Modèle de propagation Cost231-Hata en LTE

Le modèle de propagation radio est fondamental pour estimer la perte de signal lors de la transmission entre une station de base et un terminal utilisateur. Aujourd’hui, on va voir en détail le modèle Cost231-Hata, largement utilisé dans les réseaux LTE pour prévoir les pertes de propagation en milieu urbain, suburbain et rural, notamment dans la bande de fréquences allant de 1,5 à 2 GHz.

Origine et contexte du modèle Cost231-Hata

Le modèle Cost231-Hata est une extension du modèle Hata, lui-même dérivé du modèle Okumura, qui était empirique et basé sur des mesures en champ proche. Le but de cette évolution était d’adapter les estimations aux fréquences plus élevées utilisées dans les systèmes cellulaires modernes, notamment les réseaux 2G et 3G, puis LTE. Ce modèle a été développé dans le cadre du projet COST231, une collaboration européenne pour améliorer les modèles de propagation dans les zones urbaines denses.

Principe de fonctionnement

Le modèle Cost231-Hata est un modèle semi-empirique qui calcule la perte de propagation en fonction de plusieurs paramètres : la fréquence de la porteuse, la hauteur de l’antenne de la station de base, la hauteur de l’antenne du mobile, la distance entre la station et le mobile, ainsi que le type d’environnement (urbain dense, urbain clair, suburbain).

Les Types de Diversité en Télécommunications

La formule générale s’écrit :
Modèle de propagation Cost231-Hata en LTE
La perte de propagation (L) s’exprime par :

L = 46,3 + 33,9 log₁₀(f) – 13,82 log₁₀(h_b) – a(h_m) + [44,9 – 6,55 log₁₀(h_b)] log₁₀(d) + C

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avec :

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a(h_m) : correction de hauteur de l’antenne mobile, fonction du type d’environnement
C : constante dépendant de l’environnement (urbain dense, suburbain, rural)

Détails des corrections et constantes

Correction de hauteur de l’antenne mobile a(h_m) :

Pour les zones urbaines :
a(h_m) = (1,1 log₁₀(f) – 0,7) h_m – (1,56 log₁₀(f) – 0,8)
Pour les zones suburbaines :
a(h_m) est adaptée pour refléter un environnement moins dense

Constante C :

Urban dense : C = 3 dB
Suburbain ou rural : C = 0 dB

Le modèle intègre donc un ajustement en fonction du type de zone, permettant une meilleure précision dans les environnements urbains denses par rapport aux zones moins construites.

Application et pertinence dans LTE

LTE exploite des bandes de fréquences autour de 1800 MHz, 2100 MHz et au-delà. Le modèle Cost231-Hata est donc particulièrement adapté pour prédire la couverture et la qualité du signal dans ces bandes. Il aide les ingénieurs radio à dimensionner correctement les cellules, prévoir la puissance d’émission, et optimiser le placement des antennes.

Il est souvent utilisé en complément d’autres outils, comme des modèles rayonnants ou des simulations de propagation plus précises basées sur des données topographiques, mais sa simplicité et son efficacité en font un standard pour les premières estimations.

Comparaison avec d’autres modèles

Modèle Okumura : Plus empirique, avec une base de mesures en terrain, plus précis mais complexe.
Modèle Hata original : Limité aux fréquences jusqu’à 1500 MHz, moins adapté aux bandes LTE.
Modèle COST231-Walfisch-Ikegami : Plus détaillé, prenant en compte les obstacles urbains spécifiques, utilisé pour des environnements très denses.

Le Cost231-Hata trouve son équilibre entre simplicité et précision dans les environnements urbains modérés à denses pour la bande LTE.

Limites et conditions d’utilisation

Comme tout modèle empirique, Cost231-Hata présente des limites :

Fonctionne principalement dans la bande 1500-2000 MHz. Au-delà, d’autres modèles sont recommandés.
La précision diminue pour des distances très courtes (< 1 km) ou très longues (> 20 km).
Les environnements très spécifiques (grandes zones industrielles, forêts denses, zones montagneuses) ne sont pas bien modélisés.
Ne tient pas compte des effets dynamiques comme le trafic, la mobilité rapide ou les interférences multi-chemins complexes.

Ces points doivent être pris en compte lors de la planification réseau, notamment en phase de validation terrain.

Exemple de calcul de perte de propagation

Supposons une station LTE avec :

Fréquence f = 1800 MHz
Hauteur antenne base h_b = 50 m
Hauteur antenne mobile h_m = 1,5 m
Distance d = 5 km
Environnement urbain dense (C = 3 dB)

Calcul de a(h_m) :

a(h_m) = (1,1 log₁₀(1800) – 0,7) × 1,5 – (1,56 log₁₀(1800) – 0,8)

log₁₀(1800) ≈ 3,255

a(h_m) = (1,1 × 3,255 – 0,7) × 1,5 – (1,56 × 3,255 – 0,8) ≈ (3,58 – 0,7) × 1,5 – (5,08 – 0,8) = 2,88 × 1,5 – 4,28 = 4,32 – 4,28 = 0,04 dB

Calcul de L :

L = 46,3 + 33,9 × 3,255 – 13,82 × log₁₀(50) – 0,04 + [44,9 – 6,55 × log₁₀(50)] × log₁₀(5) + 3

log₁₀(50) ≈ 1,699 ; log₁₀(5) ≈ 0,699

L = 46,3 + 110,4 – 23,48 – 0,04 + [44,9 – 11,13] × 0,699 + 3

L = 46,3 + 110,4 – 23,48 – 0,04 + 33,77 × 0,699 + 3

L ≈ 46,3 + 110,4 – 23,48 – 0,04 + 23,6 + 3 = 160,8 dB

Cette perte de 160,8 dB doit être prise en compte pour dimensionner la puissance d’émission et la sensibilité des équipements.

Cette illustration montre la simplicité et la rapidité de ce modèle pour des calculs pratiques.

Pour aller plus loin, on pourra étudier le modèle COST231-Walfisch-Ikegami qui détaille les effets urbains plus complexes et permet une modélisation fine des zones denses à forte obstruction.