Architecture d’un réseau WiMAX 

La technologie WiMAX a été mise en place en vue de répondre aux besoins accrus des utilisateurs avec des débits pouvant aller jusqu’à 1 Gb/s. Ainsi, elle a subi plusieurs modifications en vue d’améliorer ses performances. Dans ce contexte, nous présentons ses diverses évolutions, son architecture..

Évolution de la norme 

Le WiMAX a été conçu avec pour but de définir une technologie de haut débit basée sur le protocole IP en remplacement du réseau filaire. Il possède des fonctionnalités semblables au Wi-Fi tout en couvrant de plus grandes zones et ce, de façon similaire aux réseaux cellulaires. Sa première version, la 802.16-2001, offrait un système point à multipoint avec un débit d’environ 70 Mb/s, une fréquence d’opération située entre 10 et 60 GHz en ligne à vue directe (Line Of Sight, LOS) et une transmission avec porteuse unique. Des modifications ont été apportées plus tard avec les versions de 2003 et 2004 à savoir : la transmission en ligne à vue non directe (No Line Of Sight, NLOS), la définition du nombre de profils, la prédéfinition de paramètres d’interopérabilité 2003 ainsi qu’une nouvelle plage de fréquences d’opérations de 2 à 11 GHz. Des amendements ont été également apportés en 2004, afin d’adopter la modulation à plusieurs porteuses et d’adapter la modulation suivant l’état du canal. Ceux-ci ont ainsi permis d’introduire l’OFDM et l’OFDMA. En 2005, la nouvelle version combine les systèmes fixes et mobiles dans la bande règlementaire. Elle intègre aussi la sécurité, les systèmes multi-porteuses et les systèmes MIMO. La dernière version en date, celle de 2011, promet un débit de 100 Mb/s pour le réseau mobile et 1 Gb/s pour un réseau fixe, la «subchannelisation» ainsi que l’efficience dans l’utilisation des structures de pilotes (Bacioccola et al., 2010; Etemad, 2008; Pareit et al., 2012).

Architecture d’un réseau WiMAX 

L’architecture du réseau WiMAX est conçue dans l’optique d’un trafic tout IP. À cet effet, elle doit prendre en compte la pile protocolaire du groupe de travail sur les technologies et protocoles de l’internet (Internet Engineering Task Force, IETF) et respecter les exigences du standard 802.16 ainsi que ceux d’autres standards du domaine IP. Elle doit être également flexible, pour un scénario de déploiement tant au niveau d’une architecture fixe que d’une architecture mobile. Enfin, elle doit assurer le partage de ressources facilitant la décentralisation des infrastructures ainsi que la connectivité, l’accès aux services et l’interopérabilité à travers une connexion via des infrastructures hétérogènes.

Couche physique

Description 

La couche physique (PHY) est la plus basse dans le modèle OSI (Open Systems Interconnection). Elle utilise l’interface sans fil entre la station de base et celle mobile. Elle transmet également les données par modulation des porteuses simples ou multiples en se basant sur différents schémas de modulation et différentes bandes de fréquence. Elle se fonde sur plusieurs normes, indépendamment du standard de télécommunication choisi. Ainsi, concernant le standard WiMAX, la couche physique a été basée principalement sur les normes IEEE 802.16-2004 à porteuses uniques pour les systèmes fixes et IEEE 802.16-2005 à porteuses multiples pour les systèmes mobiles. Cependant, au cours de son développement, le standard WiMAX définit deux couches physiques supplémentaires pouvant fonctionner avec les couches MAC existantes (Andrews, Ghosh et Muhamed, 2007b; Odhiambo et Rayolla, 2012). Les couches physiques présentes sont :
• WirelessMAN SC : couche PHY mono-porteuse destinée à des fréquences au-delà de 11 GHz nécessitant une ligne en vue directe LOS, elle fait partie des spécifications initiales de la 802.16;
• WirelessMAN SCA : couche PHY mono-porteuse dédiée aux fréquences entre 2 GHz et 11 GHz pour les systèmes point à multipoint;
• WirelessMAN OFDM : couche PHY OFDM avec une FFT à 256 points, elle est utilisée pour les systèmes point à multipoint opérant sans ligne en vue directe, N-LOS, à des fréquences comprises entre 2 GHz et 11 GHz. Elle a été également retenue par la norme WiMAX pour les systèmes fixes. Elle est donc aussi appelée WiMAX fixe;
• WirelessMAN OFDMA : couche PHY OFDMA avec une FFT à 2048 points, elle est utilisée pour les mêmes systèmes point à multipoint que la couche WirelessMAN OFDM. Par ailleurs, elle a été modifiée pour convenir à une version adaptative d’OFDMA (Scalable OFDMA, SOFDMA) dans laquelle la taille de la transformer rapide de Fourier (Fast Fourier Transform, FFT) varie entre: 128, 512, 1024 et 2048 selon la norme IEEE 802.16e -2005. La taille variable de la FFT permet une utilisation et une implémentation optimale du système sur une large bande de canal, le rendant ainsi adaptable aux conditions radio. Cette couche PHY a été acceptée par la norme WiMAX pour les systèmes mobiles, lui conférant aussi le nom de WiMAX mobile.

OFDM et OFDMA

L’OFDM est une modulation multi-porteuses avec un espacement fixe dans le domaine des fréquences. Les ressources disponibles y sont représentées soit à l’aide de symboles dans le domaine temporel, soit à l’aide des sous-porteuses dans le domaine fréquentiel (Etemad, 2008), contrairement à la modulation mono porteuse qui consiste à allouer toute la bande (1,25 à 20 MHz) à une seule porteuse. En divisant la bande en plusieurs sous-porteuses (2048), on accroît le débit. Les sous porteuses sont donc regroupées en sous-canaux (Odhiambo et Rayolla, 2012). Cependant, le choix du nombre de sous canaux dépend de la bande passante par canal qui doit être supérieure à la bande de cohérence. Cela rend le système moins exposé aux problèmes de canaux sélectifs en fréquence. Par ailleurs, les sousporteuses doivent être orthogonales afin de diminuer l’interférence inter symbole (InterSymbol Interference, ISI). Cette interférence est totalement éliminée grâce au préfixe cyclique (Cyclic Prefix, CP) à condition que sa durée soit supérieure à l’étalement de la réponse impulsionnelle due au multi-trajet. Quant à la durée du symbole, elle est choisie de manière à être supérieure au retard dû au multi-trajet afin d’éviter les effets du multi-trajet.

Contrairement à la bande de l’OFDM, celle de l’OFDMA peut être associée à plusieurs sources de données tant dans le domaine temporel que fréquentiel. Le nombre de sousporteuses alloué à un utilisateur est fonction soit de ses besoins, soit des conditions du canal, soit de ces deux exigences. Cela nécessite une modulation adaptative à travers l’augmentation ou la réduction de la cadence d’envoi de données. L’OFDMA requiert également la maximisation de la diversité multi utilisateur qui est le gain obtenu, en choisissant un utilisateur ou un groupe d’utilisateurs donné. En OFDMA, il y a trois types de sous-porteuses toutes regroupées en sous-canaux :
• les porteuses de données utilisées pour la transmission de données;
• les sous-porteuses pilotes pour l’estimation et la synchronisation;
• les sous-porteuses nulles pour la bande de gardes et la sous-porteuses DC (pour identifier la fréquence centrale). Elles ne portent aucune information et ne sont pas transmises.

L’unité de base pour l’allocation de ressources dans l’OFDMA est le slot. Une combinaison et une séquence de slot constituent un sous-canal. Afin de former les sous-canaux, deux types de permutations sont utilisées : la permutation aléatoire et la permutation contigüe. La première consiste à choisir les sous-porteuses de manière aléatoire afin de former les souscanaux. Cela offre une meilleure diversité fréquentielle et une bonne résistance aux erreurs. Quant à la permutation contigüe, elle consiste à regrouper les sous-porteuses adjacentes formant ainsi un sous-canal. En général, la permutation aléatoire est mieux adaptée pour les applications mobiles. En revanche, la permutation contigüe est meilleure pour les applications fixes à mobilité faible (Etemad, 2008).

Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 WiMAX : Présentation générale 
1.1 Introduction
1.2 Évolution de la norme
1.3 Architecture d’un réseau WiMAX
1.4 Couche physique
1.4.1 Description
1.4.2 OFDM et OFDMA
1.4.3 Time Division Duplexing et Frequence Division Duplexing
1.5 MAC
1.5.1 Sous couche de convergence
1.5.2 Common Part Sublayer
1.5.3 Procédure d’entrée dans le réseau
1.5.3.1 Écoute du canal par la MS et synchronisation avec une BS
1.5.3.2 Télémétrie ou ajustement des paramètres
1.5.3.3 Négociation des paramètres de base
1.5.3.4 Autorisation et échange des clés d’authentification
1.5.3.5 Enregistrement de la station mobile sur le réseau
1.5.3.6 Établissement de la connexion IP
1.5.3.7 Établissement de la date et de l’heure
1.5.4 Flux de service
1.5.5 Qualité de service
1.6 Fiabilité de la transmission WiMAX
1.6.1 Automatic Repeat-request
1.6.2 HARQ
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 NS3 : Description et contexte 
2.1 Introduction
2.2 Méthodes d’analyses de réseau
2.3 Le simulateur NS3
2.3.1 Environnement de développement
2.3.2 Fonctionnement et concepts clés
2.3.2.1 Fonctionnement
2.3.2.2 Concepts clés
2.3.2.3 Nœud
2.3.2.4 L’application
2.3.2.5 Le canal
2.3.2.6 Éléments de réseau
2.3.2.7 Topologyhelpers
2.3.3 WiMAX dans NS3
2.3.3.1 Modèle de couche physique
2.3.3.2 Modèle du canal
2.3.3.3 Modèle MAC
2.3.3.4 La Convergence Sublayer (CS)
2.3.3.5 La Common Part Sublayer(CPS)
2.3.3.6 Connexion et adressage
2.3.3.7 Entrée dans le réseau
2.3.3.8 Le service d’ordonnancement
2.3.3.9 Trames et messages de gestion
2.3.3.10 Message de gestion
2.3.3.11 Flux de service
2.3.3.12 OFDMA dans NS3
2.3.3.13 Élément de réseaux (Devices)
2.3.3.14 Phase de télémétrie
2.3.3.15 Message de gestion et ordonnancement
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 MODÈLE PROPOSÉ 
3.1 Introduction
3.2 Objectives et méthodologies
3.2.1 Objectifs
3.2.2 Méthodologies
3.3 Identifications et classifications des améliorations
3.4 Présentation des améliorations apportées
3.4.1 Amélioration de la couche physique
3.4.2 Détermination de la ressource nécessaire pour une slave
3.4.3 Détermination de la durée de la transmission
3.4.4 Détermination de la charge utile de symbole
3.4.5 Détermination du débit de la transmission
3.4.6 La création et le traitement du DL_MAP
3.4.7 Détermination des paramètres initiaux de la couche physique
3.5 Amélioration de la couche MAC
3.6 Détermination de la ressource requise et de la ressource disponible
3.7 Détermination de la taille des régions de la DL_MAP
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4 SIMULATION ET ANALYSE DES RÉSULTATS
4.1 Introduction
4.2 Architecture de test
4.2.1 Présentation de l’architecture réseau
4.2.2 Méthodes d’extraction des résultats
4.2.3 Paramètres et critères de comparaison
4.3 Résultats
4.3.1 Analyse des résultats
4.3.1.1 Délai moyen
4.3.1.2 Variation moyenne du délai
4.3.1.3 Débit réel de simulation
4.4 Conclusion
CONCLUSION

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