CHAPITRE II :
INGENIERIE DU WIMAX
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I. Introduction
Le dimensionnement d'un réseau WIMAX est une tache
liée au processus de planification de la couverture. Pour dimensionner
une zone quelconque, il faut nécessairement faire une analyse du bilan
de liaison en premier lieu afin d'estimer l'affaiblissement maximal du parcours
entre mobile et station de base. Ensuite faire le calcul de la portée
maximale ou du rayon de couverture maximale en utilisant les modèles de
propagation conformément au type de terrain d'étude. Connaissant
la taille de la cellule, on en déduit le nombre de Stations de Bases
(BS) nécessaires pour couvrir la zone en question (région de
Dakar).
II. Dimensionnement et planification
Pour dimensionner et planifier un réseau WIMAX, il faut
faire le choix de la bande de fréquence à utiliser, des
modèles de canaux ou modèle de propagation à utiliser pour
réduire la couverture d'une station de base et la couverture du
système entier.
i. Choix de la Bandes de Fréquences
Lors de la planification d'un réseau, il faut faire un
choix entre les bandes de fréquence disponibles. Un certain nombre de
contraintes doivent être prises en compte avant la sélection des
bandes :
· Disponibilité (licence) du spectre,
· Agrégation de la demande en termes de
capacité dans la zone de service,
· La densité des utilisateurs dans la zone de
service,
· Les spécificités géographiques de la
zone en question,
· Le niveau d'interférences dans les bandes
dépourvues de licence,
· Le coüt de l'équipement radio.
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La sélection de la bande de fréquence à
utiliser a une influence capitale sur le dimensionnement et la planification du
réseau. A basses fréquences, les caractéristiques de
propagation du signal sont meilleures, seulement la bande passante disponible
est limitée. Il est important de vérifier si le nombre
d'utilisateurs se connectant à une station de base est limité par
la capacité ou par la couverture de la BS. Dans les zones rurales ou
à population peu dense, le nombre de clients pouvant être
connectés dépend de la couverture de la station de base. En
revanche, dans les zones à population dense, pour garantir une certaine
qualité de service (QoS), il est nécessaire d'avoir des BS
additionnels car le nombre de client de la zone de couverture sera
élevé.
ii. Les modèles de canaux ou modèles de
propagation
1. Rôle des modèles de
propagation
Les modèles de propagation simulent la manière
avec laquelle les ondes radio se propagent dans l'environnement d'un point
à l'autre. Les caractéristiques de l'environnement telles que la
topologie du terrain (appartements, collines...) doivent être prises en
considération pour une modélisation exacte des ondes radio.
2. les types de modèle de propagation
Les modèles de propagation varient selon que
l'émetteur et le récepteur sont en ligne de vue (LOS :
line-of-Sight) ou non (NLOS : Non-line-of-Sight) ; En ligne de vue, c'est le
modèle Free Space qui est spécifié. En non ligne
de vue, pour un réseau WIMAX, le modèle adéquat pour
prédire le devenir d'un signal lors de sa transmission vers le
récepteur, est le modèle d'Erceg ou le modèle SUI
(IEEE 802.16).
a. Le modèle de propagation Free Space
Ce modèle est employé pour déterminer
l'affaiblissement de parcours en situation de ligne de vue sans obstacle au
niveau de la zone de Fresnel. Ce modèle se base sur l'équation de
Friis qui permet d'obtenir un ordre de grandeur
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de la puissance radio collectée par un récepteur
situé à une certaine distance d'un émetteur en espace
libre.
L'équation suivante montre l'affaiblissement de parcours
en fonction de la distance :
Avec:
d = distance entre deux antennes dans l'espace libre (en m).
ë = longueur d'onde (en m).
Cette équation reste valable que pour des distances
supérieures à la longueur d'onde. Dans le cas où la
distance serait inférieure à la longueur d'onde, certains
facteurs physiques comme les dimensions de l'antenne forcent l'utilisation de
l'équation des champs électromagnétique. Autrement dit
l'équation de Friis.
Dans sa forme la plus simple, l'équation de Friis
s'écrit :
Avec:
Pr = puissance disponible au niveau de l'antenne
réceptrice. Pt = puissance délivrée par l'antenne de
transmission.
Gr = gain de l'antenne réceptrice.
Gt = gain de l'antenne de transmission.
b. IEEE 802.16 (SUI Model)
Ce modèle est utile pour les systèmes WIMAX avec
de petites cellules, des antennes de BS (station de base) à faible
hauteur, et des hautes fréquences. Ce modèle est optimisé
pour une fréquence de 1,9 GHz et est utilisé pour les
réseaux qui respectent ces conditions suivantes :
? Rayon de la cellule compris entre 100 m et 8 Km ;
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· Les antennes sont installées sur les murs ou sur
des toits avec une hauteur de 2 à 10 m au niveau du récepteur
;
· Les antennes de la station de base ont une hauteur de 10
à 80m ;
· Les pourcentages de couverture sont élevés
(80% à 90%) ;
Pour ce modèle, les types de terrains suivants
sont recommandés :
> Type A : Caractérisé par des
collines, une densité d'arbres modérée à
élevée (zones urbaines) ;
> Type B : Caractérisé par des
collines, une densité d'arbres faible ou nulle (vallée);
> Type C : Caractérisé par
des vallées plates, une densité d'arbres faible.
Pour tout type de terrain, l'atténuation du parcours est
donnée par la formule suivante :
Avec:
ë = longueur d'onde (m) ;
d0 =100 m ;
d = distance entre émetteur et
récepteur (en m) ; = (a - b x hb + c/hb) ;
hb est la hauteur de la station de base (en
m).
Les termes Xf et Xh sont respectivement des termes de correction
pour la fréquence et la hauteur du récepteur par rapport au sol.
Ces corrections sont définies par :
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et
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f = fréquence en MHz
hr = hauteur du récepteur
S = effet de shadowing. 8.2 < S < 10.6
a, b, c sont des constantes dépendantes
de la catégorie du terrain, dont les valeurs sont données dans le
Tableau suivant:
PARAMETRES DU
MODELE
|
TERRAIN DE TYPE
A
|
TERRAIN DE TYPE
B
|
TERRAIN DE TYPE
C
|
A
|
4.6
|
4
|
3.6
|
B
|
0.0075
|
0.0065
|
0.005
|
C
|
12.6
|
17.1
|
20
|
|
Tableau Ii1 : des valeurs des constantes a, b et c selon le
type du terrain c. Modèle d'Erceg
Ce modèle est utilisé pour les zones urbaines,
sous-urbaines et rurales. L'intervalle de fréquences est prolongé
jusqu'à 2GHz avec des corrections concernant le type de terrain :
· Terrain A : perte de chemin maximale, terrain avec des
collines et une densité d'arbres variable. Ce modèle est
utilisable en zone urbaine.
· Terrain B : perte de chemin intermédiaire entre A
et C.
· Terrain C : perte de chemin minimale, terrain plat avec
une faible densité d'arbres.
La perte de chemin est donnée par : pour d>d0
|
est la longueur d'onde en m.
|
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= exposant de perte de chemin (exprimé
précédemment).
iii. Link Budget ou budget de liaison
1. Utiité
L'analyse du bilan de liaison est une partie
nécessaire du procédé de planification qui aide à
dimensionner la couverture requise, la capacité et la qualité
exigées par le réseau. Il est utile pour le calcul de
l'atténuation de parcours maximale entre la station de base et le
récepteur. Cette atténuation détermine la portée de
chaque station de base, sa couverture et le nombre nécessaire pour
couvrir une zone donnée. Le budget de liaison permet aussi
d'équilibrer le uplink et le downlink.
Pour déterminer l'atténuation de parcours maximale
à partir du budget de liaison, plusieurs paramètres doivent
être calculés.
2. Formules de calcul du budget de liaison a.
Côté émetteur
La Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente (PIRE) est
l'élément de base à calculer pour le budget de liaison du
coté émetteur. Pour un système de communication radio, la
PIRE est définie dans la direction de l'antenne où la puissance
émise est maximale. La PIRE est la quantité de puissance qu'il
faudrait appliquer à une antenne isotrope (antenne qui distribue de
façon égale la puissance dans toutes les directions) pour obtenir
le même champ dans cette direction. La PIRE tient compte des pertes dans
la ligne de transmission, des connecteurs ainsi que dans le gain de l'antenne.
Elle est souvent définie en décibels (dB).
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Avec :
Ptmax : Puissance maximale de l'émetteur (en dBm);
Gt : Gain de l'antenne émettrice (en dBi);
A : Affaiblissement de parcours ou réduction de la
puissance du signal due a la longueur des câbles, connecteurs,
adaptateur, filtre. (en dB).
dBm = dB référencé a 1mW.
dBi = décibel par rapport à 1 isotrope.
b. Côté récepteur
De cette côte, la puissance ou la sensibilité
minimum reçue est l'élément de base à calculer. La
sensibilité du récepteur est la quantité de puissance en
dBm qu'un récepteur doit recevoir pour réaliser une performance
spécifique en bande de base.
La sensibilité de récepteur est donnée par
:
Avec :
|
Rapport signal sur bruit (en dB).
|
|
W : Bande passante du système (MHz) ; Bw : Puissance de
bruit thermique ;
D : débit en bit/seconde ;
Br : Bruit au niveau du récepteur.
c. Côté radio (côté
propagation)
Pour calculer l'atténuation de parcours maximale permise
entre émetteur et récepteur, on utilise la formule suivante:
Avec :
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Ap = atténuation de parcours (en dB)
Sr = sensibilité du récepteur
(dBm)
PIRE = Puissance isotrope rayonnée
équivalente (dB)
Gr = Gain de l'antenne réceptrice dans la
direction de l'émetteur (dB)
Psh = Perte de la puissance du signal due au
shadowing (l'effet des ombres) Penv = atténuation due
à la pluie, aux nuages à la brume, etc.
Pr = Perte de réception au niveau du
récepteur due aux câbles, connecteurs et filtres
Ml = Link Margin ou marge de lien
Mf = Fade Margin ou marge de fading.
iv. Détermination du nombre de stations de
base
Le dimensionnement d'un réseau consiste à
déterminer le nombre de stations de base nécessaire pour couvrir
une zone bien déterminée. Ainsi le rayon de couverture ou la
portée d'une station de base doit être calculé. Pour
déterminer le nombre de stations de base, il faut :
· En premier lieu estimer l'affaiblissement de parcours
maximum en utilisant le Link Budget.
· Ensuite, calculer la portée maximale ou le
rayon de couverture maximal en utilisant les modèles de propagation
conformément au type de terrain d'étude.
· Déterminer le nombre de stations de base
donné par la formule suivante :
Avec : NBS = nombre de stations de base requises pour la
couverture. S totale = surface totale a couvrir.
SBS = surface couverte par une station de base basée sur
la puissance maximale
telle que : pour une cellule hexagonale
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R = portée maximale
v. couverture d'une cellule
La couverture d'une cellule dépend de la
fréquence utilisée et de la densité de population. La
norme 802.16-2004 s'est concentrée sur la fréquence 3.5
GHz. Le tableau ci-dessous montre la taille de la cellule et
des débits par secteur suivant la zone.
ENVIRONNEMENT
|
TAILLE DE LA
CELLULE
|
DEBIT PAR SECTEUR D'ANTENNE
|
URBAIN INDOOR (NLOS)
|
1 KM
|
21 MBIT/S (CANAUX DE 10MHZ)
|
RURBAIN INDOOR (NLOS)
|
2.5 KM
|
22 MBIT/S (CANAUX DE 10MHZ)
|
RURBAIN OUTDOOR (LOS)
|
7 KM
|
22 MBIT/S (CANAUX DE 10MHZ)
|
RURAL INDOOR (NLOS)
|
5.1 KM
|
4.5 MBIT/S (CANAUX DE 3.5MHZ)
|
RURAL OUTDOOR (LOS)
|
15 KM
|
4.5 MBIT/S (CANAUX DE 3.5MHZ)
|
|
Tableau II.2 : relation entre largeur de canal,
débit, taille de la cellule et ligne de
vue (source : Alcatel
Strategy White Paper)
III. Choix du type de dimensionnement
Le déploiement d'un réseau est limité
soit par la capacité soit par la portée. En général
il est plus limité par la capacité que par la portée
à l'exception des zones rurales où on a une faible densité
et des zones où on a une grande perte de propagation. L'idéal
pour un opérateur par exemple est d'assurer en premier une couverture
maximale pour ensuite augmenter des canaux ou des stations de base si la
demande en trafic augmente.
i. Dimensionnement suivant la
capacité
Si le déploiement est limité par la
capacité, il faut nécessairement déployer des stations de
base avec un espacement suffisant pour servir tous les abonnés. Pour un
dimensionnement suivant la capacité, il faut :
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· Déterminer le trafic par abonné
· Déterminer le trafic agrégé pour une
zone bien déterminée
· Déterminer la capacité moyenne par
secteur
ii. Dimensionnement suivant la portée ou la
couverture
Pour ce cas de figure, il faut déployer un nombre
minimum de stations de base pour couvrir une zone particulière. En cas
de besoin, on pourra ajouter de nouveaux canaux dans chaque station de base si
on a une disponibilité spectrale, sinon on ajoute de nouvelles stations
de base.
IV. Les contraintes du WIMAX
iii. Contraintes réglementaires
Pour déployer un réseau WIMAX, il faut
nécessairement être détenteur d'une licence. Selon l'ARTP
(Agence de Régulation des Télécommunications et des
Postes), en matière d'autorisation d'installation d'un réseau, la
réglementation au SENEGAL est neutre technologiquement.
Par conséquent, quelle que soit la technologie
utilisée, le code des télécommunications prévoit
deux types de régimes :
? Un régime de licence pour les réseaux ouverts au
grand public et qui
est soumis à un appel d'offre, et qui est attribué
par l'Etat du SENEGAL
? Un régime d'autorisation pour installation d'un
réseau indépendant
destiné à un groupe fermé.
iv. Contraintes techniques
· La nécessité de disposer d'un point haut
car l'émetteur doit être placé sur un point haut
(pylône par exemple) pour assurer la meilleure couverture spatiale
possible.
· desservir les stations de base WIMAX par un réseau
de collecte (fibre optique, faisceau hertzien...)
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· besoin d'une ligne de vue : dans la théorie, la
couverture peut aller jusqu'à 15 km en ligne de vue. En non ligne de vue
la portée chute rapidement et est alors de l'ordre de 5 à 10
km
· éligibilité soumise à de nombreux
paramètres : plusieurs paramètres interviennent dans
l'éligibilité d'un site. Cependant il est difficile de dire si un
site recevra ou non le signal même dans un rayon de quelque
kilomètres autour de la station de base.
· Le débit maximum qui est de quelques dizaines de
Mbit/s est partagé entre tous les utilisateurs raccordés à
une même station de base.
V. Conclusion
Dans ce chapitre, on a vue comment se fait le dimensionnement
d'un réseau WIMAX avec tous les calculs nécessaires pour
optimiser les ressources et selon le type de terrain à
étudier.
Dans le chapitre qui suit, il est question d'exploiter ces
résultats pour faire le dimensionnement d'un réseau WIMAX pour
couvrir toute la région de Dakar.
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