Aspects technologies du reseau mobile UMTS

La téléphonie mobile apparue en début des années 1980 s’évolue rapidement suite à l’accroissement de la demande de nouveaux services et de débit nécessaire par les utilisateurs. Vers le milieu des années 1990, le GSM atteindrait ses limites en termes de support d’un service de transmission de données à haut débit [2] [4]. Le grand public, comme pour les professionnels, aimerait utiliser le service Internet sur son téléphone portable, avoir une connexion n’importe où avec un débit satisfaisant.

Le passage de la deuxième génération, celle du GSM, à la troisième génération, celle de l’UMTS, ne se fera pas en une seule fois, à partir du GSM d’origine [2] [4]. Avant de laisser définitivement la place à un nouveau système, le GSM aura connu quelques évolutions majeures. La plus significative de ces évolutions est sans doute l’introduction de services en mode paquet: le GPRS permettant un accès acceptable à Internet (171,2kbits/s) [4] [18]. Pour répondre au besoin d’offrir des services de transmission de données équivalents ou proche de ceux offerts par l’UMTS, au moins dans un premier temps, le GSM a évolué au-delà du GPRS, vers l’utilisation d’une nouvelle modulation radio plus performante que la modulation GMSK d’origine. Ainsi est née l’EDGE [4]. Mais le débit offert par l’EDGE (384kbits/s) n’est pas encore satisfaisant pour le service demandé [18]. D’où l’UMTS.

Actuellement, cette technologie de la troisième génération UMTS est très répandu et le plus utilisé. Les opérateurs téléphoniques mobiles utilisent des logiciels spécifiques (ATOLL, ASSET, …) pour faire l’étude de faisabilité d’application et d’intégration de 3G dans ses activités afin de satisfaire les besoins des usagers. Ces outils se servent des données d’entrée comme : les paramètres du réseau (nombre d’usagers, répartition des usagers, …), les valeurs des paramètres des équipements utilisés (sensibilité de réception, puissance d’émission,…), les valeurs référence de l’opérateur (qualité de service requise, facteur de charge cible, …), les valeurs acquises par expérience (modèle de trafic de l’usager sur un tel service, perte de pénétration, …), …Donc, les valeurs de ces paramètres jouent un rôle important dans le déploiement du réseau.

ASPECTS TECHNOLOGIES DU RESEAU MOBILE UMTS 

Historique

L’idée du réseau mobile est apparue vers 1921. Elle est fondée sur la radiotéléphonie. La transmission de la voix se fait à l’aide d’onde radioélectrique entre une station de base qui couvre une vaste zone géographique et le téléphone mobile de l’utilisateur. A cette époque, les réseaux mobiles étaient de type analogique. Les postes de l’utilisateur ont de grandes tailles, utilisable seulement dans les automobiles où son alimentation se fait sur la batterie du véhicule. Ensuite, le projet de « Bell System » a introduit le concept cellulaire vers 1947. Le territoire est divisé entre plusieurs stations de base qui ont chacune ses zones de couverture appelée cellule. Chaque base utilise un groupe de fréquences différent de ses voisines. Le mode numérique apparait sur les réseaux mobiles. A cet effet, la voix est échantillonnée, numérisée et transmise sous forme de bits, puis au niveau de la réception se fait la reconstitution du signal. La taille des téléphones mobiles se réduit considérablement à un format de poche .

Evolution du réseau mobile vers 3G

Le monde de la téléphonie ne cesse pas d’apporter des améliorations pour satisfaire les besoins des usagers. Ci-dessous les faits marquants de ces évolutions :

La première génération du réseau mobile : 1G
La première génération de la téléphonie mobile 1G est un système analogique. Il est apparu vers 1980. Les appareils utilisés sont volumineux. Il s’agissait principalement des standards suivants :

– ACS: version européenne du modèle AMPS.
– AMPS: apparu en 1976 aux Etats-Unis, constitue le premier standard de réseau cellulaire.
– ETACS: en 1985, la version améliorée du standard TACS est développée au Royaume-Uni.
– NMT : en 1981, le réseau cellulaire est aussi lancé dans les pays Nordique (Danemark, Suède, Norvège, Finlande) avec le NMT450 (NMT 450MHz).

La limitation de cette technologie est l’incompatibilité c’est-à-dire l’appareil usager ne fonctionne pas sur différent norme. La standardisation mondiale n’existe pas encore. Ainsi, le seul service offert est l’appel. Ce qui induit à chercher une amélioration dans le système mobile. D’où l’avenant de la deuxième génération .

La deuxième génération du réseau mobile : 2G
La seconde génération du réseau mobile2G est un système numérique. Il est apparu vers 1990. Les appareils mobiles deviennent portables. Avec 2G, les services appel, SMS, MMS, FAX sont disponibles.

Les principaux standards de téléphonie mobile 2G sont les suivants :
– GSM: Le GSM est un système cellulaire 2G normalisé par l’ETSI. Il est utilisé en Europe et supporté aux Etats-Unis. Ce standard utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz (DCS) en Europe. Aux Etats-Unis par contre, la bande de fréquence utilisée est la bande 1900 MHz. Ainsi, on appelle tri-bande, les téléphones portables pouvant fonctionner en Europe et aux Etats-Unis. Le débit maximal est de 12,2Kbps.
– CDMA: Le CDMA est un système cellulaire 2G qui utilise la technique d’étalement de spectre permettant de diffuser un signal radio sur une grande gamme de fréquences.
– TDMA : cette norme utilise la technique de découpage temporel des canaux de communication, afin d’augmenter le volume de données transmis simultanément. La technologie TDMA est principalement utilisée sur le continent américain, en Nouvelle Zélande et en Asie Pacifique.

Dans le but d’augmenter le débit offert aux usagers, deux évolutions majeures marquent le 2G :
➤ 2.5G : le GPRS est l’extension de la norme GSM afin d’améliorer le débit et d’introduire le service « data » (internet). Le débit maximal autorisé est de 171,2Kbps.
➤ 2.75G : l’EDGE est l’amélioration du débit de la norme GPRS pour introduire les applications multimédias. Le débit peut aller jusqu’à 384Kbps.

Ces évolutions apportent donc le nouveau service « data » dans la deuxième génération. La limitation de cette technologie réside encore dans son incompatibilité universelle. En effet, le standard utilisé en Europe est différent de ce en Japon et en Amérique. Le débit offert est encore non satisfaisant. D’où la troisième génération est apparue dans le marché .

La troisième génération du réseau mobile : 3G
Avec l’EDGE, le débit offert ne satisfait plus les besoins des utilisateurs. Le 3G apporte une nette augmentation de débit allant jusqu’à 2Mbps. Des nouvelles applications sont donc supportées : appel vidéo, vidéoconférence, streaming, shopping en ligne, service de localisation en temps réel….Ainsi, la standardisation universelle de système mobile est mise au point avec l’IMT2000 (standardisation apparue vers l’année 2000).

L’IMT2000 spécifie les caractéristiques de la 3G pour la compatibilité mondiale et la compatibilité des services mobiles de la 3G avec les réseaux de la 2G. Il existe plusieurs technologies 3G dans le monde. Chacune d’elles suivent les recommandations IMT2000. Suivant les continents, la norme utilisée est différente :

– CDMA-2000: norme utilisée en Amérique
– WCDMA: norme utilisée au Japon et Corée
– UMTS: norme utilisée en Europe et est basée sur la technologie WCDMA
– TD-SCDMA: norme utilisée en Chine .

Le 3G connu des phases d’évolution :
❖ 3.5G: le HSDPA est l’extension de la norme 3G. Elle apporte une amélioration radio dans le lien descendant qui permet d’offrir du haut débit allant jusqu’à 7,2Mbps (384Kbps en UL).
❖ 3.75G: le HSUPA est l’optimisation de l’HSDPA sur le lien montant (du mobile vers le réseau). Cette évolution permet le haut débit allant jusqu’à 2Mbps en voie montante (7,2Mbps en DL).

Le réseau mobile 3G : UMTS

Définition

L’UMTS est un système cellulaire 3G qui fait partie de la famille IMT-2000 et dont les spécifications techniques sont développées au sein de 3GPP. Il est surtout utilisé en Europe et est basé sur la technologie W-CDMA .

Technologie de base de l’UMTS

L’UMTS se base sur le W-CDMA, tandis que le W-CDMA se base sur le CDMA.

Le CDMA
Le principe de base du CDMA consiste à affecter à tous les utilisateurs en communication dans une même cellule la même fréquence au même moment, la discrimination entre les appels se faisant grâce à un codage selon un code différent pour chaque usager.

Ce codage est obtenu par le produit du signal à transmettre par une séquence de code. Le signal est ainsi transmis sur une bande de fréquences beaucoup plus large que la bande de fréquences nécessaire : on l’appelle étalement de spectre. Ce principe d’étalement de spectre est utilisé en technologie WCDMA .

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ASPECTS TECHNOLOGIES DU RESEAU MOBILE UMTS
1.1 Introduction
1.2 Historique
1.3 Evolution du réseau mobile vers 3G
1.3.1 La première génération du réseau mobile : 1G
1.3.2 La deuxième génération du réseau mobile : 2G
1.3.3 La troisième génération du réseau mobile : 3G
1.3.4 Tableau récapitulatif
1.4 Le réseau mobile 3G : UMTS
1.4.1 Définition
1.4.2 Technologie de base de l’UMTS
1.4.2.1 Le CDMA
1.4.2.2 Le WCDMA
1.4.2.2.1 Définition
1.4.2.2.2 L’étalement de spectre
1.4.2.2.3 Procédure de l’étalement de spectre
1.4.3 Fonctionnement l’UMTS
1.4.3.1 L’interface radio de l’UMTS
1.4.3.1.1 Canaux logiques
1.4.3.1.2 Canaux de transport
1.4.3.1.3 Canaux physiques
1.4.3.2 Le contrôle de puissance ou « Power Control »
1.4.3.2.1 Open loop power control
1.4.3.2.2 Closedloop power control
1.4.3.3 Le « Handover »
1.4.3.3.1 Définition
1.4.3.3.2 Types de handover
1.4.3.4 Services supportés
1.4.3.4.1 Classes de qualité de service
1.4.3.4.2 Services en mode circuit
1.4.3.4.3 Services en mode paquet
1.4.3.4.4 Services basés sur la localisation
1.4.3.4.5 Environnement « domestique virtuel » ou VHE
1.4.3.5 Avantages et contraintes
1.4.3.5.1 Avantages
1.4.3.5.2 Contraintes
1.5 Planification radio dans un réseau mobile
1.5.1 Définition
1.5.2 Objectif
1.5.3 Base de la planification radio dans un réseau mobile
1.5.3.1 La station de base BS ou site
1.5.3.1.1 Définition
1.5.3.1.2 Les éléments principaux dans la BS
1.5.3.1.3 La cellule
1.5.3.2 La station mobile MS
1.5.3.2.1 Définition
1.5.3.2.2 Eléments constitutifs
1.5.3.3 L’interface radio
1.5.4 Procédure de la planification radio dans un réseau mobile
1.5.4.1 Phase de recherche de nouveau site
1.5.4.2 Phase d’étude et de simulation radio
1.5.4.3 Phase de Survey
1.5.4.3.1 Définition
1.5.4.3.2 Procédure de Survey
1.5.4.4 Phase de draft et de validation
1.5.4.4.1 Définition
1.5.4.4.2 Procédure de draft
1.5.4.5 Phase finale de la planification radio dans un réseau mobile
1.5.5 La planification radio dans un réseau mobile
1.5.5.1 La propagation d’onde radio
1.5.5.1.1 Définition
1.5.5.1.2 Propriétés
1.5.5.1.3 Paramètres
1.5.5.2 Le bilan de liaison
1.5.5.2.1 Définition
1.5.5.2.2 Paramètres de calcul dans le bilan de liaison
1.5.5.3 Simulation de couverture et de capacité
1.5.5.4 Planification des paramètres
1.6 Optimisation radio dans un réseau mobile
1.6.1 Définition
1.6.2 Objectif
1.6.3 Phase d’exécution
1.6.4 Evaluation de la performance du réseau mobile
1.6.5 Base de l’optimisation radio du réseau mobile
1.6.5.1 Parcours de mesure ou « drive test »
1.6.5.1.1 Définition
1.6.5.1.2 Procédure de « drive test »
1.6.5.2 Système de gestion des statistiques réseaux
1.6.5.2.1 Définition
1.6.5.2.2 Objectif
1.6.6 Algorithme d’optimisation radio du réseau mobile
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 MODELISATION MATHEMATIQUEDU RESEAU MOBILE UMTS
2.1 Introduction
2.2 Modélisation mathématique de l’affaiblissement pour différents types de propagation
2.2.1 Propagation en “indoor”
2.2.1.1 Définition 2.1
2.2.1.2 Modèle mathématique de l’affaiblissement en « indoor »
2.2.2 Propagation en « outdoor to indoor » et « pedestrian »
2.2.2.1 Définition 2.2
2.2.2.2 Modèle mathématique de l’affaiblissement en « outdoor to indoor » et « pedestrian »
2.2.3 Propagation « vehicular »
2.2.3.1 Définition 2.3
2.2.3.2 Modèle mathématique de l’affaiblissement en « vehicular » ou macro-cellulaire
2.3 Modélisation mathématique de la capacité d’une cellule W-CDMA
2.4 Modélisation mathématique de la capacité d’un réseau mobile UMTS
2.5 Modélisation mathématique de facteur de charge
2.5.1 Facteur de charge en UL
2.5.2 Facteur de charge en DL
2.6 Modélisation mathématique de la puissance totale d’émission de la BS
2.7 Modélisation mathématique de l’interférence
2.7.1 Interférence en UL
2.7.2 Interférence en DL
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 PLANIFICATION ET OPTIMISATION RADIO DU RESEAU MOBILE UMTS
3.1 Introduction
3.2 Planification radio du réseau mobile UMTS
3.2.1 Principe de la planification radio du réseau mobile UMTS
3.2.2 Variation de la capacité d’une cellule en fonction de débit et de la qualité de service
3.2.2.1 Formule du nombre total d’usagers supporté par une cellule
3.2.2.2 Courbes de variation du nombre d’usagers supporté par une cellule
3.2.2.3 Capacité de la cellule pour différentes scénarios
3.2.3 Variation de la couverture d’une cellule en fonction de débit et de la qualité de service
3.2.3.1 Base d’étude de la couverture d’une cellule
3.2.3.1.1 Hypothèses
3.2.3.1.2 Bilan de liaison
3.2.3.1.3 Détermination de rayon de la cellule
3.2.3.1.4 Couverture d’un site
3.2.3.2 Courbes de variation de rayon de la cellule
3.2.4 Nombre de sites requis
3.2.4.1 Hypothèses
3.2.4.2 Nombre de cellules
3.2.5 Prédiction de capacité d’une cellule
3.2.5.1 Hypothèses
3.2.5.2 Calcul
3.2.5.3 Variation de la marge d’interférence et de facteur de charge d’une cellule
3.2.5.3.1 Service voix 12.2Kbps
3.2.5.3.2 Service data 64Kbps
3.2.5.3.3 Service data 384Kbps
3.2.5.3.4 Service data 2Mbps
3.3 Optimisation radio du réseau mobile UMTS
3.3.1 Base de l’optimisation radio
3.3.2 Optimisation de la charge d’une cellule
3.3.2.1 Paramètres radio
3.3.2.2 Optimisation de la charge d’une cellule
3.3.3 Optimisation de l’interférence
3.3.3.1 Paramètres radio
3.3.3.1.1 Facteur d’interférence intercellulaire
3.3.3.1.2 Facteur d’orthogonalité
3.3.3.2 Optimisation de l’interférence en UL
3.3.3.3 Optimisation de l’interférence en DL
3.3.4 Optimisation par rajout de capacité
3.3.5 Interface graphique d’optimisation
3.4 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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