La technologie d’accès radio : le W-CDMA

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Les services offerts par l’UMTS [10]

Les systèmes de la deuxième génération ont été conçus, à l’origine, pour une transmission efficace des services voix. L’UMTS, par contre, a été désigné pour une transmission flexible de tout type de services où chaque nouveau service ne requiert aucune optimisation particulière du réseau.

Les services présents aux anciennes générations

Le GSM offre différents services en fonction des quatre catégories de qualité de service (QoS) :
– Catégorie conversationnelle (voix) ;
– Catégorie de flux continu ou streaming (multimédiaaudio) ;
– Catégorie interactive (WEB/WAP, jeux vidéo en ligne, accès aux bases de données) ;
– Catégorie d’arrière‐plan (email, SMS, téléchargement).

Les services proposés par l’UMTS

L’UMTS offre différents services en fonction des quatre catégories de qualité de service (QoS) :
– Catégorie conversationnelle (voix, visiophonie) ;
– Catégorie de flux continu ou streaming (multimédia,vidéo à la demande, webcast)
– Catégorie interactive (WEB/WAP, jeux vidéo en ligne, accès aux bases de données)
– Catégorie d’arrière‐plan (email, SMS, téléchargement).

Désignation des services proposés

Détaillons l’ensemble de ces services pour les quatre catégories décrites ci-dessus. Les éléments en gras correspondent aux nouveautés de la technologie 3G.

Catégorie conversationnelle

– La voix : ce type de communication est le fondement de la téléphonie. Sans voix, il n’y aurait pas de téléphone.
– La visiophonie : ce type de communication permet de voir le correspondant à travers son combiné tout en discutant. La visiophonie nécessitenéanmoins un débit assez important comparé au débit de la voix.

Catégorie de flux continu ou streaming

– Multimédia: ce service permet d’accéder à des contenus de type audio, vidéo en streaming. Cela permet de regarder la TV, des films sans avoir à les télécharger sur le mobile puis à les regarder (remarque : possible avec l’EDGE aussi); le flux est mis en mémoire tampon et est lu directement. On notera d’ailleurs pour la 3G, une modification de la connexion au WAP/WEB sur un temps et non plus une quantité.
– VoD (Vidéo à la Demande) : ce service permet à l’usager, à n’importe quel mo ment, de pouvoir regarder le film de son choix. Ce service existe sur les connexions internet de type Home, et, grâce à l’augmentation des débits, sur le portable avec l’UMTS.
– Webcast : ce service n’est autre que l’envoi des services m ultimédia en streaming. Il est difficilement gérable de son mobile. Le flux provient de serveurs WEB. Ce service n’est autre que du monitoring.

Catégorie interactive

– WEB/WAP : ce service permet d’accéder à l’internet mobile et l’internet pc.
– Jeux vidéo en ligne: ce service permet de jouer contre ou avec d’autres adversaires en ligne. Ce service est similaire aux services développés pour les salles de jeux en réseaux.
– Accès aux bases de données: ce service permet d’accéder aux bases de donnéesdu monde entier depuis son mobile.

Catégorie d’arrière-plan

– Email : ce service permet d’envoyer et de recevoir ses emails depuis votre mobile. Il est nécessaire de disposer d’un compte messagerie internet pour pouvoir y avoir accès.
– MMS : pour Multimédia Messaging, ce service permet d’envoyer des images qui sont conçu comme un service de SMS.
– SMS : pour Short Message Service, ce service permet d’envoyer des mini messages à n’importe quel numéro mobile, et, depuis quelques temps, à n’importe quel numéro fixe aussi.
– Téléchargement: ce service permet d’obtenir n’importe quel fichie r depuis le WEB ou le WAP pour l’enregistrer sur votre mobile.

Architecture du réseau UMTS [10] [15]

Le réseau UMTS se divise en deux domaines : le domaine équipement utilisateur (UE : User Equipement) et le domaine infrastructure. Le domaine infrastructure comporte deux parties : le réseau d’accès radio RAN( : Radio Access Network) et le réseau cœur ( CN : Core Network). La figure suivante présente l’architecture d’un réseauUMTS :
Figure 1.01 architecture du réseau UMTS.

L’équipement usager (UE) [15]

Dans un terminal UMTS, l’utilisateur est appelé UE (user equipment). Il est composé de :
– Mobile Equipment (ME) : partie fonctionnelle de l’UE chargée de la transmission radio et des procédures associées ; elle est composée de l’équipement terminal (TE) et de la terminaison mobile (MT).
– Mobile Termination (MT) : partie de l’UE qui effectue des fonctions spécifiques à la transmission et à la réception sur l’interface radio.
– Terminal Equipment (TE) : partie de l’UE les données de l’application ont générées en émission ou traitées en réception.
– Universal Integrated Circuit Card (UICC) : carte à puce dotée de caractéristiques électromécaniques standardisées et qui contient aumoins une USIM.
– Universal Subscriber Identity Module (USIM) : c’est l’équivalent de la carte SIM en GSM. Il fournit l’identité de l’abonné, établit les algorithmes d’authentification, enregistre les clefs d’authentification et de cryptage,…etc.
Remarque : l’UICC peut contenir une application USIM et SIM, ce qui peut permettre son utilisation aussi bien dans un réseau UMTS que GSM . D’ailleurs, les mécanismes permettant l’accès à un réseau GSM peuvent être directement imbriqués dans l’USIM.
Figure 1.02: L’équipement usager.

Le réseau d’accès UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network) [10]

Le réseau d’accès terrestre de l’UMTS s’appelle UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Un UTRAN est constitué d’un ou plusieurs RNS (Radio Nework System). Chaque RNS est formé d’un RNC (Radio Network Controller) et d’un ou plusieurs Nœuds B.

Le RNC [10]

Le RNC contrôle les ressources radio de l’UTRAN et gère le protocole RRC (Radio Ressource Control) définissant les procédures et les messages entrele mobile et l’UTRAN. Il est en liaison avec le réseau cœur pour les transmissions en mode paquet à travers l’interface Iu/PS et en mode circuit à travers l’interface Iu/CS. Le RNC directement relié à un Nœud B par l’interf ace Iub est un CRNC (Controlling RNC), il gère :
– Le contrôle de la charge des différents Nœuds_B.
– Le contrôle d’admission et d’allocation des codes p our les nouveaux liens radio qui s’établissent dans les cellules gérées.
Lorsqu’un mobile est lié à des Nœuds_B contrôlés pa r différents RNC, deux types de RNC se distinguent : Le SRNC (Serving RNC) et le DRNC (Drift RNC).
Le SRNC est le RNC qui fournit la connexion Iu pour le mobile vers le réseau cœur. Lorsque le mobile est en situation de Soft Handover, plus qu’une liaison Iub et une liaison Iur sont établies. Seul le SRNC fournit l’interface Iu vers le CN. Les autres ont pour fonction principale de router les donnés de façon transparente. Ces RNC sont appelés alors DRNC. La figure ci-dessous illustre le SRNC et le DRNC.
C’est l’équivalent du BTS dans le réseau GSM. Ses onctionnalitésf principales sont: gérer la couche physique de l’interface radio, administrer le codage canal, l’entrelacement, l’adaptation du débit, l’étalement et le désétalement. Il est aussiresponsable du contrôle de puissance en boucle fermée. L’interface mobile / Nœud B est dite interf ace Uu [10].
L’interface entre le réseau de cœur de l’UMTS et le réseau d’accès, est appeléIu. Cette interface a été définie d’une manière aussi polyvalente que possible, afin de pouvoir connecter n’importe quel type de réseau d’accès de technologies différentes(BRAN, SRAN, etc.), au réseau cœur de l’UMTS. Cette notion est très importante car elle signifie, que l’UTRAN, bien qu’étant le réseau d’accès de l’UMTS, n’est qu’une des alternatives d’ accès à la voie radio.

Le réseau cœur (CN : Core Network) [15]

Le réseau cœur est responsable de la commutation et du routage des communications (voix/données) dans le même réseau ou vers les réseaux externes. Il se décompose en deux parties : le domaine paquet et le domaine circuit.

Le domaine circuit [15]

Ce domaine permet de gérer les services temps réelstels que les appels téléphoniques, la visioconférence et les applications multimédias. Ces applications exigent un temps de transfert très réduit. Le débit supporté par ce mode peut arriver jusqu’à 384 kbits/s.
L’infrastructure pour le domaine circuit s’appuie s ur un MSC/VLR (Mobile Switching Center / Visitor Location Register) correspondant à un commutateur téléphonique au quel est rattaché une base de données pour les abonnées visiteurs de la onez de service de ce MSC et sur un GMSC (Gateway MSC), pour la commutation vers les réseaux externes tel que le RTCP (Réseau Téléphonique Commuté Publique).

Le domaine paquet [15]

Ce domaine traite les services non temps réels telsque le téléchargement des fichiers ou des E-mails, les jeux en réseau, la navigation sur le web…etc. Le temps de transfert pour ce type d’applications n’est pas important. Le débit pourra atteindre 2 Mbits/s. Le réseau IP est basé sur un SGSN (Serving GPRS Support Node) jouant le même rôle que le MSC/VLR en mode paquet et un GGSN (Gateway GPRS Support Node) pour faire transiter les données vers les réseaux externes de transmission de données, et négocier laqualité de service réseau avec un serveur de politique tel que COPS (Common Open Policy Server).
On trouve le HLR (Home Local Register), comme un élément commun aussi bien pour le domaine paquet que pour le domaine circuit. Il s’agit d’une base de données contenant les profils et toutes informations concernant les abonnées.

Les interfaces radio [5]

La spécificité à signaler dans le cadre de l’UMTS est que les interfaces sont ouvertes c’est-à-dire que les équipements de tous les constructeurs peuvent fonctionner et s’interopérer à condition qu’ils respectent la norme.
On note quatre interfaces :
L’interface Uu : c’est l’interface radio de l’UMTS. A travers cett e interface les mobiles peuvent accéder au réseau.
L’interface Iub : c’est l’interface entre le Node B et le RNC, c’est l’équivalent de l’interface A_bis en GSM.
L’interface Iur : c’est une nouvelle interface entre deux RNCs et elle est nécessaire pour le mécanisme du Soft Handover.
L’interface Iu : cette interface permet à l’UTRAN de communiquer ave c le réseau cœur. On distingue l’interface Iu-CS, entre RNC / d omaine circuit et l’interface Iu-PS reliant le RNC avec le SGSN.

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons évoqué l’historique,esl services, l’architecture et les fonctionnalités du réseau UMTS. Dans une deuxième étape, nous avonsfait un aperçu général sur les interfaces radio. Dans le chapitre qui suit, on va étudier d’une façon plus détaillée cette interface radio de l’UMTS.

ETUDE DE L’INTERFACE RADIO DE L’UMTS

L’interface radio de l’UMTS doit être conçue pour supporter une large gamme de services ème différents, avec notamment des débits supérieurs ceuxà offerts par le GSM. Les systèmes de 3 génération devront offrir des services à accès circuit ou paquet, avec un débit maximal dépendant de l’environnement et de la vitesse des mobiles. Des services à débit variable et asymétrique (entre liaison montante et descendante) devront être supportés de façon efficace.

La technologie d’accès radio : le W-CDMA [5] [10] [17]

L’étalement de spectre à séquence directe (DS-SS) [5] [17]

Principe de base de l’étalement [5] [17]

Deux techniques d’accès sont utilisées avec l’UMTS .Le WCDMA et le TD-CDMA. Dans notre étude, nous nous intéressons uniquement à la premiè technique.
Il consiste, comme son nom l’indique, à étaler sur une largeur de bande donnée le spectre d’un signal. Il existe des variantes de méthodes pour étaler le spectre d’un signal. Il y a l’étalement de spectre à séquence directe et l’étalement de spectre par saut de fréquence. Mais on va voir par la suite l’étalement de spectre par séquence directe dans la mesure où c’est ce type qui est utilisé dans le W-CDMA.
Le principe consiste à multiplier au sens mathématique du terme chaque bit à transmettre par un code pseudo-aléatoire PN (Pseudo random Noise code) propre à chaque utilisateur. La séquence  du code (constituée de N éléments appeléschips » ») est unique pour un utilisateur donné; elle est conservée si le symbole de donnée valait 1, inversésinon. Autrement dit, chaque bit « 1 » du signal de données est remplacé par une séquence code à M « chips » et chaque bit « 0 » par la séquence complémentaire.
Soit D le débit des données etDn le débit des « chips ». Après étalement, le signalpasse du débit D au débit Dn et voit ainsi son spectre élargi. Le rapport L Dn peut être interprété comme un D gain de traitement ou le facteur d’étalement.
Si chaque symbole a une durée Tb, on a 1 chip toutes les Tb/N secondes. Le nouveau signal modulé a un débit N fois plus grand que le signalnitialement envoyé par l’usager et utilisera donc une bande de fréquences N fois plus étendue.La relation entre le débit initial et final est donc : débitchip = débit bit x L

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 INTRODUCTION A UMTS
1.1. Historique de la téléphonie mobile
1.2. Objectif de l’UMTS
1.3. Les services offerts par l’UMTS
1.3.1. Les services présents aux anciennes générations
1.3.2. Les services proposés par l’UMTS
1.3.3. Désignation des services proposés
1.3.3.1. Catégorie conversationnelle
1.3.3.2. Catégorie de flux continu ou streaming
1.3.3.3. Catégorie interactive
1.3.3.4. Catégorie d’arrière-plan
1.4. Architecture du réseau UMTS
1.4.1. L’équipement usager (UE)
1.4.2. Le réseau d’accès UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network)
1.4.2.1. Le RNC
1.4.2.2. Le Noeud_B
1.4.3. Le réseau coeur (CN : Core Network)
1.4.3.1. Le domaine circuit
1.4.3.2. Le domaine paquet
1.5. Les interfaces radio
1.6. Conclusion
CHAPITRE 2 ETUDE DE L’INTERFACE RADIO DE L’UMTS
2.1. La technologie d’accès radio : le W-CDMA
2.1.1. L’étalement de spectre à séquence directe (DS-SS)
2.1.1.1. Principe de base de l’étalement
2.1.1.2. Propriétés des codes
– Notion d’orthogonalité des codes :
2.1.1.3. Principe de desétalement
2.1.1.4. Les performances du W-CDMA
2.2. Organisation en temps et en fréquence
2.2.1. Organisation fréquentielle
2.2.1.1. Le mode de duplexage FDD (Frequency Division Duplex)
2.2.1.2. Le mode de duplexage TDD (Time Division Duplex)
2.2.2. Organisation temporelle
2.3. Structure des trames
2.3.2. Structure de trame de la liaison montante
2.3.3. Structure de trame de la liaison descendante
2.4. Les codes utilisés dans l’UTRAN
2.4.1. Les codes de canalisation
2.4.2. Les codes d’embrouillage
2.5. La technique d’accès multiple à répartition par code (AMRC, CDMA)
2.5.1. La modulation CDMA à séquence directe (DS-CDMA)
2.6. Transmission sur les liaisons
2.6.1. Transmission sur la liaison montante
2.6.2. Transmission sur la liaison descendante
2.7. Caractéristiques
2.8. Les contraintes de la propagation
2.8.1. Les trajets multiples
2.8.2. Le Fast-Fading
2.8.3. L’effet near-far
2.9. Les mécanismes de gestion des ressources radio
2.9.1. Le contrôle de puissance
2.9.1.1. Mécanismes de contrôle de puissance
2.9.1.2. Contrôle de puissance sur le sens montant (contrôle de la puissance du mobile)
2.9.1.3. Contrôle de puissance sur le sens descendant
2.9.2. Le handover
2.9.2.1. Le softer handover
2.9.2.2. Le soft handover
2.9.2.3. Le hard handover
2.9.3. Le contrôle d’admission
2.9.3.1. La stratégie de contrôle d’admission basée sur la puissance
2.9.3.2. La stratégie de contrôle d’admission basé sur le débit maximal
2.10. Conclusion
CHAPITRE 3 LA PLANIFICATION DU RESEU UMTS
3.1. Concepts généraux
3.1.1. Evaluation des interférences
3.1.1.1. Interférences intracellulaires
3.1.1.2. Interférences extracellulaires
3.1.2. Couverture et capacité
3.1.2.1. Capacité
3.1.2.2. Couverture
3.1.2.3. Macro-diversité
3.2. La planification du réseau
3.2.1. Le dimensionnement
3.2.1.1. Bilan de liaison et portée d’un site UMTS
3.2.1.2. Calcul de la capacité en UMTS
3.3. Conclusion
CHAPITRE 4 LA CAPACITE ET LA COUVERTURE EN UMTS
4.1. La capacité en UMTS
4.1.1. La capacité sur le lien descendant
4.1.1.1. Calcul de la puissance
4.1.1.2. Densité d’interférence et noise rise
4.1.1.3. Charge et capacité pôle
4.1.2. La capacité sur le lien montant
4.1.2.1. Calcul de la puissance
4.1.2.2. Le facteur de charge et capacité sur le lien montant du réseau UMTS
4.1.2.3. Le noise rise
4.1.2.4. L’interférence sur le lien montant
4.1.2.5. Le bruit thermique
4.2. Conclusion
CHAPITRE 5 SIMULATION SOUS JAVA
5.1. Environnement informatique de développement
5.2. Le langage de développement Java
5.3. L’environnement de développement Eclipse
5.4. Développement de l’outil
5.4.1. Présentation de l’U-CCS
5.4.2. Exemple de simulation : le contrôle de puissance
5.4.3. Effet de la puissance de la station de base
5.4.4. Effet de l’ajout d’une autre porteuse
5.4.5. Origine des interférences de canal adjacent
5.4.6. Enregistrement des résultats
5.5. Conclusion
CONCLUSION
ANNEXES
ANNEXE 1 : Les différents canaux de l’UMTS
ANNEXE 2 : Codes sources
BIBLIOGRAPHIE
FICHE DE RENSEIGNEMENTS

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