Etat de l’art sur les différents types d’différences du récepteur satellites

satellite.

FIGURE 2 : Principe ASI

I.4 le cas particulier : Émissions en fréquences adjacentes des systèmes 5G
Le déploiement précoce des réseaux cellulaires 5G autour de la bande de 3,5 GHz avec les systèmes satellitaires provoque des interférences préjudiciables aux récepteurs FSS. Une bande de garde de 20 MHz (3,98 – 4,0 GHz) est attribuée pour séparer les deux systèmes. Des problèmes d’interférence ont déjà été constatés dans de nombreux cas où les signaux de liaison descendante des satellites fonctionnent dans des bandes de fréquences proches de celles utilisées par la 5G.
Ainsi, l’article permettra aux opérateurs des stations terrestres d’installer des filtres passe-bande de nouvel genre dans leur réseau enfin de permettre une coexistence [10].
Par ailleurs, les opérateurs des systèmes de 5G doivent analyser et diagnostiquer la puissance des liaisons descendantes de leurs systèmes enfin de réduire les interférences sur les systèmes satellitaires. Ces problématiques font l’objet de plusieurs sujets de recherches.

II. Scenario possible pour une coexistence entre systèmes dans le cas de la liaison descendante

Nous allons essayer d’examiner dans cette section le scénario de coexistence de la liaison descendante du service FSS et le réseau cellulaire téléphonique 5G. Pour réaliser ce scenario on suppose ceux-ci :
• L’opérateur téléphonique de la norme 5G utilise le mode de fonctionnement TDD (Time Division Duplex) dans la bande C pour la liaison descendante, c’est-à-dire que toutes les stations de base émettent et reçoivent en même temps sur la même bande de fréquence et la séparation se fait d’une manière temporelle.
• Un nombre M stations de base 5G assurent la couverture d’une zone spécifique.
• Les stations terriennes du FSS peuvent recevoir des brouillages préjudiciables provenant de ces antennes relais de 5G.
• Les antennes des relais sont supposées être omnidirectionnelles (pour être dans le pire des cas).
• Les antennes relais de 5G assurent une couverture dans une zone spécifique
• Le récepteur de station terrienne FSS fonctionne entre 3,625 GHz et 3,800 GHz. Il se trouve donc dans une zone, qui est brouillé par la transmission descendante 5G.
la simulation du système est réalisée en fonction du scénario d’interférence du système, du modèle d’antenne, du modèle d’affaiblissement du chemin et du modèle de propagation
La figure 3 montre le scénario de la liaison descendante cellulaire 5G interférant avec les stations des satellites. Cette interférence due par le partage du spectre dans la bande C.

FIGURE 3 : Schéma du scénario de la liaison descendante cellulaire 5G.
Par la suite, nous allons essayer de modéliser tous les éléments intervenants dans ce scenario.
II.1 MODÈLE DU RESEAU CELLULAIRE 5G
Tous les spécifications relatives au système de liaisons descendantes 5G considéré sont tirées du tableau 4 du rapport UIT-R M.2292 de l’Union Internationale des Télécommunications (UIT) [1], qui précise les paramètres de déploiement pour les bandes de fréquences comprises entre 3 et 6 GHz. Nous nous basons sur le cas ”Macro-Sub-Urban” et la PIRE est égale à 61 dBm/5 MHz.
Dans cet article, nous essayons fournir des résultats pour deux types d’attribution de fréquences pour les opérateurs terrestres (références Tableau 1 et la figure 2 & 3). La figure 2 fournissent un exemple d’assignation et d’attribution de fréquence pour trois opérateurs de téléphonies.il faut noter qu’un site BS peut être équipé de différents équipements appartenant à différents opérateurs.

Largeur de bande 100 MHZ Largeur de bande 70 MHZ
Operateur 1 3400-3500 3410-3480

Operateur 2 3500-3600 3480-3550

Operateur 3 3600-3700 3550-3620

Tableau 1 : exemple d’assignation de fréquence sur les opérateurs en fonction de largeur de bande.

Figure 4 exemple assignation de fréquence sur la largeur 100Mhz.(a).

FIGURE 4 : exemple d’assignation de fréquence sur la largeur 70 Mhz (b).

II.2 MODÈLE D’INTERFÉRENCE
En ce qui concerne le calcul de la puissance de brouillage au niveau du récepteur de la station terrienne du SFS, les pertes de propagation sont modélisées conformément à la recommandation UIT-R 452.16 [11]. En particulier, les pertes de propagation sont constituées de la perte de trajet en espace libre et de la perte de diffraction. La perte sur le trajet en espace libre [dB] est calculée à l’aide de l’équation suivante :

Lpropagation =20·log10(D)+20·log10(fc)+32.45 (1)

• D : la distance en Km et
• fc : la fréquence porteuse en MHz. .

Enfin, la puissance d’interférence reçue au niveau de la station de réception FSS peut être exprimée comme suit :

Pint=EIRP−Lpropagation−Ldiff+GRX−Gfilter[dBW] (2)

GRX :désigne le gain d’antenne du récepteur de la station terrienne FSS ,
Gfilter :indique le gain de rejet du filtre du récepteur de la station terrestre FSS.
Ldiff : L’affaiblissement de diffraction qui est calculé en suivant de la norme UIT-R P.452-1106, tenant compte de la courbature de la terre.
II.3 MODELE D’INTERFERENCE DES 5G SUR LE SYSTEME SATELLITE
Nous utilisons les recommandations de l’UIT-R M.20101 en Fevrier 2017 (Modélisation et simulation des réseaux et systèmes IMT à utiliser dans les études
de partage et de compatibilité ) pour evaluer l’interfence des relais du reseau 5G sur les stations terriennes des services Fixe.

(3)
Iagg est la puissance de brouillage agrégée des stations de base 5G reçue par la station,
et In est la n-ième puissance de brouillage transmise par la station de base 5G.
II.4 L’ALGORITHME DE MONTE CARLO
Pune représentation abstraite du système et d’étudier l’évolution,nous allons utilier l’AMC.
le positionnement de l’utilisate joue un rôle essentiel, car l’emplacement du detenteur du terminal dans le reseau 5G joue un role fondemental car il détermine la direction de formation du faisceau de l’antenne de la station de base qu’il dessert.ceci affecte la station terrienne du SFS qui subit les interfences provenant des antennes 5G. La position des utilisateurs mobiles changent constamment. Afin d’approcher l’état de fonctionnement du système réel, l’AMC est utilisée pour la simulation statique au niveau du système
II.3 MODÈLE des Brouillages provenant d’émissions hors bande (OOB)
Une émission hors bande (OOB) provenant d’un système brouilleur désigne une émission sur une ou des fréquences situées en dehors de la largeur de bande nécessaire, mais dans son voisinage immédiat, due au processus de la modulation, à l’exclusion des rayonnements non essentiels.
Dans le cas des systèmes IMT, les brouillages provenant d’émissions brouilleuses hors bande produites par le système brouilleur peuvent être calculés de la façon suivante:
dB (4)
où:
P_tx (dBm): puissance de sortie de l’émetteur brouilleur
ACLR (dB): rapport de fuite de puissance dans un canal adjacent, à savoir le rapport entre la puissance moyenne mesurée à l’aide d’un filtre (intégrée dans la larger de bande du canal assigné) centré sur la fréquence du canal assigné et la puissance moyenne mesurée à l’aide d’un filtre (intégrée dans la largeur de bande du canal adjacent) centré sur la fréquence d’un canal adjacent.
II.4 MODÈLE DE RÉCEPTEUR DE LA STATION DE TERRE FSS
Le gain de l’antenne du récepteur de la station terrienne du 0FSS GRX est modélisé conformément a la recomandation l’UIT-R S.465-6 du janvier 2010 [11], qui prend en compte les diamètres de l’antenne ainsi que « off-boresight angle”. La hauteur de l’antenne parabolique du FSS est fixé à 10 mètres, en supposant qu’il s’agit d’une hauteur moyenne raisonnable pour les systèmes FSS.
le niveau de bruit N0 correspondant à la largeur de bande considérée est calculé à l’aide de la formule bien connue de puissance de bruit thermique totale donnée par
N0=KTB (3)
• K : la constante de Boltzmann ayant la valeur de 1,38.10-23J/K,
• T=Tb+Tb, est la température de bruit du récepteur comprenant la température ambiante de 70◦K plus la température de bruit de l’antenne de 40◦K.
• B est la largeur de bande.
Exemple :
Pour T=290°K et B=1Hz on a:
N0= 1,38.10-23.290 = 4.10-21W=4. 10-18 mW
Soit en dBm: N0(dB)= 10 log 4.10-18= -174 dBm
Pour une bande passante BW: N0(dB)= -174 dBm + 10 log BW(en Hz)
II.4 MODELE Filter : Gfilter
Nous modélisons le filtre Gfilter du récepteur de la
station terrienne du SFS sous la forme d’une racine carrée du cosinus surélevé (SRRC) appelé SRRCF (SRRCF -Square Root Raised Cosine Filter),.qui respecte le critère de Nyquist et permet de diminuer l’impact du bruit sur la transmission des symboles comme le montre la Fig. 4 pour la bande considérée (3400-3800 MHz). Il est clair que la bande passante du filtre est de 3,625-4,2 GHz, en supposant que les opérations de liaison descendante du SFS sont limitées à ces fréquences.
le filtre (“divisé” en deux) est utilisé en émission et en réception. Les deux filtres forment le filtre de cosinus surélevé [12].

FIGURE 5: Réponse fréquentielle et impulsionnelle du filtre dans la bande
II.5 MODELE D’ANTENNE
-la station de base de 5G utilise un modèle d’antenne de 8X8. ITU-R M.2101 (8*8=64)
-les terminaux des utilisateurs ont un modele 2×2 (2*2=4)
-la station fixe utilise le modele ante nne de lan
Recommandation UIT-R S.465-6 en janvier 2010
(Diagramme de rayonnement de référence pour des antennes de station terrienne du service fixe par satellite, à utiliser pourla coordination et pour l’évaluation des brouillages dans la gamme des fréquences comprises entre 2 et 31 GHz).
Le pour des angles entre la direction considérée et l’axe du faisceau principal, et pour des fréquences comprises entre 2 et 31 GHz :
G  32 – 25 log dBi pour min    48°
 –10dBi pour 48°    180°
(4)

φ : l’angle entre la direction de l’antenne de la station de base et l’axe principal de l’antenne de la station terreienne;

III.RÉSULTATS DE LA SIMULATION
parametres Station fixe FSS Antenne relais 5G Antenne
du Terminal
Frequence en MHz 3400-3600 3400–3600
Seuil d’interfernce I/N -12.2 dB
N0(B=1Mhz) -118 .6 dBm
Rayon de cellule (en m) 300
Puissance de transmission (en dB 50 -53-55-57-59 1.5
Gain antnne (dBi) 20 5 5
Diametre antenne 2.4
Facteur de bruit (dB) 5 9
Tilt(en °) 10°
Horizontal/vertical ratio 30 25
Largeur Horizontal/vertical a 3. dB 65° 90°
Distance de protection entre l’antenne et la station 5 Km

Figure 5 : relation entre le rapport brouillage / bruit du système satellite et la puissance d’émission de la station de 5G
relation entre le rapport entre le brouillage & bruit reçus par la station terrienne et la station de base 5G en fonction la distance de protection.
Commentaire :Lorsque la puissance d’émission de la station de base 5G est de 50 dBm, 53 dBm, 55 dBm, 57 dBm et 59 dBm, la distance de protection requise entre les deux systèmes est d’environ respectivement 5 km, 7 km, 11 km, 16 km et 25 km respectivement. Plus la puissance d’émission de la station de base 5G est élevée, plus la distance de protection requise par le système satellite est grande.cela n’est pas avantageux à une coexistence des satellites et des systèmes 5G. Afin de minimiser l’impact de ces situations sur le système SFS, il est nécessaire de mettre en avant des exigences plus élevées pour la conception des stations de base 5G.Pour maximiser la couverture,la capacité les antennes relais du systèmes 5G qui devraient être largement déployées dans plusieurs endroits. Par conséquent, afin de protéger les antennes des stations terriennes du SFS contre les interférences préjudiciables des 5G.il va falloir mettre en place un filtre passe-bande avec une bonne capacité de rejet de filtre.

Fitre A Filtre B Filtre C
bande rejection bande rejection bande rejection
250 70 40 25 15 30
200 60 100 60 20 60
60 25 200 70 100 70
Tableau 2 :Campagne de mesuree sur trois (3) types de Filtres

D’apres la figure ci-dessus Le filtre A, le filtre B et le filtre C atteignent une réjection de 60 dB respectivement à 200 MHz, 100 MHz et 20 MHz du bord de la bande passante respectivement..
Le filtre C donc est le filtre passe-bande de référence et nécessite le moins de spectre pour passer de la bande passante à la bande d’arrêt de 60 dB de réjection. Le filtre A, quant à lui, nécessite 200 MHz pour atteindre une réjection de 60 dB, ce qui est grand. Afin de maximiser l’utilisation efficace du spectre pour les systèmes terrestres et par satellite, il est important de concevoir un filtre passe-bande avec une tres bonne spécification de séparation de fréquence minimale entre le 5G et le SFS. La réponse en fréquence du filtre est le paramètre le plus important pour la coexistence de 5G et du SFS.

Conclusion
Le but du papier est d’essayer de resoudre le probleme de la coexistence entre le système satellitaire et 5G dans la bande C.Deux solutions ont été propose le contrôle de la puissance d’emission des antennes 5G et la mise en place d’un filtre de reference au niveau ds stations terriennes.Nous considerons dans le cas du contrôle de la puissance,pour respecter les criteres de seuil d’interferences (-12.2 dB),il est neccessaire de savoir la distance minimale de protection qui varie de 15 a 20km. L’autre solution simple et efficace pour permettre la coexistence des services 5G et des stations terriennes de réception du service fixe par satellite (SFS) dans la même zone géographique consiste à équiper la station terrienne du SFS d’un filtre passe-bande hyperfréquence (BPF) à la réception. Le choix du bon BPF peut aider à supprimer les signaux d’interférence 5G . le meilleur des filtres sont ceux qui peuvent obtenir un rejet superieur a une valeur autour de 60dB.

REFERENCES

[1] AKYILDIZ, 1. F., LE:E, W.-Y, VURAN, M. C. et MOHANTY, S. (2006). Next genera¬tion dynamic spectrum access cognitive radio wireless networks : a survey. Comput. Netw., 50(13):2127-2159.
[2] Grand dossier – 5G Fréquences 5G : procédure d’attribution de la bande 3,4 – 3,8 GHz en métropole : https://www.arcep.fr/la-regulation/grands-dossiers-reseaux-mobiles/la-5g
[3] UIT documentation José Albuquerque, Directeur principal, Ingénierie du spectre, Intelsat : Les opérateurs de satellites contestent l’utilisation de la bande C par le service mobile.
[4] . A. Hassan, H.-S. Jo, and A. R. Tharek, ‘‘The feasibility of coexistencebetween 5G and existing services in the IMT-2020 candidate bands inmalaysia,’’IEEE Access, vol. 5, pp. 14867–14888, 2018
[5] G. Hattab and M. Ibnkahla, ‘‘Multiband spectrum access: Great promisesfor future cognitive radio networks,’’Proc. IEEE, vol. 102, no. 3,pp. 282–306, Mar. 2014.
[6] S. K. Sharma, T. E. Bogale, L. B. Le, S. Chatzinotas, X. Wang, andB. Ottersten, ‘‘Dynamic spectrum sharing in 5G wireless networks withfull-duplex technology: Recent advances and research challenges,’’IEEECommun. Surveys Tuts., vol. 20, no. 1, pp. 674–707, 1st Quart., 2018.
[7] E. Lagunas, S. K. Sharma, S. Maleki, S. Chatzinotas, and B. Ottersten,‘‘Resource allocation for cognitive satellite communications with incum-bent terrestrial networks,’’IEEE Trans. Cognit. Commun. Netw., vol. 1,no. 3, pp. 305–317, Sep. 2015
[8] interference Analysis: Modelling Radio Systems for Spectrum Management, First Edition. John Pahl
[9] Conception et réalisation d’un outil d’aide au paramétrage des antennes par Bertrand Olivier ETOUNGOU pp 84-99.
[10] Rec. UIT-R F.746-41RECOMMANDATION UIT-R F.746-4DISPOSITION DES CANAUX RADIOÉLECTRIQUES POUR LES FAISCEAUX HERTZIENS(Questions UIT-R 108/9 et UIT-R 136
[11] Recommendation ITU-R P.452-16(07/2015)
[12]SRRC :https://www.gaussianwaves.com/2019/02/implementing-a-matched-filter-system-with-srrc-filtering/