathmatique du problme, pour

ce faire nous reprsentons la surface couvrir par une matrice, en dautres termes nous la

dcomposons en un ensemble de grilles selon des pas bien dfinis.

30


36/71

Optimisation

Soit ( , )i i iM x y la matrice qui reprsente le niveau de champ gnr par lantenne

numro i situ au point de coordonnes ( , )i ix y .

Soit Couverture ( 1 1 1( , )M x y , 2 2 2( , )M x y , 3 3 3( , )M x y ,.. ( , ) N N N M x y ) = ( pqC )

tel que 1 p et 1 qM K

Avec M : nombre de lignes de la matrice et K : nombre de colonnes de la matrice.

11 1

1

( ) =K

pq

M MK

c c

C

c c

K

M O M

L

pqC = 1 si couverture0 sinon

Fonction objective :

M

i=1

K

j=1

Z= pq Max C

pqC = 1 si max 1 2 ,...... ) 75( , N pq pq pq dbmm m m

0 sinon

Avecipqm : le niveau de champ de lantenne numro i au niveau du point de rception

pq et N : nombre dantennes.

Par ailleurs, nous voulons atteindre un seuil de couverture de -75 dBm. Ce seuil de

couverture sera par la suite paramtrable dans lapplication. En dautres termes, lutilisateur est

libre dans son choix de ce seuil, selon le milieu indoorauquel il veut assurer une couverturetotale, le planificateur dcide du seuil soit -75 ou -85 dBm ou autres.

Il est noter que nous ralisons loprateur maximum entre les matrices des diffrentes

antennes du fait que la somme dtriore gnralement le signal car nous additionnons des

valeurs ngatives, pour cela nous effectuons le maximum. En plus, une station mobile nest

connecte un instant donn qu une seule antenne naturellement celle qui lui procure le

maximum du niveau de champ.

31

(III.1)


37/71

Optimisation

III.1.1. Contraintes du modle

Comme le cot dinstallation dune antenne est cher pour loprateur du rseau, en

maximisant la couverture, il est primordial de minimiser le cot relatif linstallation des

antennes. En dautres termes, il est intressant de maximiser la couverture avec le nombreminimum dantennes.

1

1 m inI

j j

j

g f=

=

Avec : jy = 1 si lantennej est slectionne, 0 sinon,

I : nombre de positions candidates,

Et jf : cot associ linstallation de lantenne j. Dans cette tude nous considrons

que , 1jj f =

Concernant les interfrences, il sagit en fait dune affaire du plan de frquences, en

effet il ne sagit pas dune tche trs complexe daffecter des frquences ces antennes dans la

mesure o leur nombre nest pas assez lev. Notons que la bande de frquences GSM occupe

par Tunisiana stend entre [63,124] :

les frquences entre [63,101] sont alloues pour la bande TCH,

les frquences entre [102,124] sont alloues pour la bande BCCH.

Il est noter quil existe dautres contraintes mais qui sont en fait rsolues par

paramtrage au niveau de lOMC. Ces paramtres sont essentiellement les paramtres de

slection/reslection (c1 et c2).

Le critre C1 est un paramtre vrifiant que la cellule slectionne est toujours

parfaitement reue et qu'elle ne subit pas un affaiblissement trop fort par rapport d'autres

cellules avoisinantes. Pour vrifier cette hypothse, le critre C1 est compos de 2 parties. Une

partie dfinissant les capacits du mobile et une autre celles de la BTS.

L'quation vrifie la liaison descendante et montante. Ce critre s'crit comme suit [9] :

C1 = (RxLev - RX_Access_Min - MAX (Max_TXPWR_Max_CCH - Max. mobile RF Power, 0)

Avec : RxLev : Niveau de champs reu sur le canal BCCH en veille et en

communication sur les canaux TCH, SACCH, SDCCH et FACCH (en dBm).

32

(III.2)

(III.3)


38/71

Optimisation

RX_Access_Min : Niveau minimum autoris par la BTS pour que le mobile puisse

s'accrocher elle (en dBm).

Max_TXPWR_Max_CCH : Paramtre fixant la puissance laquelle le mobile doit

mettre lors de l'accs initial une cellule. Si ce paramtre est suprieur la classe de puissance

du mobile, celui-ci met sa puissance maximale (30 dBm pour un 1W, 33 dBm pour un 2W et

39 dBm pour un 8W).

Max.mobile RF Power : Puissance maximal avec laquelle le mobile est capable

d'mettre vers la BTS, ce paramtre est dfini par la classe du mobile (30 dBm pour un 1W, 33

dBm pour un 2W et 39 dBm pour un 8W).

Max (X, 0) signifie que si X > 0 = X et si X


39/71

Optimisation

cellules n'appartenant pas la mme zone de localisation. Si en veille la bascule entre deux

cellules d'une mme zone n'a aucune incidence sur le rseau, en revanche elle produit des

changes de signalisation entre le rseau et le mobile entre deux zones diffrentes. Le

Cell_Reselect_Hysteresis va artificiellement dplacer la frontire entre deux cellules. Au lieu

d'tre centre entre les deux dans le cas classique, la frontire va se trouver l'extrme limite de

la cellule courante. Ce procd garantie un faible taux de re-slection de la cellule prcdente,

vitant ainsi un trafic inutile; Mais c'est au dtriment de l'optimisation de la re-slection, car la

bascule va se produire alors que le Rxlev aura dj bien chut. Le Cell_Reselect_Hysteresis

n'existe que pour la re-slection de cellules en veille, car lors d'une communication il y a de

toute faon des changes de signalisations chaque changement de cellules, qu'elles soit dans la

mme zone ou non. La cellule courante va se voir attribuer un critre C1 et C2 augment de la

valeur du Cell_Reselect_Hysteresis, de 2 14 dBm supplmentaire par pas de 2dBm. Dans le

cadre de la re-slection classique d'une cellule par un mobile, la bascule ne peut se faire que

toutes les 5 secondes au minimum, avec deux cellules de zones diffrentes venant d'tre re-

slectionn par le mobile, le temps d'attente avant re-slection vers l'ancienne cellule est porte

15 secondes mais reste 5 secondes pour les cellules de la mme zone.

Pour rsoudre notre problmatique, nous avons opt pour une mthode heuristique qui

est le recuit simul. En effet, le problme doptimisation des emplacements des antennes dansun milieu indoor, le choix de puissances dmission, des gains dantennes et des types de

feeders correspondants est un problme de type NP-complet qui ne peut tre rsolu en un

nombre polynomial doprations. Il ne peut tre rsolu par une recherche exhaustive explorant

toutes les solutions afin de trouver la meilleure. Cest pour cette raison quil est ncessaire

davoir recours des algorithmes heuristiques qui cherchent un optimum local en un temps

polynomial. Nous prsentons une petite tude comparative de quelques heuristiques ensuite,

nous dtaillons notre solution propose pour la ralisation du projet.

III.2. Algorithme d'optimisation : le recuit simul

III.2.1. Dfinition

Il existe plusieurs familles dalgorithmes heuristiques qui nassurent pas loptimalit de

la solution mais peuvent aboutir une solution sous optimale [10] :

les algorithmes constructifs (algorithmes gloutons),

les algorithmes de recherche locale (descente de gradient, recuit simul, recherche partabou),

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Optimisation

les algorithmes volutifs (algorithmes gntiques, algorithmes fourmis, etc.),

les algorithmes hybrides (qui utilisent des heuristiques dans les algorithmes volutifs).

Il est noter quil n'existe pas d'algorithme universel, optimum quelle que soit

l'application. Mais, nous choisissons le recuit simul du fait quil permet de schapper desminimums locaux, ceci nest pas assur par les algorithmes constructifs. Pour les algorithmes

gntiques, ils sont trs utiliss du fait de leur facilit dimplmentation mais ils ncessitent

beaucoup de temps de calcul. En plus, le recuit simul reprsente un algorithme damlioration

par voisinage et prsente lavantage de la possibilit dincorporation de nouvelles contraintes

aprs coup dans le programme. En outre, il a donn de bons rsultats dans des problmes

similaires [11] ce qui nous a encourag choisir cette heuristique.

L'algorithme du recuit simul ("simulated annealing" en anglais) est une mthode

probabiliste qui permet de rsoudre des problmes de minimisation du type [12] :

0 0tel que E( )= min E( )Trouver

AvecEune fonction d'un ensemble fini dans R, appele fonction d'nergie. Dans le

cas qui nous intresse, la fonction d'nergie Ecorrespond la fonction de mesure du taux de

couverture cr par une disposition dantennes donn.

Pour plus dclaircissement sur la mthode, voici lorigine du concept du recuit simul :

Le recuit simul est une mthode d'optimisation qui permet de dterminer les meilleurs

paramtres d'un modle bas sur quelques donnes. Elle vient dun principe de physique qui

consiste liqufier un produit trs haute temprature pour ensuite le laisser refroidir trs

graduellement et lamener ltat solide. Ltape de refroidissement est trs importante. Par

exemple dans le cas de lacier, si celui-ci est refroidi rapidement (tremp), le cristal rsultantsera trs imparfait et dans un tat mtastable, cest--dire trs dur mais aussi trs fragile. Par

oppos, en effectuant des recuits, cest--dire un refroidissement par paliers, les dfauts de la

cristallisation seront limins et lacier deviendra trs mallable et peu cassant.

Le processus de refroidissement graduel comporte une particularit trs intressante

dans la rsolution de problme doptimisation. Au fur et mesure que la temprature diminue,

la probabilit de tomber dans un tat mtastable diminue.

35

(III.3)


41/71

Optimisation

Les algorithmes de recuit simul sont alors une forme dalgorithme probabiliste qui a

pour but dviter les minimums locaux au profit dun minimum le plus global possible. Par

ailleurs, cette mthode suspend priodiquement le processus de minimisation dans l'espoir

dviter un minimum local un certain autre minimum qui est probablement le minimum

global.

chaque palier de temprature, le systme peut changer vers un tat pour lequel

l'nergie est plus basse que ltat courant, cest--dire si E 0 ou plus haute que son tat

courant, dans ce cas, la probabilit de changement gal exp(-E/Temprature). Au dpart, le

paramtre de temprature tant lev, la probabilit de changement sera aussi leve, mais au

fur et mesure que la temprature sera diminue, la probabilit de changement dtat vers une

nergie plus leve diminuera aussi. Cette procdure sapplique dans un certain nombre

mthode de minimisation et il a t dmontr, quil savre efficace dans la dcouverte du

minimum global ou dun minimum se rapprochant du minimum global.

Comme notre objectif est une maximisation, pour utiliser le recuit simul il suffit de

rendre notre fonction objectif une fonction de minimisation en introduisant un signe moins. Il

sagit de minimiser la sommation de :

M

i=1

K

j=1

- pqC

L'algorithme du recuit simul commence par construire une solution au hasard. Il

consiste ensuite en un certain nombre d'itrations d'une procdure de base, contrles par un

paramtre Tappel la temprature. Ce paramtre part d'une valeur 0T (la temprature initiale) et

baisse en cours d'excution. A la nime itration de l'algorithme, la temprature vaut 0nT T=

o est un nombre rel de l'intervalle [0,1[qui est un autre paramtre de l'algorithme. Cela

revient donc faire voluer la temprature selon le schma 0*T T = chaque itration de la

procdure de base. L'algorithme du recuit simul s'arrte lorsque la temprature est plus petite

qu'une certaine valeur fT appele la temprature finale.

Nous donnons ci-dessous un descriptif en pseudo langage de l'algorithme du recuit

simul. (Avec N(s) : lensemble de voisinage).

1. Slectionner une solution initiale s

36

(III.4)


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Optimisation

Slectionner une temprature initiale t > 0

2. Slectionner au hasard s N(s);

= E(s) E(s);

Si < 0Alors s = s

Sinon x=random ([0,1]);

If x < exp (-/t) alors s = s

3. Aller ltape 2 si la condition darrt nest pas vrifie

Actualiser la temprature t

Les Paramtre de la recherche sont :

- Temprature initiale : choisit de faon avoir 80% dacceptation de descente au dbut

- Schma de refroidissement :

T (n+1) = * T (n) avec un changement un nombre fixe ditrations ou bien un

changement un nombre fixe de descente ou de monte

- La condition darrt est soit un nombre maximal ditration, ou bien la temprature

finale est atteint ou de mme une convergence vers une solution.

Afin dillustrer le fonctionnement du recuit simul, la figure III.1 montre comment la

mthode du recuit simul transpose le procd du recuit la rsolution dun problme

doptimisation : la fonction objectif du problme, analogue lnergie dun matriau, est alors

minimise, moyennant lintroduction dune temprature fictive, qui est, dans ce cas un simple

paramtre de contrle de lalgorithme [10].

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Optimisation

Figure III.1 : Organigramme de lalgorithme du recuit simul.

III.2.1. Description de la solution

Afin de choisir les positions candidates, les surveysprliminaires qui sont des visites sur

site aident le planificateur radio dans son choix. Ces positions candidates sont trs utiles de

point de vue pratique. En effet, nous ne devons pas installer par exemple une antenne

lintrieur dun magasin ou dans des emplacements similaires. Donc, la tche initiale dun

planificateur radio consiste chercher des emplacements pratiques. Cette phase permet de faire

un classement des positions (" un ranking "), ceci nous aidera dans le choix de la solution

initiale qui influencera le temps de convergence de lalgorithme.

Configuration Initiale

Temprature Initiale T

Modification ElmentaireVariation dnergie E

Rgle dacceptation de Mtropolis- Si E 0 : modification accepte

- Si E >0 : modification accepteavec la probabilitexp(-E/T)

Equilibre

thermodynamique?

Systme

fig

?

Programmede recuitdiminution

lente de T

Stop

OUI

NON

NON

OUI

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Optimisation

A - Dtermination de la temprature initiale T0

Nous calculons la temprature initiale en procdant par 100 perturbations au hasard,

ensuite nous valuons la moyenne E des variations E correspondantes.

Choisissons un taux initial dacceptation taux0 des " perturbations dgradantes ", selonla qualit suppose de la configuration initiale. Si nous supposons que nous dmarrons notre

programme avec une qualit " mdiocre " c'est--dire une solution initiale alatoire, nous

commenons alors avec une haute temprature et nous affectons taux0 une valeur de 0.5.

Sinon, nous commenons basse temprature et nous aurons taux0 = 0.2.

Nous choisissons alors une valeur de taux0=0.2 dans la mesure o nous choisissons une

solution initiale suppose bonne du fait que nous faisons un classement des positions

candidates et nous choisissons alors ds le dbut la position avec un rankingmaximum.Dduisons alors la valeur de T0 de la relation : Exp (-E/T0)= taux0. Nous aurons alors :

))0/(log(0 tauxET =

B- Tirage dun voisinage

Nous commenons par une solution initiale. Ensuite, nous tirons alatoirement une

valeur entre 0 et 1. Comme, nous avons dans notre base cinq gains diffrents dantennes, cinqtypes de feeders et trois puissances dmission que nous pouvons utiliss et comme lutilisateur

choisira n positions candidates, nous dcomposons le segment de [0 1] en quatre tranches.

Nous aurons : x=1/ (5+5+3+n) do x=1/ (13+n) . Si la valeur tire est infrieure 5x

alors nous permutons dans la solution initiale le gain de lantenne et afin de choisir lequel des

cinq gains considrer, nous tirons de nouveau une valeur entre 0 et 5, celle affiche

correspond au gain prendre en considration.

Dans le cas o la valeur tire est comprise entre 5x et 10x, nous permutons le feeder.Si nous tirons une valeur entre 5x et 13 x, le choix sera sur la puissance dmission alors

que si la valeur est suprieure 13x, nous changeons une position candidate qui influencera

plus la valeur du taux de couverture.

C- Rgle dacceptation de Metropolis

39

(III.4)


45/71

Optimisation

Elle se met pratiquement en uvre de la manire suivante :

Si E>0, tirer un nombre r au hasard dans [0,1], et accepter la perturbation si

r


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Optimisation

O Lcb , eL et dL sont les pertes respectives introduites par le cble de la station de

base, le coupleur mission et le duplexeur ; bG et mG dsignent le gain des antennes station de

base et mobile, pL lattnuation dans lespace et cmL est la perte due au cble dans le mobile.

Nous appliquons, ensuite pour cette matrice de couverture la fonction de la recherche du taux de

couverture qui reprsente notre fonction dnergie.

Ensuite, nous effectuons diffrentes perturbations en terme de tirage de voisinage et

application des diffrentes phases du recuit simul jusqu'au avoir une couverture maximale avec

une seule antenne sinon nous aurons recours augmenter le nombre des antennes jusquau

satisfaire notre objectif. Cette procdure nous permet de dterminer le nombre des antennes

ncessaires dployer pour une scne donne, aussi bien, les gains des diffrentes antennes, les

attnuations des feeders, les diffrentes puissances dmission et permet de mme dindiquer les

positions optimales des antennes.

III.3. Conclusion

Nous avons commenc ce chapitre par une modlisation mathmatique de la

problmatique. En effet, il sagit de maximiser la couverture tout en minimisant le nombre des

antennes installer.

Nous avons galement men une description dtaille de la solution propose savoir le

recuit simul.

Pour pouvoir valuer lapport du recuit simul dans la rsolution de notre

problmatique, le chapitre suivant prsentera les diffrents rsultats.

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Implmentation & Rsultats

ChapitreIV

42

Implmentation et

Rsultats


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Introduction

Nous prsentons dans ce chapitre les rsultats de diffrents scnarios. Ainsi quunecomparaison entre la couverture radio sans optimisation et aprs optimisation sera traite afin

de percevoir lapport de loptimisation dans lamlioration de la couverture radio.

IV.1. Environnement de travail

Afin de raliser nos simulations, nous avons choisi comme langage de programmation le

Matlab 6.5 et Microsoft visual basic 6.0.

Les rsultats de nos simulations seront donns et discuts tout au long de ce chapitre.

IV.2. Scne dtude

Afin dillustrer les performances et lapport du recuit simul dans loptimisation de la

couverture radio dans un milieu indoor, nous tudions un cas pratique qui est le centre

commercial du palmarium situ lavenue Habib Bourguiba, Tunis. Ce centre est caractris

par une forte charge de trafic.

Le choix de ce local est bas sur plusieurs critres. En effet, des plaintes des abonns mobilesde Tunisiana ont t dclares. En plus, travers des mesures de type drive test, nous avons

constat une discontinuit de la couverture.

IV.3. Etat radio actuel

Selon la solution prvue mettre en oeuvre, illustre par la figure IV.1, qui est

reprsente par trois antennes, le taux de couverture dans le local du palmarium est de 62%, ce

qui reprsente un taux faible par rapport lobjectif souhait qui est de 90% et aux besoins des

abonns mobiles.

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Figure IV.1 : Couverture radio du local avant optimisation.

Le taux de couverture est mesur en calculant le nombre de points de rception qui ont

un niveau de champ suprieur ou gal -85 dBm sur le nombre total des points de rception. Le

rsultat que nous avons eu est de 62%. Nous montrons dans ce qui suit comment le recuit

simul a permis de dterminer le nombre dantennes ncessaires, qui apparat loin de celui

prvu par lquipe radio, et nous montrons comment nous avons pu optimis les emplacements

de ces antennes, en gnrant quelles positions considrer pour placer les antennes

slectionnes.En plus de la dtermination des nombres des antennes ncessaires dployer dans le

milieu indoor, leurs positions respectives permettant un taux de couverture maximal, nous

sommes intresss la dtermination des gains dantennes considrer, des types feeders et des

puissances dmission tenir en compte. Pour cela, nous prsentons dans ce qui suit, les

principaux antennes et feeders dploys par le rseau de Tunisiana.

IV.4. Diffrents antennes et feeders utiliss

Il existe diffrentes antennes utilises en milieu indoor. Chacune prsente un gain, un

diagramme de rayonnement, une polarisation, etc.

Les antennes utilises en milieu indoor diffrent de ceux utilises en milieu outdoordu

fait quelles ne doivent pas toucher lesthtique du local. La figure IV.2 montre deux types

dantennes ; une antenne omnidirectionnelle et une autre directionnelle.

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Figure IV.2 : Antennes indoor

(a) : Antenne omnidirectionnelle (b) : Antenne directionnelle

Le feeder est le cble dalimentation de lantenne. Il existe diffrents feeders avec

diffrentes pertes. Le tableau suivant reprsente les principaux feeders utiliss par Tunisiana et

les attnuations correspondantes [15].

Feeder Attnuation (dB)

1/2" 6.801/4" 13.2

1-1/4" 2.775/8" 2.257/8" 3.71

Tableau IV.1 : Pertes des diffrents feeders

Vu la diversit des antennes et des feeders, nous avons dvelopp une base de donnes

sous Access qui contient les diffrentes antennes et feeders utiliss. Cette base nous sera utile

lors du choix de lantenne dployer et du feeder connecter (Annexe 2).

Il est noter quun feeder peut alimenter une ou plusieurs antennes. Dans le cas o il

alimente plusieurs antennes, nous devons faire recours un splitter. De ce fait, lantenne peut

tre donc relie directement la station de base travers un cble feeder ou bien un splitter

qui est connect son tour un cble coaxial le raccordant la BTS.

A travers notre base, nous avons essay de mettre en uvre les diffrentes

caractristiques des antennes (la polarisation, la position du connecteur, le diamtre, la hauteur,

les diagrammes de rayonnement, etc.) et des feeders. Ainsi, une mise jour de la liste contenue

45

(a) (b)


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dans la base est possible. Cette base de donnes sera incorpore dans notre outil doptimisation

comme tant un lment essentiel dans le choix de lantenne dployer et du feeder

connecter.

IV.5. Prsentation de loutil InPred

InPred (IndoorPredictions) est un outil de calcul de la prdiction de propagation radio

dans un milieu indoor. Il prend en considration les paramtres des quipements radio

notamment les caractristiques des antennes. En outre, il permet lutilisateur la possibilit de

limportation de plans avec le serveur AutoCAD ou la saisie directement dun plan travers les

menus prse

rebah_kahlaoui

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