LA MOBILITE A GRANDE VITESSE DANS UN RESEAU HOMOGENE WIMAX MOBILE

Topologies de réseau sans fil

Il existe essentiellement trois façons de configurer un réseau sans fil:
pont point-à-point : Comme nous le savons, un pont est utilisé pour connecter deux réseaux. Un pont point à point interconnecte deux bâtiments ayant différents réseaux. Par exemple, un pont LAN sans fil peut s’interfacer avec un réseau Ethernet directement à un point d’accès particulier.
Point-à-multipoint pont : Cette topologie est utilisée pour connecter trois ou plus de réseaux locaux qui peuvent être situés à différents étages dans un bâtiment ou dans les bâtiments.
Mesh ou réseau ad hoc : Ce réseau est un réseau local indépendant qui n’est pas connectées à une infrastructure câblée, et dans lequel toutes les stations sont raccordées directement à une autre.

La portée et le débit du WiMAX

             WiMAX est prévu d’offrir initialement jusqu’à 40Mbps de capacité par canal sans fil pour les applications fixes et portables, en fonction de la technique particulière de configuration choisie, assez pour soutenir des centaines d’entreprises et des milliers de résidences avec une connectivité à haut débit . WiMAX peut supporter la voix et vidéo ainsi que des données sur Internet. Il est capable de fournir un accès sans fil à large bande pour des bâtiments, soit en concurrence avec les réseaux câblés existant dans les zones rurales faiblement peuplées et actuellement non desservies. Il peut également être utilisé pour connecter les hots spots de réseau local sans fil à l’Internet. Il est également destiné à fournir de connectivité à haut débit pour les appareils mobiles. Les appareils mobiles ne sont pas aussi vite que les fixes, mais les caractéristiques attendues sont de l’ordre de 15Mbps de capacité sur une cellule de 3 km de zone de couverture. Avec le WiMAX, les utilisateurs peuvent vraiment avoir les accès à Internet d’aujourd’hui et être en mesure d’aller en ligne à haut débit, pratiquement partout où ils aiment, même à l’intérieur d’une zone de métro. WiMAX pourrait être déployé dans une variété de bandes de fréquences: 2,3 GHz-2,5 GHz ; 3,5 GHz -5,8 GHz.

Couche MAC du WiMAX

                  La fonction principale de la couche MAC [4], [5], [6], [7] du WiMAX est d’interfacer la couche transport supérieure avec la couche physique. Les paquets reçus de la couche directement supérieure sont appelés MAC SDU (Service Data Units). Ces paquets sont transformés en MAC PDU (Protocol Data Unit) au niveau du MAC pour la transmission à travers l’interface radio. La couche MAC se compose de trois sous-couches :
• La sous-couche « Service Specific Convergence » : Comme son nom l’indique, cette couche permet la convergence du trafic vers le protocole de transport approprié de la couche transport. Pour cela, elle définit deux services de convergence à savoir :
– La convergence ATM (Asynchronous Transfer Mode), destiné aux services ATM ;
– La convergence de paquets, définie pour faire la correspondance avec les services tels que IPv4 (Internet Protocol version 4), IPv6 (Internet Protocol version 6), Ethernet et VLAN (Virtual Local Area Network).
Les principales tâches de cette sous-couche se résument comme suit :
– Classifier les SDU selon leur priorité pour avoir une meilleure QoS ainsi qu’une allocation de bande passante efficace ;
– Supprimer les parties répétitives de l’en-tête des SDU et effectuer leurs reconstitutions à la réception. Ceci permet d’augmenter l’efficacité de la liaison radio.
• La sous-couche « Common Part » : La CPS est la sous-couche qui se situe entre la sous-couche CS et la sous-couche SS et constitue donc la partie centrale de la couche MAC. Elle est responsable des fonctions principales de la couche MAC comme par exemple l’établissement de connexion, la gestion de bande passante, etc. C’est au niveau de la CPS que sont définis les mécanismes d’accès multiple. En effet, La couche MAC du WiMAX est destinée à supporter une architecture point à multipoint dont la partie centrale est la station de base. Ce dernier est responsable de la gestion en simultanée de plusieurs entités indépendantes. La couche MAC du WiMAX est orientée connexion. En effet, pour tous les services offerts, chaque station doit s’enregistrer pour une connexion à laquelle est attribuée un unique identifiant CID de 16 bits. La CPS aura alors la charge de fournir la QoS aux flux de services associés à chaque connexion établie, et gérer l’ajout ou la suppression de celle-ci ainsi que le mécanisme d’allocation de bande passante.
• La sous-couche « Securité » : C’est la sous-couche inférieure de la couche MAC. Elle est responsable de tout ce qui est sécurité dans le système : authentification, cryptage de données, échange de clé de sécurité, etc. Contrairement au WiFi (Wireless Fidelity), le WiMAX a été conçu dès le début avec des méthodes de sécurisation très robuste. C’est pour cette raison qu’il peut assurer une protection efficace contre toute tentative d’accès illégal au réseau et garder ainsi les données dans leur état privé. Le WiMAX utilise comme standard de protection de données le protocole PKM (Privacy Key Management). Il a été amélioré pour s’adapter efficacement à la couche MAC du WiMAX. Pour cela, il combine les méthodes de cryptage connues pour leur robustesse comme le RSA (Ron Rivest, Adi Shamir et Len Adleman), l’AES (Advanced Encryption Standard).

Les Entités logiques et fonctionnelles

Station mobile (MS) : C’est l’équipement côté abonné, lui permettant d’accéder au réseau. Elle est l’équivalent du téléphone portable pour les réseaux cellulaires. Elle peut être soit un PDA (Personal Digital Assistant) ou un ordinateur portable équipé d’une carte puce WiMAX, etc.
Service d’accès réseau (ASN) : Le service d’accès réseau se réfère à un ensemble de fonctions de réseau fournissant l’accès radio au WiMAX MS. Les fonctions obligatoires qui doivent être fournies par l’ASN sont: La connectivité L2 et L3 avec WiMAX abonné, gestion de ressource radio (RRM), relais des messages AAA (Authentication, Authorization and Accounting), la découverte et sélection du réseau, la gestion de la mobilité, etc. Une ASN se compose d’une ou plusieurs stations de base BS et un ou plusieurs ASN Gateway (ASN-GW) :
– La station de base (BS) : C’est une des entités logiques qui intègre un exemple complet de couches MAC et PHY conforme à la norme applicables de série IEEE 802.16. C’est le responsable de la communication sans fil avec les abonnés.
– ASN Gateway (ASN GW) : Elément du réseau WIMAX qui agit comme une entité logique dans le système WIMAX. Il sert à représenter une agrégation du plan de contrôle des entités fonctionnelles avec la fonction correspondante dans l’ASN ou la fonction résidente dans le CSN, ou une autre fonction dans l’ASN.
– Fonctionnalités de l’ASN GW : Gère la mobilité, le Handover (transfert intercellulaire) et le forwarding. Il agit comme une passerelle. Il contrôle les ressources radio. Il renforce la QoS et la classification des fonctions et se charge de la gestion et de la sécurité.
Fonctions de l’ASN-GW :
a. Gestion de localisation et du Paging.
b. Serveur pour la session réseau et le contrôle de la mobilité.
c. Contrôle d’admission et mise en cache des profils d’abonnés, et des clés de chiffrement.
d. AAA (Authentification Authorization Accounting) client/proxy.
e. Fournit les fonctionnalités de l’agent étranger.
f. Routage IPv4 et IPv6 pour sélectionner le CSN.
Réseau de service de connectivité (CSN) : Le réseau de service de connectivité se réfère à un ensemble de fonctions de réseau qui fournissent les fonctions de connectivité IP aux abonnés WiMAX. Parmi les fonctions que le CSN peut offrir, nous trouvons: l’accès à Internet, la mobilité inter-ASN, le contrôle d’admission en fonction des profils d’utilisateurs, etc. Le CSN peut comprendre des éléments de réseau tels que les routeurs, AAA proxy / serveurs, bases de données utilisateur, etc.

Processus d’initialisation et d’entrée dans un réseau IEEE 802.16e

             Chaque SS est identifiée par une adresse MAC unique qui sera utilisée pour l’initialisation et l’entrée d’une SS dans un réseau IEEE 802.16e.
L’écoute du canal descendant (BS vers SS) et la synchronisation avec une BS : Si la SS s’est déjà connectée par le passé à un réseau IEEE 802.16e, elle utilise ces paramètres pour tenter de réacquérir ce canal descendant. Si cela échoue ou si la SS ne possède pas de tels paramètres, elle scanne les différents canaux descendants jusqu’à l’obtention d’un signal descendant valide qui va permettre à la SS et à la BS de se synchroniser au niveau physique.
L’obtention des paramètres de transmission sur les canaux montants (SS vers BS) et descendants : La couche MAC peut alors se synchroniser en obtenant au moins un message DLMAP. Elle restera synchronisée tant qu’elle continuera à recevoir les messages DL-MAP et DCD (Downlink Channel Descriptor) correspondant à ce canal. La SS doit alors attendre la réception d’un message UCD (Uplink Channel Descriptor) décrivant les paramètres de transmission d’un canal montant adaptés à ses besoins. Si elle n’en reçoit pas ou s’ils ne conviennent pas, elle cherchera un autre canal descendant. Si les paramètres conviennent, la couche MAC considérera le canal montant valide tant qu’elle recevra des messages ULMAP (Uplink map) et UCD.
La phase de « ranging » et d’ajustement des paramètres : La SS doit adapter ses paramètres de transmission (la puissance par exemple) en fonction de la BS. Pour cela, après réception d’un message UL-MAP, la SS va envoyer un message RNG-REQ (Ranging Request) auquel la BS va répondre par un RNG RSP (Ranging Response). Dans ce message, la BS va préciser les CIDs (Connection Identifiers) de deux paires de connexions dites « de gestion » (un CID pour chaque paire) associés à cette SS :
– Une « basique » utilisée pour échanger des messages MAC de gestion, courts et urgents.
– Une « primaire » utilisée pour échanger des messages MAC de gestion plus longs et plus tolérants en termes de délai.
– De plus, à chaque réception d’un message RNG-RSP, la SS doit ajuster ses paramètres de transmission et renvoyer un RNG-REQ jusqu’à ce que le RNG-RSP contienne la notification Ranging Successful.
La négociation des paramètres de base : La SS envoie à la BS un message SBC-REQ (SS Basic Capability Request) qui contient d’une part les propriétés de la SS dont la BS a besoin pour l’allocation de bande passante et d’autre part des informations telles que la puissance maximale de transmission et la puissance actuelle de transmission. La BS répond en validant ou non ces paramètres.
La phase d’autorisation et d’échange de clef (optionnelle) : Si l’option PKM (Privacy Key Management) est activée, la SS et la BS doivent réaliser cette phase avant l’enregistrement de la SS. Cette étape consiste donc à la réalisation du protocole PKM version 1 ou 2 qui, en résumé, est composé des étapes suivantes :
– La BS authentifie l’identité de la SS
– La BS fournit à la SS une AK (Authentication Key)
L’enregistrement de la SS : La SS a envoyé un message REG-REQ (Registration Request) à la BS en précisant si l’option PKM était activée. Une fois cette phase achevée, la BS répond par un message REG-RSP (Registration Response).
L’établissement de la connectivité IP : Cette étape se fait au travers de la connexion de gestion « secondaire ». Le protocole utilisé sera DHCP dans le cas d’une SS utilisant IPv4 et DHCPv6 ou IPv6 Stateless Address Autoconfiguration dans le cas de l’utilisation d’IPv6.

Le mode ralenti ou idle mode

                Si la MS ne transmet/reçoit du trafic de données pendant une certaine période de temps, son statut passe du mode éveillé au mode ralenti grâce à une procédure de radiation. La procédure de radiation peut être initiée soit par la MS (exemple, MS-initiée idle mode) ou de la BS (exemple, BS-initiée idle mode). Le mode ralenti est conçu pour permettre à la MS d’être ralenti pour la plus part du temps, mais devient périodiquement à la disposition de la messagerie du trafic de diffusion DL sans inscrire à aucune BS spécifique car la MS se déplace sur une vaste zone géographique peuplée de stations de base. Le mode ralenti restreint l’activité de la MS au balayage seulement à des intervalles discrets, de sorte qu’il bénéficie en levant toutes les charges nécessaires pour le handover et pour les opérations normales. Par conséquent, le mode ralenti permet à la MS pour économiser l’énergie et des ressources opérationnelles. D’autre part, le mode ralenti fournit une méthode simple et rapide pour alerter les MS au attente de trafic DL dirigée vers la MS, de sorte qu’il bénéficie du réseau et la BS en éliminant l’interface air et le réseau de transfert du trafic de la MS essentiellement inactif. Plus précisément, le mode inactif fonctionne de telle manière que la station mobile ne s’inscrit pas dans une BS notamment en se déplaçant d’une cellule à une autre, mais reçoit uniquement le trafic de diffusion de liaison descendante périodiquement. La différence du mode veille et le mode ralenti, qu’il n’effectue pas les fonctions nécessaires pour l’activation et le fonctionnement des communications mobiles, tels que le handover, mais effectue seulement l’opération de balayage pour une certaine période de temps discret. Cette opération limitée permet d’économiser de l’énergie du terminal et des ressources de fonctionnement. La MS et la BS échange des messages DREG-REQ/CMD pour effectuer cette opération. Le terminal et les stations de base dans le groupe de radiomessagerie support le renouvellement de la position de la MS en divisant le temps en temps d’inactivité et d’écouter, tout comme le cas du mode veille dans lequel le temps est divisé en temps de veille et de temps d’écoute. Lorsque la BS reçoit des paquets à transmettre à la MS dans l’état de repos, il diffuse un message d’appel pour accéder au terminal. Ce mode présente l’avantage de désactiver le processus d’handover qui consomme en puissance de la part du mobile et encombre de plus l’interface radio de la station de base tout en conservant la possibilité de pager le mobile et lui fournir des alertes en cas de provenance de trafic en DL.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : VUE D’ENSEMBLE DU RESEAU WIMAX
1.1 Introduction 
1.2 Les réseaux sans fil primaire 
1.2.1 Topologies de réseau sans fil
1.2.2 Technologies sans fil
1.2.3 Paramètres de performance des réseaux sans fil
1.2.4 Le WiFi et le WiMAX
1.3 Introduction à la technologie WiMAX 
1.3.1 Principe de fonctionnement
1.3.2 La portée et le débit du WiMAX
1.3.3 Limites du WiMAX
1.3.4 Les besoins d’utilisateur apporté par le WiMAX
1.4 Spécifications des interfaces radio WiMAX 
1.4.1 Standard de l’interface air IEEE 802.16
1.4.2 Structure en couche
1.4.2.1 Couche PHY du WiMAX
1.4.2.2 Couche MAC du WiMAX
1.5 Fonctionnalités 
1.6 QoS dans le WiMAX 
1.6.1 Connexion
1.6.2 Flux de service
1.6.3 Principe de la gestion de la QoS
1.7 Conclusion 
CHAPITRE 2 : LA TECHNOLOGIE WIMAX MOBILE
2.1 Introduction 
2.2 Modèle de référence du réseau WiMAX mobile 
2.2.1 Les Entités logiques et fonctionnelles
2.2.2 Domaine logique
2.2.3 Les points de références
2.2.4 Les profils d’interopérabilité de l’ASN
2.3 Couche physique définie par le standard IEEE802.16e 
2.3.1 Structure de trame
2.3.2 Signalisation montante de contrôle
2.3.3 Codage et Modulation Adaptatifs (AMC)
2.4 Couche MAC destiné pour le WiMAX mobile 
2.4.1 Protocole de changement de modulation
2.4.2 Mode Point à Multi-Point
2.4.3 Logique d’adressage
2.4.4 Mécanismes de demande de ressources
2.4.5 Ordonnancement
2.5 Caractéristiques techniques du WiMAX mobile 
2.6 WiMax mobile vs LTE 
2.7 Conclusion 
CHAPITRE 3 : GESTION DE LA MOBILITE A GRANDE VITESSE DANS UN RESEAU HOMOGENE WIMAX MOBILE
3.1 Introduction 
3.2 Description de l’architecture cellulaire d’un réseau WIMAX mobile 
3.3 Processus d’initialisation et d’entrée dans un réseau IEEE 802.16e 
3.4 Gestion de la puissance 
3.4.1 Le sleep Mode (ou mode veille)
3.4.1.1 Economie d’énergie classe type I
3.4.1.2 Economie d’énergie classe type II
3.4.1.3 Economie d’énergie classe Type III
3.4.2 Le mode ralenti ou idle mode
3.5 Gestion de la localisation 
3.5.1 Location update
3.5.2 Paging
3.6 Etude de la mobilité niveau 2 dans le WiMax mobile 
3.6.1 Généralité sur le Handover
3.6.1.1 Principales étapes d’un processus d’handover
3.6.1.2 Moment où le handover intervient
3.6.1.3 Différents types d’handover
3.6.2 Gestion d’handover dans le WiMAX mobile
3.6.2.1 Hard Handover IEEE 802.16e
3.6.2.2 Soft Handover IEEE 802.16e
3.6.2.2.1 Macro Diversity Handover
3.6.2.2.2 Fast Base Station Switching
3.7 Conclusion 
CHAPITRE 4 : SIMULATION D’HANDOVER NIVEAU 2 SOUS OPNET
4.1 Introduction 
4.2 Les outils de Simulation disponible pour le WiMAX
4.2.1 Description d’OPNET
4.3 Paramètres des simulations 
4.4 Modèle mathématique de certains paramètres 
4.4.1 Le modèle de propagation radio Two-Ray
4.4.2 Les technique de duplexage
4.4.3 La modulation multi-porteuse OFDM
4.4.4 Technique d’accès OFDMA
4.4.5 La Technologie MIMO
4.4.5.1 Modélisation du canal MIMO
4.4.5.2 Applications
4.4.6 Effet Doppler
4.4.7 Débit perçu par l’utilisateur en mobilité
4.5 Les paramètres de Qos de base de la simulation 
4.5.1 Le débit
4.5.2 Délai d’acheminement ou Delay
4.5.3 Taux de perte de paquet
4.5.4 Variation du délai/Gigue
4.6 Réalisation du projet sous Opnet Modeler 
4.6.1 Présentation de l’interface graphique
4.6.2 Configuration des équipements
4.6.2.1 Serveur
4.6.2.2 Configuration WiMAX mobile
4.6.2.3 Station de Base
4.6.2.4 Station mobile
4.6.2.5 Vitesse et coordonnés de chaque MS
4.7 Modèle des simulations et scénarios de mobilité 
4.7.1 Présentation du projet
4 .7.2 Interprétation des résultats obtenus durant la simulation
4.7.2.1 Le délai moyen d’acheminement (en anglais Delay)
4.7.2.2 La moyenne des taux de perte des paquets de type vidéo (visioconférence)
4.7.2.3 Le débit moyen Downlink
4.7.2.4 La moyenne des gigues
4.8 Conclusion 
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE1
ANNEXE 2
BIBLIOGRAPHIES
FICHE DE RENSEIGNEMENTS
RESUME
ABSTRACT

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