1.1.1.4.2.1.1.2.2. Composition et rôle des
éléments d'une BTS
BTS utilisées jouent un rôle primordial pour
évaluer la qualité d'un réseau. La capacité
maximale d'une BTS est de 16 porteuses, c'est à dire qu'elle peut
supporter au plus une centaine de communications simultanées. Une
configuration en zone urbaine est constituée d'une BTS à 4
porteuses pouvant écouler environ 28 communications. Comme nous l'avons
vu plus haut la bande passante allouée à un opérateur est
limitée. C'est pourquoi il doit réduire au minimum la puissance
de ses BTS en ville de manière à ce qu'elles couvrent une zone la
plus restreinte possible. Elle se compose de :
1.1.1.4.2.1.1.2.2.1. Antennes
Les antennes sont les composantes les plus visibles du
réseau GSM. On les voit un peu partout, souvent sur des hauts
pylônes, sur des toits d'immeubles, contre des murs, à
l'intérieur des bâtiments ; il arrive assez souvent qu'elles
soient invisibles puisque camouflées, pour des raisons
esthétiques, à proximité de bâtiment classés
« monuments historiques ». Ces antennes permettent de réaliser
la liaison Um entre la MS (téléphone mobile) et la BTS.
53
? Fréquences d'utilisation : La
caractéristique la plus importante d'une antenne, aussi appelée
aérien, est la bande de fréquences supportée ;
c'est-à-dire les fréquences que l'antenne pourra émettre
et recevoir.
Sur les sites GSM, on trouve des antennes qui émettent
seulement en 900 MHz, seulement en 1800 MHz ou des antennes bi-bandes 900 et
1800 MHz. On les trouve déjà, et leur nombre ne fera
qu'augmenter, des antennes bi-modes (GSM & UMTS) et bi-bandes (1800 &
1900-2200 MHz) ou tri-bandes (900, 1800 & 1900-2200 MHz), qui sont des
antennes qui servent à la fois pour le GSM en 900 et/ou 1800 MHz, mais
aussi pour l'UMTS en 1900-2200 MHz.
? Directivité : La deuxième
caractéristique importante est la directivité sur le plan
horizontal, c'est en fait la ou les direction(s) dans laquelle l'antenne va
émettre. En GSM, il existe deux grands types de directivités pour
les antennes :
? Omnidirectionnelle : Elles sont assez peu
répandues. Lors de l'utilisation pour des macros cellules, elles
ressemblent à des brins d'environ 2 m de haut et 5 cm de
diamètre, alors que pour les micros cellules, ce sont des brins de 40 cm
de haut et 2 à 3 cm de diamètre. Ces antennes brins sont
omnidirectionnelles, elles émettent de manière égale dans
toutes les directions. Pour les macros cellules, les sites comportent souvent
deux à trois antennes omnidirectionnelles.
54
Figure 11. Directivité Omnidirectionnelle
Comme on peut le voir sur ces diagrammes, l'antenne
émet dans toutes les directions sur le plan horizontal, et dans deux
directions principales sur le plan vertical.
? Directionnelle : Elles représentent
la quasi-totalité des antennes utilisées. Lors de l'utilisation
pour la couverture de macro cellules, elles ressemblent à des panneaux
de couleur beige ou blanche d'environ 2 m de haut, 20 cm de large et 10 cm
d'épaisseur, alors que pour les micro cellules, ce sont de petits
panneaux d'une vingtaine de centimètres de haut, 10 cm de large et
quelques centimètres d'épaisseur. Ces antennes-panneaux sont
directionnelles, elles émettent seulement dans la direction dans
laquelle elles sont orientées, ce qui permet de limiter le champ de
propagation d'une fréquence pour pouvoir ainsi de la réutiliser
à une distance proche, sans risque de brouillage.
55
Les relais sont souvent composés de trois
antennes-panneaux orientées à environ 120° l'une de l'autre,
de manière à couvrir sur 360°.
Figure 12. Directivité Directionnelle
On peut constater sur le plan horizontal que l'antenne-panneau
émet à forte puissance vers l'avant, et avec une puissance faible
derrière elle. On remarque sur le plan vertical, que l'antenne
émet avec une puissance faible au-dessus et au-dessous, mais avec une
puissance beaucoup plus importante devant elle.
? Portée : Une autre
caractéristique est la portée des antennes. Elle dépend
pour beaucoup de la PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée
Équivalente) de l'antenne, mais aussi de son orientation. En
général, une antenne assure la couverture d'une zone
appelée secteur ou cellule.
56
Il existe deux grands types de cellules, le premier
étant la micro (petite) ou pico (très petite) cellule qui couvre
une zone de taille réduite, par exemple une rue très
fréquentée, une galerie marchande, un centre commercial au moyen
d'antennes de petite taille, souvent omnidirectionnelles.
Le deuxième type est celui des macros cellules qui
couvrent des zones de grande superficie (plusieurs dizaines de
kilomètres carrés), que l'on trouve près des autoroutes,
et dans les zones périurbaines ou rurales ; dans ce cas, les antennes
utilisées sont souvent de type directionnel.
? Gain - Puissance : Chaque antenne
possède un gain qui lui est propre. Le gain est l'amplification que
l'antenne effectue du signal d'entrée. Ce gain s'exprime en dB ou dBi,
et est d'environ 2 à 11 dBi pour les antennes omnidirectionnelles et
jusqu'à 18 dBi pour les antennes directionnelles.
La puissance émise par l'antenne est appelée
PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente) ou PAR (Puissance
Apparente Rayonnée, PAR = PIRE - 2,15 dB). Cette puissance est fournie
par la BTS et ses amplificateurs de puissance, commandés depuis le BSC.
La PIRE est de quelques watts pour des antennes couvrant des micros cellules,
et d'une vingtaine à une cinquantaine de watts pour des macros cellules.
La PIRE est exprimée en dbm, ce qui est plus pratique pour le calcul des
pertes des coupleurs, câbles coaxiaux et gain des antennes.
57
? Azimut : Chaque antenne est dirigée
dans une direction déterminée par des simulations, de
manière à couvrir exactement la zone définie. La direction
principale de propagation de l'antenne, c'est-à-dire la direction dans
laquelle l'antenne émet à sa puissance la plus importante est
dirigée dans l'azimut établi. L'azimut est un angle qui se compte
en degrés, positivement dans le sens horaire, en partant du nord
(0°). De cette façon, l'azimut 90° correspond à l'est,
l'azimut 180° au sud, etc.
Figure 13. Angle azimut
Tout comme l'azimut, le tilt (ou down-tilt) est laissé
à la discrétion des installateurs d'antennes qui les orientent
selon les recommandations de l'opérateur. Le tilt est l'angle
d'inclinaison (en degrés) de l'azimut du lobe principal de l'antenne
dans le plan vertical. Le diagramme de rayonnement d'une antenne avec un tilt
positif sera dirigé vers le haut, alors qu'un tilt négatif fera
pointer l'antenne vers le bas. Il existe deux types de tilt :
58
- mécanique : il suffit de relever
légèrement l'antenne sur son support, pour qu'elle soit
dirigée dans la direction souhaitée.
- électrique : réglage
d'environ 2 à 10°, en tournant une partie mécanique à
l'arrière de l'antenne qui joue sur le déphasage des signaux dans
les différents dipôles constituant. Le signal est envoyé
à l'équipement de transmission.
Fig. 14. Antenne directionnelle avec tilt négatif. Antenne
directionnelle avec
tilt positif
? Diversité spatiale : La liaison Um
dans le sens montant (mobile vers BTS) est plus difficile à assurer que
la liaison descendante (BTS vers mobile), puisque la puissance des terminaux
est limitée à 2 watts en 900 Mhz et 1 watt en 1800 MHz, on
utilise donc deux antennes au lieu d'une pour favoriser la réception du
signal. À cause des diverses réflexions du signal émis par
le mobile (contre des immeubles, des falaises...), deux ondes peuvent arriver
en un point donné en s'annulant ou s'atténuant fortement
(à cause de leur déphasage), c'est
59
ce que l'on appelle l'évanouissement (fading) de
Rayleigh, mais quelques mètres (et longueurs d'ondes) plus loin, ces
ondes ne seront plus atténuées, d'où
l'intérêt de placer des antennes espacées d'environ 3
à 6 m l'une au-dessus de l'autre ou l'une à côté de
l'autre. On place donc deux antennes, au lieu d'une, pour augmenter les chances
de recevoir un signal correct, on augmente ainsi le signal reçu
jusqu'à 5 dB.
? Diversité de polarisation : La
diversité de polarisation est la technique d'utilisation de plusieurs
plans de polarisations, pour favoriser la réception du signal. La
polarisation d'une onde électromagnétique est décrite par
l'orientation de son champ électrique. Si celui-ci est parallèle
à la surface de la terre, la polarisation est linéaire
horizontale, s'il est perpendiculaire à la surface de la terre, la
polarisation est linéaire verticale. Pour un téléphone
mobile, la polarisation est verticale lorsque le téléphone est
tenu vertical, mais s'il est légèrement orienté, l'onde
polarisée verticalement parvient plus faiblement à la BTS, alors
qu'en même temps, le niveau reçu de cette même onde
polarisée horizontalement augmente.
En effet, il existe des signaux en polarisation verticale et
horizontale, et il faut que les antennes émettrices et
réceptrices communiquent toutes les deux avec un signal dans la
même polarisation, sous peine d'avoir un signal fortement
atténué. L'antenne du relais est capable de conserver une
polarisation constante, mais le téléphone mobile, ne reste
jamais
60
parfaitement vertical et ne peut donc conserver une
polarisation verticale. On utilise donc des antennes qui ont une double
polarisation (ou polarisation croisée), ni verticale, ni horizontale,
mais intermédiaire : + 45° et - 45°, et l'on utilise le plan
de polarisation qui reçoit le meilleur signal, pour augmenter les
chances de recevoir un niveau correct ; on peut gagner ainsi jusqu'à 6
dB. En émission, on utilise une seule de ces polarisations, au choix de
l'opérateur.
V' Diversité de fréquence
:La diversité fréquentielle est, la technique utilisant
un changement régulier des fréquences utilisées ;
c'est-à-dire, que la BTS et le mobile changent
régulièrement de fréquence d'émission et de
réception, c'est ce que l'on appelle le saut de fréquence ou
Frequency Hopping, un changement de fréquence 217 fois par seconde, qui
permet de lutter contre l'évanouissement du signal (ou fading). Ce
procédé permet aussi de moyenner le brouillage ; par exemple : si
un canal est brouillé, et si une communication est établie sur ce
canal, la communication sera fortement perturbée, alors que si l'on
change très régulièrement de canal (fréquence) ;
La communication ne sera perturbée qu'à certains
instants, mais restera en moyenne, audible. On utilise le saut de
fréquence pendant les communications, ce qui peut permettre de gagner
quelques dB supplémentaires.
V' L.N.A. : Dans certains cas, les
sorties des antennes sont suivies immédiatement de LNA (Low Noise
Amplifier - Amplificateur à Faible Bruit) qui permettent d'amplifier le
signal reçu par l'antenne, en
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provenance du mobile, sur la liaison Um (voie montante). Les
LNA doivent être situés au plus près de la sortie des
antennes, pour éviter qu'un signal trop faible ne soit totalement
inexploitable à la sortie des câbles coaxiaux. Ces LNA ressemblent
à de petits cubes situés à quelques centimètres des
antennes, en haut des pylônes.
Figure 15. Low Noise Amplifier
V' Sectorisation : Chaque relais GSM est
partagé en plusieurs zones d'émission, une pour chaque antenne
(sauf présence de diversité spatiale), habituellement
jusqu'à 3 zones par relais, appelées aussi secteur ou cellule.
V' Mono sectorisé : Est dit mono
sectorisé un site GSM qui ne possède qu'un seul secteur,
c'est-à-dire qui ne gère qu'une seule cellule. Il y a une seule
antenne, ou deux si la diversité spatiale est utilisés, voire
jusqu'à trois pour certains sites omnidirectionnels constitués de
trois Brins omnidirectionnels.
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Figure 16. Site Mono sectorisée
Ce type de site omnidirectionnel est utilisé en zone
rurale pour assurer une couverture assez importante, sans permettre une grande
quantité de communications, ou en zone urbaine importante, pour micro
cellule, afin de supporter des communications passées dans une zone
réduite (centres commerciaux, rues piétonnes...).Un site mono
sectorisé avec panneau directionnel, peut être utilisé pour
affiner une couverture locale, ou en zone rurale, au-dessus d'une vallée
encaissée, où les deux autres secteurs ne seraient pas utiles
? Bi sectorisé : Un site bi
sectorisé est un site GSM qui possède deux secteurs, et donc deux
cellules distinctes. Le site peut comporter au moins deux antennes et
jusqu'à quatre si la diversité spatiale est utilisée. Ce
type de site sert à couvrir des zones où seuls deux secteurs sont
utiles (flanc d'une colline...).
63
Figure 17. Site bi sectorisé
? Tri-sectorisé : La majorité
des sites GSM sont des sites tri-sectorisés, c'est-à-dire qu'ils
sont constitués de trois cellules, ce qui permet une meilleure
intégration au PDF (Plan De Fréquences). Ces sites sont
très répandus en zone rurale et périurbaine, où la
couverture n'est quasiment assurée qu'à partir de ce type de
sites.
Figure 18. Site tri sectorisée
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V' Numérotation : Les
secteurs de chaque site sont numérotés. Le secteur n°1 est
le secteur qui a l'azimut le moins élevé, c'est-à-dire,
c'est le secteur dont l'azimut est le plus proche du Nord (Az 0°).
V' Câbles coaxiaux : Pour
relier la BTS aux antennes, on utilise des câbles coaxiaux (ou feeders en
anglais), qui peuvent atteindre jusqu'à une cinquantaine, voire
exceptionnellement une centaine de mètres de longueur, pour parcourir la
distance entre la BTS et les antennes. Ces câbles sont blindés et
parfaitement isolés, de manière à n'introduire aucun
parasite entre l'antenne et la BTS, mais surtout pour éviter les pertes.
Les câbles utilisés apportent une atténuation d'environ 2dB
pour 100 mètres, ils ont très souvent un diamètre de 7/8
pouce (environ 2,2 cm) et sont constitués de deux couches de cuivres,
une au coeur et une autre vers l'extérieur, séparées par
un isolant plastique.
V' Etiquetage : Pour repérer
les différents câbles, les installateurs d'antennes placent des
étiquettes à des endroits où les câbles sont
nombreux : pied du pylône, sortie du local technique... Ces
étiquettes contiennent une ou plusieurs des informations suivantes :
azimut (« AZ »)
tilt (« TILT »)
n° de secteur (« SECT »)
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nom de l'opérateur GSM longueur du câble (« L
»)
signal traversant le câble : Emission (« EM »),
Réception (« REC »), Diversité (« DIV »)
nom du signal provenant de l'antenne, polarisation (« +45
»),
(« -45 »)
? Base Transceiver Station : La BTS est le
premier élément électronique actif du réseau GSM,
vu par le mobile. C'est l'élément intermédiaire entre le
BSC qui reçoit des informations, donne des ordres et le mobile qui les
exécute.
Figure 19. Schéma fonctionnel d'une BTS
66
Ce schéma synoptique est très simplifié,
afin de présenter de manière très claire les
éléments essentiels d'une BTS. Une BTS est composé d'un
équipement de transmission (grande armoire métallique) modulaire
avec des emplacements disponibles pour enficher des cartes
électroniques. L'équipement de transmission est une grande
armoire métallique, parfaitement blindée électriquement,
hermétique, climatisée en saison sèche ou saison du soleil
et chauffée en saison de pluie pour conserver une température de
fonctionnement constante.
Elle est modulaire, elle contient des emplacements pour des
cartes électroniques qui sont ajoutées suivant les besoins du
site. C'est aussi une unité de commande qui est la partie essentielle de
la BTS, elle gère tout son fonctionnement. Elle génère les
fréquences de référence, crée les
différentes porteuses, assure la modulation et démodulation des
signaux, commande les amplificateurs de puissance, fournit les signaux aux TRX,
et ceci sur tous les secteurs. Elle est généralement pour les
sites MTN appelé RBS (Radio Base Station et est en deux exemple : RBS
900 et RBS 1800) et ces RBS dépendent de la technologie.
L'alimentation de l'unité de transmission se fait avec
la tension du réseau SNEL 230V alternatif. Ensuite, le transformateur
convertit cette tension en une tension continue pour l'alimentation de tous les
éléments de la BTS, qui peut consommer jusqu'à une
trentaine d'ampères en fonctionnement à plein régime.
Figure 20. Schéma du Mini Link
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Des batteries sont associées à cette
alimentation, pour permettre un fonctionnement de plusieurs heures en cas de
coupure de courant. Ces batteries sont appelées BBS (Battery Back-up
System) qui comporte 8 batteries, des fusibles qui dirige et fournie
l'énergie nécessaire pour alimenter les équipements de
transmissions ce qui laisse une sensibilité plus longue de temps de
secours pour le fonctionnement de la RBS. Elle est aussi équipée
des alarmes, des unités de climatisations et des convertisseurs et
régulateur de tension.
? Protection : La protection est
nécessaire pour les équipements et elle est de deux sortes : le
para tonnerre et le para foudre qui sont installés et la mise à
la terre pour permettre au équipement de bénéficier d'une
certaine sécurité.
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MINI LINK qui permet d'assurer la liaison entre la BTS et la
BSC. Elle est constituée de trois modules qui sont répartis
suivant deux types d'unité : Les unités Indoor
et Outdoor :
y' Le module Indoor (AMM : Access Magazine
Module, MMU : Modem Module Unit) qui permet de connecter le trafic principal de
155 Mbit/s et la transmet. Elle permet d'effectuer la commutation, la
démodulation et la modulation des données utilisée pour
protégé et configuré les terminaux. Elle possède
une unité de ventilateur qui est toujours adaptée pour garantir
suffisamment le refroidissement.
y' Le module Outdoor (RAU : Radio Access Unit
et l'antenne) permet de produire et recevoir l'onde radio fréquence et
le converti en un format de signal qui va circuler dans le câble par
radio, qui relie les deux modules. Antennes du Mini Link est différente
de celle de la BTS. C'est à travers cette antenne que les signaux
traités par la RBS sont envoyés à La BSC. Elle a la forme
d'un tambour et est installé au niveau d'une des antennes suivant la
direction où est situé la BSC. C'est le Mini Link qui assure la
liaison entre la BTS et la BSC.
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