Dimensionnement et optimisation de la couverture radio

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Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE)

La technologie EDGE est issue de la constatation que, dans un système cellulaire, tous les mobiles ne disposent pas de la même qualité de transmission. En réalité, la technologie fait correspondre à chaque condition radio rencontrée le schéma de modulation et de codage, ou MCS (Modulation and Codage Scheme), le plus approprié en regard de la qualité de service requise sur la liaison. Elle a permis des débits de l’ordre de 240Kbit/s. La modulation utilisée est la modulation linéaire à huit états (3 bits par symbole) ou 8-PSK (Phase Shift Keying). L’architecture du réseau EDGE se repose en général sur une architecture GPRS existant mais il existe tout de même des modifications au niveau des entités du réseau d’accès pour supporter les nouvelles techniques utilisées [1] [2] [3].

La troisième génération (3G)

L’évolution des services mobiles vers des accès haut débit à l’internet mobile s’est engagée depuis le début des années 2000 par l’autorisation d’opérateurs de réseaux mobiles de troisième génération (3G), à la norme UMTS. L’utilisation des réseaux 3G est désormais largement répandue, accompagnée d’une augmentation constante de la diversité des services disponibles sur les mobiles et des performances des évolutions successives de l’UMTS. Ainsi la technologie HSPA, ou « 3G+ », permet à présent l’accès à des débits pics pouvant dépasser la dizaine de Mbit/s.

Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)

Elle utilise la technologie W-CDMA (Wideband CDMA) qui est basée sur une technique d’accès multiples CDMA et supporte les deux schémas de duplexage FDD (Frequency Division Duplex) et TDD (Time Division Duplex). Son débit maximal est limité à 384kbits/s dans le sens montant et descendant. Il connait donc deux évolution majeurs tels que le HSPA (High Speed Packet Access) et le HSPA+ (High Speed Packet Access +).
• Architecture.
L’architecture générale d’un réseau UMTS est composée de trois domaines:
– L’équipement usager : UE.
– Le réseau d’accès universel : UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network).
– Le réseau coeur : CN (Core Network).
Ces trois domaines réalisent des opérations spécifiques et sont séparés par des points de référence Uu et Iu qui jouent le rôle d’interface, c’est-à-dire une limite commune à deux systèmes permettant des échanges entre eux.

High Speed Packet Access (HSPA)

Il concerne le passage d’une commutation de circuit sur l’interface radio à une commutation par paquet où la station de base décide dynamiquement le partage des ressources entres les terminaux disponibles. En plus, il y a l’introduction de la modulation 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) en voie descendante offrant un débit jusqu’à 14,4Mbit/s et la modulation QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) en voie montante offrant un débit jusqu’à 5,8Mbit/s. Il existe deux variantes du HSPA tels que le HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) et le HSUPA (High Speed Uplink Packet Access).

High Speed Packet Access +

Il y a l’introduction de la modulation 64QAM en voie descendante et la modulation 16QAM en voie montante. Une cellule pouvait aussi transmettre des données à un utilisateur sur deux porteuses simultanément en voie descendante, à l’aide de la fonctionnalité DC-HSDPA (Dual Carrier – High Speed Downlink Packet Access) et permettant un débit théorique de 21Mbit/s en téléchargement, soit 42 Mbit/s en DC et jusqu’à 84Mbit/s en mode DC+MIMO 2×2; 11,5 Mbit/s en liaison montante avec des terminaux compatible [1] [2] [3].

La quatrième génération (4G)

Les services de communications mobiles sont en train de suivre la même évolution que celle des services fixes, c’est-à-dire une transition accélérée vers l’accès à très haut débit. Ce sont les réseaux 4G qui permettront de répondre aux demandes croissantes des usages mobiles, tant en termes de qualité des services offerts que de capacité d’écoulement du trafic par les réseaux.

La capacité

LTE vise à augmenter le nombre d’utilisateur simultané dans une même cellule et d’améliorer l’efficacité spectrale. On appelle cellule une zone couverte par un émetteur.

Nombre d’utilisateurs simultanés

Il est attendu qu’au moins 200 utilisateurs simultanés par cellules soient acceptés à l’état actif pour une largeur de bande de 5MHz, et au moins 400 utilisateurs pour les largeurs de bande supérieure. Le nombre d’utilisateurs en état de veille peut donc aller bien au-delà de ces nombres.

Efficacité spectrale cellulaire

L’efficacité spectrale cellulaire est le nombre de bits qu’une cellule peut transmettre par seconde et par Hertz(Hz). C’est le rapport entre le débit et la largeur de canal utilisé. En sens descendant, l’efficacité spectrale doit être trois à quatre fois supérieure à celle offerte par le HSPA au sein d’un réseau chargé, et deux à trois fois supérieure en sens montant.

Les débits

Le débit est un des aspects définissant la puissance des opérateurs de réseau mobile, perçu du point de vue consommateur. Le 3GPP a fixé les objectifs suivants en termes de débit pour la technologie LTE :
• un débit maximum instantané de 100 Mbit/s en considérant une allocation de bande de fréquence de 20 MHz pour le sens descendant.
• un débit maximum instantané de 50 Mbit/s en considérant aussi une allocation de bande de fréquence de 20 MHz pour le sens montant.

La latence

La latence d’un système est la capacité du système à répondre rapidement aux demandes d’utilisateurs ou de services. On distingue deux types de latence :
• La latence du plan contrôle : elle représente le temps nécessaire pour établir une connexion et accéder au service. L’objectif pour le LTE est d’avoir une latence inférieure 100 ms.
• La latence du plan usager : c’est le temps de transmission d’un paquet entre la couche IP de l’UE et la couche IP d’un nœud du réseau d’accès ou inversement. En d’autre terme, la latence du plan usager correspond au délai de transmission d’un paquet IP au sein du réseau d’accès. L’objectif pour le LTE est d’avoir une latence de plan usager inférieure à 5 ms dans des conditions de faible charge du réseau et pour des paquets IP de petite taille.

L’agilité en fréquence

La LTE s’opère sur des porteuses de différentes largeurs afin de s’adapter à des allocations spectrales variées. Les largeurs de bande sont les suivantes : 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz et 20 MHz dans les sens montant et descendant.

La mobilité

Le LTE vise à rester fonctionnel pour les UE se déplaçant à des vitesses élevées (350 Km/h voir même 500 Km/h en fonction de la bande de fréquence).
L’UE qui met en œuvre les technologies GSM et UMTS en complément du LTE doit être capable d’effectuer les handovers en provenance et à destination des systèmes GSM et UMTS. En plus, le temps d’interruption de service pendant un handover entre le système LTE et les autres systèmes doit rester inférieur à 300 ms pour les services temps réels et inférieur à 500 ms pour les autres services.

Architecture d’un réseau LTE

Architecture générale

L’architecture générale d’un système LTE est repartie en trois domaines : l’équipement utilisateur UE (User Equipment), le réseau d’accès E-UTRAN (Evolved-UMTS Terrestrial Access Network) et le réseau cœur EPC (Evolved Packet Core) [1]. La figure 2.01 illustre cette architecture

L’équipement usager : UE

La mise en œuvre du LTE nécessite de nouveaux équipements de réseaux, comme de nouveaux terminaux compatibles avec cette nouvelle technologie. Les équipements usagers compatible LTE sont des équipements travaillant sur le domaine IP. Ces équipements sont reliés avec la station de base par l’intermédiaire de l’interface Uu sur le lien radio.
Il existe 5 catégories d’UE qui se différencient par les modulations supportées, le nombre de couche spatiale permise et les débits maximums que ces équipements peuvent atteindre [4]. Le tableau 2.01 montre les différences entre les catégories d’UE.

Le réseau d’accès E-UTRAN

Il est composé d’un seul élément, c’est l’eNodeB. L’eNodeB est responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE. L’eNodeB dispose d’une interface S1 avec le réseau cœur qui se divise en S1-C (S1-Contrôle) entre l’eNodeB et la MME (Mobile Management Entity) et S1-U (S1-Usager) entre l’eNodeB et la SGW (Serving GateWay). Une nouvelle interface X2 a été définie entre les eNodeBs adjacents. Son rôle est de minimiser la perte de paquets lors de la mobilité de l’usager en mode actif (Handover) [4].

Le réseau cœur : EPC

Le cœur du réseau appelé « EPC » (Evolved Packet Core) utilise des technologies « full IP », c’est-à-dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation, le transport de la voix et des données qui permet des temps de latence réduits. Il assure l’enregistrement de l’UE au réseau et la mise à jour de sa localisation, le contrôle des appels, le contrôle de la sécurité, l’établissement des bearers et la gestion de l’interface avec le réseau externe [4]. Il est composé des éléments suivants .

Mobile Management Entity : MME

Le MME gère la signalisation entre l’UE et le réseau cœur, responsable de la gestion des liaisons entre un UE et un nœud logique du réseau cœur, gère aussi la sécurité entre le réseau et l’UE.

Serving Gateway: S-GW

Tous les paquets IP à destination d’un utilisateur sont transférés à travers le S-GW. Elle joue aussi quelques fonctions annexes au sein du réseau visité dans le contexte de roaming, telles que l’envoi d’informations pour la facturation.

Packet data network Gateway: P-GW

La PDN-GW a pour rôle principale d’allouer une adresse IP à l’UE. Elle supporte la fonction Deep Packet Inspection qui analyse les paquets du plan usager, identifie la nature des flux, applique les règles prédéfinies pour tous les clients en fonction de l’offre de service souscrite. Par ailleurs, elle permet la facturation par flux de données, conformément aux règles définies par le PCRF (Policy and Charging Rules Function). Enfin, la PDN-GW sert de point d’ancrage pour l’interfonctionnement avec d’autres technologies d’accès non 3GPP telles que CDMA2000 et WiMAX.

Home Subscriber Server: HSS

Le HSS contient les informations de souscription de l’utilisateur telles que le profil de QoS (Quality of Service) de l’abonné ou de restriction d’accès en itinérance. Il contient également les informations concernant les réseaux de données ou PDN (Packet Data Network) auxquels l’utilisateur peut se connecter. Par ailleurs, le HSS supporte des informations dynamiques telles que l’identité du MME auquel l’utilisateur est actuellement attaché. Il peut aussi intégrer le centre d’authentification AuC qui permet l’authentification des abonnés et fourni les clés de chiffrement nécessaires.

Policy and Charging Rules Function: PCRF

Le PCRF est un nœud optionnel au sein de l’architecture EPC. Toutefois, il permet d’appliquer des règles de gestions évoluées sur le trafic et la facturation de l’utilisateur en fonction de son offre. Pour mettre en œuvre ces règles, il communique avec le PCEF (Policy Control Enforcement Function), fonction intégrée à la P-GW. Le PCRF peut également indiquer lors de l’établissement d’une session ou en cours d’une session les caractéristiques de la qualité de service à appliquer par le PCEF.

L’interface radio du LTE

L’interface radio assure le rôle clé de transférer par la voie des airs les données issues de la couche IP associées au service demandé par l’utilisateur [1] [5].

Architecture de l’interface radio

L’interface radio est constituée du plan usager et du plan de contrôle. Ces deux plans sont matérialisés par des piles protocolaires qui partagent un tronc commun (la partie inférieure) et qui se distinguent notamment dans les interactions avec les couches supérieures. La figure 2.02 représente ces deux piles protocolaires.

Les couches protocolaires de l’interface radio

L’interface radio du LTE présente trois grandes couches : la couche physique ou la couche L1, la couche 2 ou couche L2 et la couche 3 ou couche RRC. Ces couches sont caractérisées par ses propres piles protocolaires.

La couche physique ou la couche L1

Cette couche, qui est la plus basse, a pour rôle principale d’assurer la transmission des données sous une forme capable de se propager dans l’air et de résister aux différentes perturbations. Elle réalise aussi le codage canal, la modulation, les traitements MIMO ainsi que la modulation multi-porteuse. Les opérations inverses sont effectuées par la couche physique en réception.
De plus, cette couche effectue des taches nécessaires à son fonctionnement et aux fonctionnements de la couche supérieure comme les mesures radio, la synchronisation, la détection de la présence d’une cellule et la signalisation d’informations de contrôle.

La couche 2 ou la couche L2

La couche 2 est constituée de trois sous-couches qui interviennent pour le transfert de données:
• PDCP (Packet Data Compression Protocol): C’est la couche responsable de la fonction de sécurité et de transfert de données comme la compression d’entête IP, le chiffrement de données, la suppression des doublons et enfin la remise en séquence des paquets.
• RLC (Radio Link Control): assure le contrôle du lien des données comme la retransmission des PDU (Protocol Data Unit) manquantes permettant la reprise sur erreur et la remise en séquence des PDU pour assurer l’ordonnancement des SDU (Service Data Unit) à la couche supérieure.
• MAC (Medium Access Control): Elle permet l’accès et l’adaptation au support de transmission grâce aux mécanismes correction d’erreur par retransmission HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest), l’allocation dynamique de ressource ou scheduling et la priorisation des flux sur les liens.

La couche 3 ou RRC (Radio Ressource Control)

Elle sert au contrôle de l’interface radio. Elle assure la diffusion et le décodage d’informations systèmes pour tous les équipements en mode veille, l’envoi et la réception de paging pour l’établissement d’appel destiné à un UE en mode veille, le contrôle des mesures de l’UE et le contrôle de la mobilité en mode veille.

Les canaux

Un canal permet d’identifier les types des données transportées sur l’interface radio, les caractéristiques de qualité de service associées, ainsi que les paramètres physiques liés à la transmission. Les canaux de l’interface radio sont des points d’accès aux services proposés par une couche N : ils permettent à la couche N+1 de délivrer à cette couche N des données qui devront être traitées (et éventuellement marquées) selon les spécificités du canal. On distingue :

Les canaux logiques

Ils opèrent entre les couches RLC et MAC, sont définis selon le type d’information qu’ils transportent (par exemple : signalisation du plan de contrôle ou données du plan usager). Les canaux logiques se séparent en canaux de contrôle et canaux de trafic. Les canaux logiques de contrôle sont:
• BCCH (Broadcast Control Channel), un canal commun en downlink, utilisé par le réseau pour broadcaster les informations systèmes de l’E-UTRAN à l’ensemble des terminaux présents dans une cellule radio (identifiant de la cellule, largeur de bande DL, etc…).
• PCCH (Paging Control Channel), un canal commun en downlink qui transmet les informations de paging aux terminaux présents dans une cellule.
• CCCH (Common Control Channel) utilisé pour la transmission de la signalisation, quand elle ne peut être transmise sur un canal dédié (DCCH). Ce canal est typiquement utilisé dans les premières phases de l’établissement de communication.
• DCCH (Dedicated control Channel), un canal point-à-point bidirectionnel qui supporte les informations de contrôle entre un terminal donné et le réseau. Il supporte uniquement les signalisations RRC et NAS (ex : message commandant à l’UE de réaliser un handover).
Le canal logique de trafic est le DTCH (Dedicated Traffic Channel), un canal point-à-point bidirectionnel utilisé entre un terminal donné et le réseau. Il porte les informations de trafic dédiées à un utilisateur.

Les canaux de transport

Ils opèrent entre la couche MAC et la couche physique et sont définis par la manière et les caractéristiques selon lesquelles les données sont transportées par l’interface radio. Les canaux de transports sont classifiés en deux catégories : les canaux de transport en downlink et les canaux de transport en uplink.
Les canaux de transport en downlink sont :
• BCH (Broadcast CHannel) : sert à la diffusion d’information sur la cellule.
• DL-SCH (Downlink Shared CHannel) : utilisé pour la transmission de données dédiées de contrôle et du plan usager.
• PCH (Paging CHannel) : utilisé pour diffuser les informations de paging sur l’ensemble de la cellule.
• RACH (Random Access CHannel) : utilisé pour l’établissement d’une connexion RRC avec la station de base et le rétablissement lors d’un handover.
• UL-SCH (Uplink Shared CHannel) : utilisé pour la transmission de données dédiées de contrôle et du plan usager.

Les canaux physiques

Ils sont utilisés par la couche physique. Un canal physique correspond à un ensemble d’éléments de ressource temps-fréquence. Un élément de ressource est une sous-porteuse d’un symbole OFDM dans la sous-trame.
Les canaux physiques en downlink sont :
• PDSCH (Physical Downlink Shared Channel): utilisé pour la transmission du DL-SCH et du PCH
• PBCH (Physical Broadcast Channel) : utilisé pour la transmission du BCH.
• PCFIC (Physical Control Format Indicator Channel) : Indique le nombre de symboles OFDM utilisés pour la transmission du PDCCH dans une sous-trame.
• PDCCH (Physical Downlink Control CHannel): utilisé pour la transmission d’information de contrôle.
• PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator CHannel): utilisé pour porter les acquittements d’HARQ.
• PUSCH (Physical Uplink Shared CHannel): utilisé pour la transmission de l’UL-SCH et porte également les informations de contrôle du PUCCH en cas de collision de ces deux canaux sur le même intervalle de temps.
• PUCCH (Physical Uplink Control CHanel): utilisé pour la transmission d’information de contrôle nécessaire à l’HARQ et à l’allocation de ressource.
• PRACH (Physical Random Access CHannel): utilisé pour porter le RACH.

Le mode de duplexage

Le duplexage définit la manière dont sont séparées les transmissions sur la voie descendante et sur la voie montante. La technologie LTE supporte les deux duplexages tels que le duplexage en fréquence ou FDD (Frequency Division Duplex) et le duplexage en temps ou TDD (Time Division Duplex).
En mode FDD, les voies montante et descendante opèrent sur deux fréquences porteuses séparées par une bande de garde. La figure 2.03 illustre le mode FDD.

Le dimensionnement de la couverture d’un réseau

Le dimensionnement d’un réseau est une analyse du réseau radio. Il offre une première évaluation du nombre d’éléments du réseau (nombre d’eNodeBs, et de cellules) [6]. Le but de la phase de dimensionnement est d’estimer la configuration des sites en se basant sur les paramètres suivants
– les informations concernant la zone à couvrir.
– le calcul du bilan de liaison.
– le choix du modèle de propagation.
– l’estimation des rayons des cellules, du nombre de cellules et des équipements nécessaires.
L’analyse de la couverture est l’étape la plus critique dans la conception d’un réseau. La mauvaise couverture provoque une élévation de taux d’échec d’accès, taux de coupure de communication, etc. Elle consiste à :
– établir le bilan de liaison radio pour aboutir à l’affaiblissement maximal de parcours (MAPL) Maximum Allowable Path Loss.
– Choisir le modèle de propagation adéquat pour déterminer le rayon de la cellule.
– Déduire le nombre nécessaire de sites pour couvrir la surface de déploiement considérée.

Choix du modèle de propagation

C’est une formule mathématique utilisée pour caractériser la propagation de l’onde radio entre l’émetteur et le récepteur. On fait recours à un modèle de propagation dans le but d’estimer la valeur de l’atténuation de parcours. Cette formule dépend de plusieurs facteurs :
– La fréquence de l’onde.
– La distance parcourue par l’onde.
– Les hauteurs des antennes de l’émission et de la réception.
– Le type de terrain..
– Le clutter (caractéristiques et densité de bâtiment).
Puisque plusieurs modèles de propagation ont été définis, nous allons présenter quelques modèles fréquemment utilisés dans les réseaux cellulaires..

Le modèle d’Okumura Hata

Il tient compte de la fréquence, de la distance entre l’émetteur et le récepteur et de la hauteur de la station de base et du mobile. Il prend en considération également la nature de l’environnement en qualifiant son degré d’urbanisation (urbain, urbain dense, sous urbain, rural). Le modèle Okumura Hata est applicable pour les paramètres suivants:
Fréquence (F) : [150-1500] MHz.
Hauteur de la station de base : 30 m ≤ hb ≤ 200 m.
Hauteur de la station mobile : 1 m ≤ hm ≤ 10 m.
Distance de transmission : 1 Km ≤ d ≤ 20 Km.

Table des matières

CHAPITRE 1 EVOLUTION DES RESEAUX CELLULAIRES
1.1 Introduction
1.2 Le concept cellulaire
1.3 Les évolutions technologiques des réseaux cellulaires
1.3.1 La première génération (1G)
1.3.2 La deuxième génération (2G)
1.3.3 La troisième génération (3G)
1.3.4 La quatrième génération (4G)
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 LA TECHNOLOGIE LTE
2.1 Introduction
2.2 Les exigences du LTE
2.2.1 La capacité
2.2.2 Les débits
2.2.3 La latence
2.2.4 L’agilité en fréquence
2.2.5 La mobilité
2.3 Architecture d’un réseau LTE
2.3.1 Architecture générale
2.3.2 L’équipement usager : UE
2.3.3 Le réseau d’accès E-UTRAN
2.3.4 Le réseau coeur : EPC
2.4 L’interface radio du LTE
2.4.1 Architecture de l’interface radio
2.4.2 Les couches protocolaires de l’interface radio
2.4.3 Les canaux
2.4.4 Le mode de duplexage
2.4.5 Structure de la trame de l’interface radio
2.4.6 Les méthodes d’accès
2.4.7 La technologie MIMO
2.4.8 Allocation de ressource
2.4.9 La modulation et le codage adaptifs
2.5 Les services offerts
2.6 La qualité de service
2.7 Conclusion
CHAPITRE 3 Dimensionnement et optimisation de la couverture radio
3.1 Introduction
3.2 Le dimensionnement de la couverture d’un réseau
3.3 Optimisation de la couverture
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 DIMENSIONNEMENT DU RESEAU LTE DE VONTOVORONA
4.1 Introduction
4.2 Le logiciel Atoll
4.2.1 Présentation de l’interface de travail d’Atoll
4.2.2 Les étapes à suivre pour le dimensionnement de couverture sous Atoll
4.3 Dimensionnement de la couverture de Vontovorona sous Atoll
4.3.1 Zone de déploiement
4.3.2 Calcul du nombre de sites nécessaire
4.3.3 Emplacement du site
4.3.4 Configuration du site
4.3.5 Prédiction
4.3.6 Interprétation
4.3.7 Optimisation
4.4 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1: LES METHODES D’ACCES MULTIPLE
ANNEXE 2: LES MODULATIONS NUMERIQUES
ANNEXE 3: INFRASTRUCTURE D’UN SITE RADIO MOBILE
BIBLIOGRAPHIE

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