Anne 2009-2010

Radiocommunications mobiles terrestres

- Simulation des rseaux radio utilisant le logiciel Radio Mobile -

Alexandru Takacs

Daniela Dragomirescu Reyna

Simulation de la couverture radio utilisant le logiciel Radio Mobile

Le but de ce TP est la familiarisation avec le logiciel Radio Mobile, (logiciel gratuit et open-source dvelopp par la communaut des radioamateurs) et son utilisation pour lanalyse de la couverture radio dune station de base GSM. Le logiciel Radio Mobile [1] travaille avec des cartes digitales du terrain et utilise le modle de propagation Longley-Rice [2] pour modliser la propagation en conditionnes relles des ondes radio en tenant compte du profil du terrain. Pour mieux comprendre et apprendre les notions vhicules dans ce document il est fortement recommand de parcourir les documents on-line existants (la pluparts en anglais) sur le sujet [3]-[6]. Radio Mobile accepte principalement deux types de cartes digitales: SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) [7] et DTED (Digital Terrain Elevation Data) [8]. Dans ce document nous allons dfinir un certain nombre des notions indispensables pour comprendre le fonctionnement du logiciel Radio Mobile et la problmatique lie la dtermination de la couverture radio. Nous allons aussi fournir un exemple pratique concernant la dtermination de la couverture radio dune station de base GSM.

Dfinitions

Rseaux : permet de dfinir, en Radio Mobile, un rseau radio. Dans lacception du logiciel Radio Mobile un rseau est dfini par ses caractristiques (proprits) :

- Paramtres ; - Topologie ; - Participants ; - Systmes.

Les paramtres du rseau permettent de dfinir : la bande de frquence, le type de la polarisation (verticale ou horizontale), le mode statistique utilis, les pertes additionnelles (pour la propagation en ville ou en fort), les caractristiques du sol (rfractivit en surface, conductivit du sol, permittivit relative du sol) et le type de climat (Equatorial, Continental sous-tropical, Maritime sous-tropical, Dsert, Continental tempr, Maritime tempr sur terre, Maritime tempr sur mer). Ces paramtres seront utiliss par le logiciel Radio Mobile pour calculer les pertes de propagation conformment au modle de propagation Longley-Rice tout en tenant compte du profil rel du terrain et de la position des stations radio sur la carte.

Il y a trois types de topologies acceptes :

- rseau de voix (Commande/Subordonn/Relais) ; - rseau de donnes, topologies en toile (Matre/Esclave) ; - rseau de donnes, essaim (Nud/Terminal). Pour le calcul de la couverture radio dune station de base (BTS : Base Transceiver Station) nous utilisons une topologie de type rseau de voix. La topologie rseau de donnes peut-tre utilise pour modliser les liaisons radio-relais entre une BTS et une BSC (Base Station Controller).

Fig.1.LesoptionsprincipalesdongletPropritsdesrseaux

Les participants du rseau sont en effet les stations radio du rseau (dans notre exemple les participants seront des quipements mobiles GSM et une station BTS). Pour chaque participant il faut spcifier le rle dans le rseau (conformment au type de topologie choisie) ainsi que son appartenance un systme qui permet de dcrire ses caractristiques techniques. Les caractristiques techniques qui doivent tre spcifies pour chaque systmes sont :

- la puissance dmission (en Watt ou dBm) ; - le seuil de rception (en W ou en dBm) ; - les pertes de ligne (en dB) si lantenne nest pas relie directement au

rcepteur ; - le type dantenne ;

- lhauteur de lantenne (m) ; - les pertes de cbl en plus (en dB/m) si la hauteur dantenne diffre.

Il faut remarquer que le logiciel Radio Mobile peut travailler avec des diagrammes de rayonnement 3D et contient six types de diagramme (prdfinis) :

- omni : pour modliser une antenne omnidirectionnelle - cardio : pour modliser une antenne diagramme cardoidale ; - corner : ceci pourrait modliser une antenne rflecteur parabolique faible

directivit et sans lobes secondaires ; - dipole : pour modliser une antenne diple ou similaire ; - ellipse : pour modliser un diagramme de type ellipsodal ; - yagi : pour modliser une antenne Yagi-Uda ou similaire.

Il est possible aussi de modliser une antenne quelconque gnrant un diagramme de rayonnement 3D spcifique. Ceci peut se faire utilisant une "macro" Excel spcifique [9].

Simulation de la couverture radio pour un rseau radio GSM900 et GSM1800

Nous prenons comme exemple du travail un rseau GSM compos par une station de base (BTS) dispos sur la rsidence INSA n2 et trois quipements mobile GSM dispos dans une premire tape au pied de btiments suivants : INSA Gnie Mcanique, INSA Gnie Electrique et CE ONERA (comme reprsent dans la figure suivante).

Fig.2ReprsentationdurseauGSMINSA1utilisantunecartedigitaleSRTMcombineavecuneimageInternetOpenStreetMap

Afin de dfinir ce rseau radio (INSA_1) nous devons dfinir au moins deux types de systmes: MS_GSM (pour les quipements mobiles GSM) et BTS_GSM (pour la station de base). Ces systmes regroupent les caractristiques techniques essentielles

dun quipement mobile GSM classe 4 (voir Annexe 1, table 1) et dune station de base de classe 4 (voir Annexe 1, table 2) avec une antenne sectorielle fournie par Kathrein [10] avec un diagramme quasi-omnidirectionnel (gain 2dBi). Les caractristiques techniques dfinies laide du Radio Mobile sont reprsentes dans la fig. 3.

Fig.3Caractristiquestechniquesdessystmesutilises

La carte est centre sur la station BTS avec une hauteur de 1 Km (la largeur peut dpendre de la dimension en pixels qui son tour dpende de la rsolution de la carte graphique). Les paramtres du rseau sont donnes dans la fig. 4.

Fig.4Propritsdelacarteetlesparamtresdurseau(dfinisdanslongletpropritsdesrseaux)

Visualisation des performances des liaisons radio bidirectionnelles

Utilisant loption Lien Radio (menu Outils) ou simplement la touche F2 nous pouvons obtenir les caractristiques radio de la liaison directe entre BTS et un quipement GSM (par exemple GSM_1). Fig. 5 reprsente les liaisons radio BTS GSM_1 et GSM_1

BTS. Nous pouvons ainsi obtenir des paramtres trs importants pour ltude dune liaison radio :

- les angles dlvation et dazimut pour orienter les antennes (ceci nest pas ncessaire dans notre cas car nous avons utilis des antennes omnidirectionnelles) ;

- la distance entre les quipements ; - les pertes par catgorie ; - le niveau du signal la rception (niveau Rx) et le niveau Rx relatif (lcart entre

le niveau du signal la rception et le seuil de rception).

Fig.5Dtailsdesliaisonsradio

Fig.6ReprsentationdurseauGSMINSA1utilisantunecartedigitaleSRTMcombineavecuneimageInternetVirtualEarth

Etude de la couverture radio fournie par BTS

Pour ltude de la couverture radio de la station de base nous utilisons la fonction couverture radio (touche F3) du logiciel radio. Cette fonction permet de reprsenter le niveau de puissance en dBm du signal radio mis par BTS dans un cercle de rayon fix. Fig. 7 montre la couverture radio (reprsentation polaire de la puissance du signal radio mis par BTS) dans un cercle de rayon 0.5km centr sur BTS (la carte originaire a une hauteur de 1 km). Fig. 8 montre la mme couverture radio dans un cercle de rayon 2km (pour une hauteur de la carte de 4 km).

Fig.7Couvertureradio(reprsentationpolaire,rayonde0.5km)delastationdebase

Fig.8Couvertureradio(reprsentationpolaire,rayonde2km)delastationdebase

Sur ces images, les couleurs rouge, jaune et verte assurent en principe un niveau du signal suprieur au seuil de rception dun mobile GSM (quipement GSM_1, GSM_2 et GSM_3) pendant que les nuances du bleu montrent un niveau comparable avec le seuil de rception du mobile. Le gris est utilis pour lextrieur du cercle dintrt et pour des niveaux infrieurs au seuil de rception du mobile GSM (-107 dBm). Du point de vue pratique on considre que la couverture est assure avec une bonne qualit (intelligibilit) dans les zones rouge, jaune et verte.

Exercices

1. Reprendre lexemple antrieur (un rseau GSM900 avec une station de base et 3 quipements mobiles GSM) pour un rseau GSM1800 (1710 MHz 1785 MHz) et UMTS (1920 MHz 2170 MHz). Vous gardez le mme emplacement pour la station de base (de type classe 4) et pour les quipements mobiles (classe 2) et les mmes types dantennes. Quelles sont les diffrences les plus importantes entre les deux rseaux (GSM900, GSM1800 et UMTS).

2. Reprendre lexercice n1 et lexemple dcrit dans ce document en changeant le type dantenne omni de la station de base avec une antenne commerciale (voir Annexe 2 et les rfrences [9] et [10]). On garde une antenne omni pour les quipements mobiles (GSM_1, GSM_2 et GSM_3) mais avec le gain de 0dBi. Quelles conclusions peut-on tirer ?

3. Reprsentez la couverture radio dun mobile GSM (prix comme metteur) vis--vis dune station de base (BTS) prise comme rcepteur.

Note concernant les limitations du Radio Mobile

Le modle de propagation utilis dans le logiciel Radio Mobile (Longley-Race) prsente lavantage de prendre en compte le profil rel du terrain. Nanmoins ce modle estime dune manire optimiste les pertes de propagation en milieu urbain et nest pas le modle le plus appropri. Dautres modles, plus appropris (par exemple Okumura Hata) devrait tre utiliss.

Les cartes digitales (disponibles par tlcharger gratuitement) ont une rsolution de 3 arcsec (environ 90m) ce qui constitue aussi un facteur limiteur pour lexactitude de nos simulations.

Bibliographie

[1]. http://www.cplus.org/rmw/(sitemiroir:http://www.ve2dbe.com/)

[2]. http://flattop.its.bldrdoc.gov/itm.html

[3]. http://www.cplus.org/rmw/getting_started.html

[4]. http://www3.telus.net/hendersb/documents/Radio%20Mobile.pdf

[5]. http://www.g3tvu.co.uk/Radio_Mobile.htm

[6]. http://radiomobile.pe1mew.nl/

[7]. ftp://e0srp01u.ecs.nasa.gov/srtm

[8]. www.geobase.ca

[9]. http://www.g3tvu.co.uk/Antenna_Plots.htm

[10]. http://www.kathrein.de/de/mcs/produkte/download/9361696c.pdf

Annexe1

Table1:ClassificationdesquipementsmobilesGSMenfonctiondelapuissancemaximaledmissionClasse Puissancemaximale(GSM900) Puissancemaximale(GSM1800) Puissancemaximale

(UMTS)1 1W(30dBm) 2W(33dBm)2 8W(39dBm) 250mW(24dBm) 0.5W(27dBm)3 5W(37dBm) 4 W(36dBm) 250mW(24dBm)4 2W(33dBm) 125mW(21dBm)5 0.8W(29dBm)

Table2:ClassificationdesstationsdebaseGSMenfonctiondelapuissancemaximaledmissionClasse Puissancemaximale(GSM900) Puissancemaximale(GSM1800)

1 320W/55dBm 20W/43dBm2 160W/52dBm 10W/40dBm3 80W/49dBm 5W/37dBm4 40W/46dBm 2.5W/34dBm5 20W/43dBm 6 10W/40dBm 7 5W/37dBm8 2.5W/34dBm

936.

1696

/c

Sub

ject to

alter

ation

.Dual-band Omni AntennaVertical PolarizationIndoor and outdoor use

dB

78

10

3

0

Vertical Pattern

216

mm

KATHREIN-Werke KG . Anton-Kathrein-Strae 1 3 . PO Box 10 04 44 . D-83004 Rosenheim . Germany . Telephone +49 8031 1 84-0 . Fax +49 8031 1 84-9 73Internet: http://www.kathrein.de

page 1 of 1 738 449

870960/17101880V

Input 1 x N femaleConnector position Bottom or topFrequency range 870 960 MHz / 1710 1880 MHzVSWR < 1.7Gain 2 dBiImpedance 50 Intermodulation IM3 < 150 dBc(2 x 43 dBm carrier)Polarization VerticalMax. power 50 Watt: 870 960 MHz

50 Watt: 1710 1880 MHz(at 50 C ambient temperature)

Weight 250 gRadome diameter 20 mmHeight 216 mm

Type No. 738 449VPol Omni 870960/17101880 360 2dBi

Material: Radiator: Brass.Radome: Fiberglass, colour: White.

Mounting: One hole mounting (16 mm diameter) to surfacesof max. 10 mm thickness.

adminmaxwellText Box

adminmaxwellText BoxAnnexe 2