Planification Des Reseaux Mobiles

Haute Ecole dIngnierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-Vd) Institute for Information and Communication Technologies (IICT)

Planification des rseaux mobiles

Stephan Robert

Juin 2003

Planification des rseaux mobiles ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________

Table des matires Concepts .................................................................................................................................................3 Interfrences ...........................................................................................................................................6 Capacit du rseau .................................................................................................................................8 Augmentation de la capacit ............................................................................................................10 Modles de propagation radio...............................................................................................................11 Modle Log-distance Path Loss (modle gnral) .....................................................................11 Modle Log-Normal avec effet de masque (modle gnral)...........................................................12 Modle dOkumura (macrocellulaire, extrieur) ................................................................................12 Modle de Hata (macrocellulaire, extrieur) .....................................................................................14 Modle de Hata-COST-231 (macrocellulaire, extrieur) ..................................................................15 Modle de Walfisch-Ikegami-COST-231 (macrocellulaire, extrieur)...............................................15 Modle de COST 231 (microcellulaire, extrieur)............................................................................15 Evanouissements (Fading) et chemins multiples..................................................................................16 Modle pour les vanouissements : distribution de Rayleigh ...........................................................16

Stephan Robert, HEIG-Vd

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ConceptsAu dbut de la tlphonie mobile, le but tait datteindre une grande surface avec une seule antenne puissante, situe de prfrence sur une grande tour. Avec ce systme il tait impossible de rutiliser les frquences sur la surface couverte par lantenne et par consquent le nombre dusagers tait limit. Le concept cellulaire a beaucoup apport dans le design des rseaux pour rsoudre le problme de lencombrement du trafic et pour permettre loprateur dutiliser les frquences disposition avec plus defficacit. Avec ce concept nous admettons quune cellule sert une surface beaucoup plus petite laide dune station de base. Le nombre de canaux allou une station reprsente seulement une portion de tous les canaux allous au systme complet (par exemple au rseau national de Swisscom ou dOrange). Un canal est en gnral compos dune frquence. Les stations voisines les unes des autres ont droit des canaux diffrents pour quelles ne sempitent pas. Par contre nous pouvons utiliser des canaux (frquences) identiques si deux cellules sont suffisamment loignes lune de lautre. Ceci permet ainsi de rsoudre le problme de lencombrement, ou en dautre termes un plus grand nombre dutilisateurs pourra faire usage du tlphone cellulaire simultanment. Dans les villes de Genve ou Zrich des microcellules sont dployes, de manire pouvoir accepter un nombre dutilisateurs toujours plus important. Plus le nombre de cellules est grand pour une surface donne, plus le nombre dutilisateurs pourra tre grand galement. La puissance dmission doit tre adapte la dimension de la cellule. A la campagne les cellules sont de dimension plus importante tant donne le faible nombre dutilisateurs. La planification des frquences consiste attribuer des frquences (canaux) des cellules. Nous pouvons utiliser un mme ensemble de canaux pour des cellules suffisament loignes. On parle alors de rutilisation de frquences (frequency reuse). Nous reprsentons une cellule par une forme hexagonale (figure 1).

Figure 1 : Allocation des frquences Le modle hexagonal est trs pratique pour la reprsentation mais en pratique nous navons que trs rarement une cellule de cette forme. Nanmoins elle est utilise par convenance. La forme relle dune cellule est dtermine par des mesures de champ lectromagntique et par les prdictions des modles de propagation. Remarquons que nous aurions pu choisir un cercle comme modle de cellule, ce qui aurait t plus proche de la ralit mais cette forme gomtrique ne convient pas bien parce que nous ne pouvons pas recouvrir une surface avec des cercles uniquement. Lorsque la cellule est reprsente par un hexagone lantenne se trouve soit au centre (antenne omnidirectionnelle) soit sur un des six coins (antenne directionnelle, sectorielle)


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Figure 2 : Rayonnement dune antenne lorsquelle est place au centre de la cellule ( gauche) et lorsquelle est place au coin de lhexagone (antenne directionnelle) En pratique nous prfrons placer les antennes sur les coins de lhexagone, pour conomiser le nombre de mts o les antennes sont poses. Lacquisition dun site pour poser une antenne nest pas toujours ais. Les communes peuvent toujours sopposer ce quun oprateur acquire un nouveau site pour ses antennes. Avec la drgulation et la concurrence entre oprateurs, le problme sen trouve empir puisque chaque oprateur se doit de couvrir le territoire national avec son propre rseau dantennes. Les cas o un mt contient deux antennes de deux oprateurs diffrents est trs rare (mais il est par contre encourag par lOFCOM, www.ofcom.ch). Lide derrire la rutilisation des frquences est de crer un ensemble de cellules dans lequel nous allons utiliser tous les canaux (frquences) disposition et densuite rpliquer ce motif plusieurs fois. La figure 1 nous montre un motif compos des cellules A, B, C, D, E et F qui est rpliqu deux fois. En termes mathmatiques nous pouvons dire que nous avons S canaux disposition dans le spectre de frquence dans lequel nous avons la possibilit de transmettre. Si nous avons N cellules dans le motif, nous allons avoir k=S/N canaux par cellule. Si maintenant le motif est rpt M fois, la capacit du systme sera C=M.k.N. Nous remarquons que la capacit dun systme est proportionnelle au nombre de fois quun systme est rpliqu dans une certaine surface donne. Donc pour augmenter la capacit dun systme il faudra diminuer la taille du motif et par consquent des cellules. Cest pourquoi le concept de microcellules est utilis en ville par exemple. Les motifs peuvent comprendre N=1, 3, 7, 12, 13, 16, 19, 21, 25, 27, cellules pour quils soient rguliers. Nous remarquons que la 2 2 relation suivante est applique: N=i +ij+j avec i,j tant des entiers positifs ou nuls. La figure 1 nous montre deux motifs sept cellules chacun, avec six cellules quidistantes la cellule centrale. La figure 3 montre la signification de i et j. On se dplace de i cellules le long dune chane de lhexagone et ensuite on change de direction, 60 degr dans le sens contraire des aiguilles de la montre et on se dplace de j cellules. On rpte ceci pour chaque axe de lhexagone pour trouver toutes les cellules dans lesquelles on peut rutiliser les mme canaux que dans celle do on part.


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Figure 3 : N=9+3+1=13 Comment faisons-nous pour assigner les canaux ? Les stratgies sont soit fixes, soit dynamiques (gres par le MSC). Nous disons que lappel est bloqu quand nous essayons dappeler et que tous les canaux sont occups. Nous ne pouvons pas recevoir de service. Il faut dimensionner le rseau de telle sorte que a se passe uniquement dans des cas exceptionnels (5% de blacage en ville, 2% de blocage en campagne). Quand effectuons-nous un handover ? Lorsque la station mobile se dplace dune cellule lautre, le MSC va transfrer lappel une nouvelle station de base. Dans GSM la procdure exacte (algorithme et critres de dclenchement) est laiss libre loprateur mais il y a tout-de-mme un exemple de handover qui est donn en exemple dans les normes GSM 05.08. De manire gnrale nous remarquons quun nouveau canal doit tre attribu au mobile quand il arrive dans la nouvelle cellule. Les handovers doivent tre aussi peu frquents et discrets que possible. Il faut savoir que le mobile et la BTS effectuent des mesures en permanence sur les canaux radio (cellules voisines galement). Quand le niveau du signal descend au dessous dun certain seuil, la MSC peut enclencher une procdure de handover (la BSC va transmettre les rsultats la MSC). Les mesures faites par la station mobile sur le canal SACCH sont la puissance du signal reu sur le lien descendant (RXLEV_DL), la qualit du signal reu (RXQUAL) sur le lien descendant et la puissance du signal reu sur les canaux BCCH des cellules voisines. RXLEV : Cest la paramtre qui mesure le niveau de signal reu, sur 64 niveaux (6 bits). Chaque incrment reprsente 1 dB. RXLEV=i signifie 110 dB + idB. La dynamique de RXLEV est de 110 dBm 48 dBm. La mesure de RXLEV est faite sur 480 ms en moyennant les mesures faites sur 100 chantillons dbit plein sans DTX. Rappelons que 1 burst = 0.5769 ms et 1 trame = 4.6152 ms. Nous avons 1 burst par trame (8 canaux de voix/trame). Donc 104 chantillons = 104*4.61 ms = 480 ms. (chantillon dune trame SACCH). RXQUAL : Mesure du BER (Bit Error Rate) cod sur3 bits (8 niveaux, selon la norme GSM 05.08). Le taux derreur BER est calcul (moyenn) sur le mme intervalle que RXLEV, savoir sur 480 ms.


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RXQUAL 0 1 2 3 4 5 6 7

Valeur reprsentative du BER 0.14 % 0.28 % 0.57 % 1.13 % 2.26 % 4.53 % 9.05 % 18.10 %

Les mesures faites sur la station mobile et reportes la BSC sur le canal SACCH ne sont pas les seules tre effectues. La BTS effectue aussi des mesures sur le canal montant (signal provenant de la station mobile) : RXLEV, RXQUAL et aussi le distance qui la spare de la station mobile et le niveau dinterfrences sur les slots libres de la cellule laquelle la station mobile est attache. Ensuite, que fait la BSC avec toutes ces mesures ? Elle garde en mmoire 32 chantillons et effectue une moyenne glissante qui peut tre pondre sur lensemble des chantillons. Finallement nous remarquons que la BSC dispose dun assez grand nombre dinformations : RXLEV et RXQUAL aur les liaisons montantes et descendantes de tous les canaux et le signal reu RXLEV sur la canal BCCH dau plus 16 cellules. Dautre part la BSC connat la distance de chaque station mobile au BTS grce au Time of Advance ainsi que le bilan de la liaison pour chaque connexion. Cest sur la base de cette connaissance que le rseau va dcider ou non deffectuer un handover. Les critres pour le dclenchement seront optimiss. Nous avons vu que dautres facteurs vont galement intervenir, en particulier la charge de la cellule qui devrait accueillir la station mobile. Ces stratgies sont dfinies par loprateur mais la norme GSM 05.08 donne un exemple : un handover est dclench si RXLEV_UL < L_RXLEV_UL_H ou RXLEV_DL < L_RXLEV_DL_H pour 10 valeurs sur 12 au moins (par exemple) RXQUAL_UL > L_RXQUAL_H ou RXQUAL_UL > RXQUAL_H pour 6 valeurs sur 7 au moins (par exemple). Distance MS-BTS > MAX_MS_RANGE pour 8 valeurs sur 10 au moins. PGBT(n) > HO_MARGIN(n) et PGBT(n)>0

Les paramtres quil faut bien sr dterminer pour un oprateur sont tous les seuils (RXLEV_UL,) qui vont directement influencer le processus du handover, et par consquence sur le systme global. Il faut dterminer ces paramtres en fonction des contraintes que nous avons savoir : - minimiser le nombre de handovers sur une distance donne. Le handover doit tre dclench au plus prs de la frontire de la cellule. La cellule cible doit tre choisie correctement. La qualit de la liaison doit tre maintenue. Nous devons aussi minimiser la probabilit dchec dun handover, viter leffet pingpong, diminuer le temps dexcution dun handover. Tous ces critres sont difficiles satisfaire et font lart des designers de rseau. Dans le rseau GSM les handovers sont classs de hard (durs) car nous changeons de canal alors quavec UMTS nous verrons un autre style de handovers qui sont soft (mous) qui nous font changer de station de base en douceur plutt que de nous faire changer de canal brusquement.

InterfrencesLes interfrences sont un facteur limitatif majeur dans la performance des rseaux cellulaires. Elles proviennent de diffrentes sources : appel sur la mme frquence dans une cellule voisine, autre station mobile dans la mme cellule, appareil quelconque mettant par inadvertance dans la bande de


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frquences de la cellule. Ces interfrences vont causer du cross-talk sur les canaux de la voix. Sur les canaux de contrle, des erreurs seront causes cause des interfrences. Il faut savoir quelles sont causes en grande partie par les systmes cellulaires eux-mmes. Les cas les plus critiques se trouvent en zone urbaine o la concentration de trafic est importante. Les interfrences sont une cause majeure qui empche laccroissement de la capacit du rseau. Nous avons deux sortes dinterfrences : les interfrences co-canal et les interfrences des canaux adjacents mais le premier type est prpondrant. Elles proviennent du fait que les mmes frquences sont utilises dans des cellules diffrentes (frequency reuse). On ne peut pas les combattre en augmentant la puissance dmission. Pour les rduire il faut loigner les cellules qui font usage des mmes frquences. Nous allons calculer le rapport S/I o S = signal et I = interfrences. Pour cela, nous avons besoin des paramtres suivants : R = rayon de la cellule (en admettant quil soit identique pour toutes les cellules) et D = distance entre 2 cellules utilisant le mme ensemble de frquences (distance entre les centres des cellules). Figure 4 (pour la prochaine dition)

o i0 est le nombre de co-canaux interfrant avec la cellule. S est la puissance du signal de la station de base de la cellule considre. Ii est linterfrence de la cellule i. La puissance dmission dune antenne est donne par

o P0 est la puissance reue faible distance (d0) de lantenne (valeur de rfrence) ; n est un exposant de perte. Nous allons nous placer dans la pire des situations, lorsque la station mobile se trouve au bord de la cellule (figure). Quelle puissance de signal la station reoit-elle ? quelles interfrences reoit-elle ? . Dans le cas de N=7 cellules on peut voir que et

o nous avons pos n=4 [Jacobsmeyer 94]. Dans un cas beaucoup plus trivial, quand nous considrons le centre de la cellule uniquement,


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avec Di=D et dans le cas dune gomtrie hexagonale,

(exercice : montrer !).

Exemple: Nous voulons avoir un rapport S/I = 15 dB pour obtenir une performance acceptable du systme. Quel facteur de rutilisation des frquences devons-nous utiliser pour obtenir un maximum de capacit ? Si n=3, n=4 ? Solution: a) Essayons avec N=7 : dB donc on peut utiliser N=7

b) Essayons avec N=7 :

dB donc on ne peut pas utiliser N=7. Nous dB. Donc

allons essayer la prochaine valeur possible, savoir N=12 : il faut 12 cellules dans le motif quand n=3.

En pratique, pour limiter les interfrences, un contrle de puissance est effectu par les stations de base. Nous nous assurons que les stations mobiles transmettent avec la puissance la plus petite possible pour assurer une bonne liaison. La dure de vie de la batterie du mobile sen trouve prolonge.

Capacit du rseauComme nous lavons dj mentionn, le spectre est limit et un certain nombre dusagers dsirent utiliser le systme. Un utilisateur quelconque pourra trouver le systme occup si tous les canaux sont utiliss. La probabilit que cet vnement se produise doit rester faible. Pour la calculer nous ferons usage de la thorie dErlang. Lintensit du trafic offert est not A=.H o H est la dure moyenne dun appel et le nombre de clients voulant utiliser le systme par unit de temps. La probabilit de blocage est donne par la formule dErlang B (cas particulier de la formule dErlang C) :

o GOS signifie Grade Of Service et o c est le nombre de canaux dans la cellule.


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Figure 5 : GOS (probabilit de perte) en fonction du trafic offert Exemple : Une ville a une population de 2 millions dhabitants. 3 rseaux sont en comptition (systmes A, B et C) pour fournir un service de tlphonie mobile cet endroit. Systme A : 394 cellules, 19 canaux/cellule Systme B : 98 cellules, 57 canaux/cellule Systme C : 49 cellules, 100 canaux/cellule

Trouver le nombre dutilisateurs chaque systme peut supporter pour une probabilit de blocage de 2% si chaque utilisateur fait 2 appels/heure de 3 minutes en moyenne. Chaque systme fonctionne au maximum de sa capacit.


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Solution : Systme A : A = .H = 2.3/60 = 0.1 E/utilisateur ; c=19 ; GOS = 0.02 donc Atotal = 12 E. Nombre dutilisateurs/cellule = 12/0.1 = 120. Avec 394 cellules on a 120.394 = 47280 utilisateurs. Systme B : A = .H = 2.3/60 = 0.1 E/utilisateur ; c=57 ; GOS = 0.02 donc Atotal = 45 E. Nombre dutilisateurs/cellule = 45/0.1 = 450. Avec 98 cellules on a 98.450=44100 utilisateurs. Systme C : A = .H = 2.3/60 = 0.1 E/utilisateur ; c=100 ; GOS = 0.02 donc Atotal = 88 E. Nombre dutilisateurs/cellule = 88/0.1 = 880. Avec 394 cellules on a 49.880 = 43120 utilisateurs.

Remarque : A cause du multiplexage, nous gagnons regrouper les usagers dans la mme cellule, ou davoir un grand nombre de canaux par cellule. Si par exemple nous voulons un GOS de 0.01 et que nous avons disposition 10 canaux, le systme peut supporter 4.46 E alors que si nous crons deux groupe de 5 canaux le systme ne pourra supporter que 2.1.36 E = 2.76 E. Cet effet est bien sr trs rvlateur pour un nombre peu lev de canaux ; il sestompe lorsque le nombre de canaux devient important. Il faudra tenir compte de cet effet lors du dimensionnement des cellules. Augmentation de la capacit Au vu de laugmentation spectaculaire du nombre dusagers du tlphone mobile il faut par endroits rsoudre de srieux problmes dencombrement. Plusieurs techniques sont utilises en pratique pour augmenter la capacit du rseau : partage des cellules (cell splitting) et la sectorisation (sectoring). Le partage des cellules est une technique qui consiste diviser les cellules encombres. Nous pouvons ainsi augmenter la capacit du systme cellulaire en rutilisant les canaux. Les nouvelles cellules ont un rayon plus petit que les cellules originales. Nous appelons ces nouvelles cellules des microcellules. Observons la figure . Les antennes qui arrosent des celluels I, J, K sont places sur un mat en A (antennes directives). Ces trois cellules sont supposes tre satures et par consquent nous devons augmenter le nombre de canaux dans cette rgion. On va donc ajouter six stations de base autour de A mais il faut respecter la planification des frquences. Dans ces microcellules nous allons utiliser un ensemble de frquences qui est utilis dans dautres cellules (les plus loignes dans le plan de frquences). Dans notre cas (figure) le rayon des microcellules est gal la moiti du rayon des cellules normale. Le rseau a t replanifi certains endroits spcifiques. La puissance dmission dans les microcellules devra par consquent tre nettement plus faible que dans les cellules normales. Avant le partage, la puissance tait gale et dans les nouvelles cellules . Si n=4 la puissance dmission dans les microcellules est 16 fois infrieure celle dans les cellules normales . Le problme qui proccupe loprateur est trs terre-terre : Pour pouvoir partager les cellules en mme temps il faut disposer dendroits o mettre les antennes et ce problme est souvent plus compliqu que la planification elle-mme. Quelques remarques simposent ce stade de la discussion. Premirement, les handovers seront plus frquents avec les microcellules, ce qui engendrera beaucoup plus de trafic de signalisation, surtout pour les stations mobiles se dplaant rapidement. Deuximement si les mmes frquences sont utilises pour les cellules normales et pour les microcellules il y a un risuqe pour que les interfrences soient importantes dans les microcellules tant donn la faible puissance dmission de leurs metteurs. Pour parer ces problmes nous divisons en gnral lensemble des frquences en deux groupes : celui qui rassemble les frquences utilises uniquement dans les cellules normales et celui qui rassemble les frquences utilises dans les microcellules. Un deuxime niveau de planification est ainsi introduit en volant des frquences lancienne planification. Lquilibrage entre les canaux des cellules normales et des microcellules est de nouveau un choix effectu par loprateur suivant la demande de trafic et la vitesse des stations mobiles. En gardant une planification de cellules normales dans un environnement de microcellules, nous nous rservons toujours la possibilit daccepter des usagers se dplaant grande vitesse et de minimiser le nombre de handovers. Lautre mthode courante pour augmenter la capacit du rseau est la sectorisation. Dans ce cas le rayon de la cellule reste identique mais les antennes sont plus directives. Il est ainsi possible daugmenter la rutilisation des frquences. En gnral un mt porte trois antennes directives


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directionnelles qui arrosent leurs cellules respectives. Pour simplifier la discussion nous admettrons que chaque antenne est place au centre de la cellule. Si lensemble des frquences utilises dans une cellule est divis en 3 et que 3 antennes arrosent 1/3 de la cellule chacune avec des frquences qui leur sont attribues. Nous remarquons que nous pouvons grandement diminuer les interfrences des la rutilisation des frquences. Pourquoi ? Simplement parce quil ny a plus que 2 cellules qui sont directement dans le champ dmission dune antenne (contre 6 auparavant). Nous pouvons ainsi augmenter le facteur de rutilisation des frquences. Au lieu de sectoriser sur 120 degrs nous pouvons aussi sectoriser sur 60 degrs mais le principe reste le mme. Untruc pour viter les interfrences est de diriger les antennes directives vers le sol pour que les ondes soient en partie absorbes au del de la frontire de la cellule.

Modles de propagation radioDans les cas des communications mobiles, nous sommes confronts la propagation radio qui affecte grandement la transmission entre lmetteur et le rcepteur. Le trajet dune antenne une station mobile peut tre en ligne directe (line of sight) ou svrement obstru par des buildings, des arbres ou des montagnes. Le signal reu par la station mobile est en fait un ensemble dondes rflchies correspondant des trajets multiples, trs rarement en ligne directe. Ce signal reu a par consquent subi de nombreuses distorsions, de frquence (effet Doppler), damplitude (vanouissements ou fading d aux trajets multiples) et de phase (dispersion des temps de propagation sur les trajets multiples). Si lenvironnement est parfaitement connu alors ces phnomnes sont dterministes mais le problme est que lenvironnement change sans arrt (mto, constrction dimmeubles, pousse darbres et de vgtation,) ce qui fait quil nest pas possible de savoir exactement la valeur du champ reu en un endroit donn. Cest pour cela que nous utilisons des modles probabilistes. Nous admettons ici que les thories des antennes et de llectromagntisme (rflexions, rfraction, diffraction, dispersion, zones de Fresnel,) sont connues. Ces modles de propagation sont drivs de mthodes analytiques et empiriques. Plusieurs mesures ont t effectues et la technique consiste trouver des expressions analytiques qui suivent ces mesures. Le problme avec cette approche est que nous navons quune vue partielle de la solution. Si nous changeons de frquence dans un environnement connu, nous devons refaire des mesures et laborer nouveau le modle. Avec le temps nous avons vu merger des modles de propagation qui sont devenus classiques. Ces derniers tiennent compte des principaux paramtres utilise pour le design du rseau mobile. Modle Log-distance Path Loss (modle gnral) Un modle trs populaire est le modle Log-distance Path Loss (trad : affaiblissement logarithmique du parcours en fonction de la distance). Autant du point de vue thorique que du point de vue pratique nous observons une dcroissance logarithmique de la puissance du signal en fonction de la distance ( lintrieur des btiment comme lextrieur). Si reprsente le Path Loss moyen, d0 la distance de rfrence proximit de lantenne, d la distance antenne-station mobile et n lexposant de path loss alors

ou en dB


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Lexposant n a diffrentes valeurs pour diffrents environnements : Environnement Espace libre Espace urbain Espace urbain masqu Intrieur de btiments, ligne directe Intrieur de btiments, obstru Intrieur dusines N 2 2.7-3.5 3-5 1.6-1.8 4-6 2-3

Modle Log-Normal avec effet de masque (modle gnral) Le modle prcdent ne donne que la moyenne du path loss mais ne contient aucune information quant la valeur instantane. On approxime PL par une variable alatoire, normallement distribue : en dB o X est une variable alatoire Gaussienne moyenne nulle et cart-type . X met en vidence les effets de masquage. En pratique notons que n et sont tirs de mesures. Une rgression linaire est effectue pour minimiser lerreur par les moindres carrs. Comme nous avons faire une variable alatoire, nous pouvons calculer la probabilit que le signal soit suprieur un certain niveau.

en rappelant que PL(d) = P(d0)-P(d) en dB. Modle dOkumura (macrocellulaire, extrieur) Ce modle est un des modles les plus populaire pour la prdiction de laffaiblissement des signaux dans des zones urbaines. Y. Okumura a effectu de nombreuses mesures aux environs de Tokyo et en a dduit laffaiblissement moyen de signaux lectromagntiques (150 1920 MHz) en fonction de diffrents paramtres. La validit de son modle stend sur des distance allant de 1 km 100 km. Le modle est le suivant : en dB

o L50 est la valeur moyenne ( 50% percentile) de laffaiblissement LF = qui est laffaiblissement en espace libre ( est la longueur donde).


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1000 m)

o hte est la hauteur de lantenne de la station de base (30 m< hte

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