MOBILITE DES UTILISATEURS DANS LTE ET CANAL RADIO MOBILE

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Réseau cœur

SAE est le nom du projet, EPC est le nom du réseau cœur évolué. EPC est un réseau cœur paquet tout IP. Tous les services devront être offerts surIP y compris ceux qui étaient auparavant offerts par le domaine circuit tels que la voix, la visiophonie, le SMS, tous les services de téléphonie. Les principaux éléments de l’EPC sont [1] [4] [5] :

MME

MME est responsable de la gestion de la mobilité et l’authentification des utilisateurs. Elle est responsable aussi du Paging lorsque l’utilisateur est en état inactif. Elle sélectionne les composants dédiés aux types de la communication de l’utilisateur. Elle gère le Handover inter-domaines et inter-réseaux. Et enfin elle s’occupe de la signalisation.

SGW

SGW joue le rôle d’une passerelle lors du Handover inter-domaines et inter-réseaux. C’est le SGW qui est le responsable du routage des paquets.

PGW

PGW est le point d’entrée et de sortie du trafic d’un UE et permet une connexion entre les réseaux 3GPP et non-3GPP. De plus, il est responsable de l’allocation des adresses IP pour l’UE, le filtrage des paquets pour chaque utilisateur, et le support de la tarification d’une session. P-GW peut se connecter avec le Public Switched Telephone Network (PSTN) grâce à l’Internet Protocol Multemedia Subsystem (IMS, architecture fournissant des services multimédias fixes ou mobiles).

HSS

HSS est une base de données, évolution du Home Location Register (HLR) introduits dans les réseaux deuxième génération (2G) et 3G. Elle contie les informations de souscriptions pour les réseaux Global System for Mobile Communications (GSM), General Packet Radio Service (GPRS), 3G et LTE.

Canaux physiques

On peut distinguer les canaux physiques en liaison descendante et les canaux physiques en liaison montante [4][6].

Liaison descendante

· Physical Broadcast Channel (PBCH) : transporte les informations systèmes, pour les UE, nécessaires pour accéder au réseau.
· Physical Downlink Control Channel (PDCCH) : transporte principalement l’ordonnancement de l’information.
· Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : informe l’UE sur le nombre de symboles OFDM utilisé pour le PDCCH dans une sous-trame.
· Physical Hybrid Automatic Repeat Request Indicator Channel (PHICH) : indique le statut Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ).
· Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) : utilisé pour l’unicast et les fonctions de paging.
· Physical Multicast Channel (PMCH) : transporte les informations systèmes à des fins de multicast.

Liaison montante

· Physical Uplink Control Channel (PUCCH) : envoie des accusés ARQ.
· Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) : analogue du canal PDSCH
· Physical Random Access Channel (PRACH) : utilisé pour les fonctions d’accès aléatoire (Random Access).
En plus de canaux physiques, la couche physique utilise des signaux physiques qui sont :
· Signaux de référence (Reference signals) : un seulsignal est transmit par port d’antenne downlink,
· Signaux de synchronisation (synchronization signals) : divisé en signaux primaire et secondaire de synchronisation.

Canaux de transport

On peut citer les canaux de transport en liaison descendante et les canaux de transport en liaison montante [4][6].

Liaison descendante

· Broadcast Channel (BCH) : ce canal mappe au BCCH
· Downlink Shared Channel (DL-SCH) : c’est le canal principal pour le transfert de données en liaison descendante. Il est utilisé parde nombreux canaux logiques.
· Paging Channel (PCH) : utilisé pour transmettre lePCCH.
· Multicast Channel (MCH) : utilisé pour transmettre les informations MCCH afin d’établir les transmissions multidiffusion.

Liaison montante

· Uplink Shared Channel (UL-SCH) : c’est le canal principal pour le transfert de données en liaison montante. Il est utilisé par de nombreuxcanaux logiques.
· Random Access Channel (RACH) : utilisé pour les conditions d’accès aléatoire.

Couche physique pour LTE

La couche physique de LTE utilise deux méthodes d’accès : en voie descendante, la méthode d’accès OFDMA et en voie montante, le SC-FDMA.
LTE utilise 3 schémas de modulation pour les sous-porteuses : QPSK, 16-QAM et 64-QAM avec 2, 4 et 6 bits par symbole. La modulation 64 QAM est optionnelle pour la voie montante. Le choix du type de modulation s’opère de manière dynamique au moyen d’une programmation temporelle sélective par la gestion des ressources radio sur la base de la qualité momentanée du canal radio signalée par le terminal.
L’avantage de cette couche physique est la possibilité d’allouer des blocs de sous-porteuses, en fréquence et en temps aux utilisateurs.

Schémas Duplex

Il est essentiel que tout système de communication cellulaire doit être capable de transmettre dans les deux directions simultanément (montante et descendante). Afin d’être en mesure de transmettre dans les deux sens, un UE ou une station de base doit disposer d’un schéma duplex. Il existe deux formes de duplex qui sont couramment utilisés :
· Frequency Division Duplex (FDD) : Division de Fréquence Duplex.
· Time Division Duplex (TDD) : Division de Temps Duplex.
LTE s’adapte aux deux spectres FDD et TDD. Il y a 15 bandes de fréquences (bandes 1 à 14 et bande 17) qui utilisent le duplexage FDD et 8 bandes (33 à 40) qui utilisent le duplexage TDD.

TDD

Avec la méthode TDD, la même bande de fréquences tesutilisée pour l’émission et pour la réception. Le signal émis n’interfère pas avec leignals reçu car l’émission et la réception ont lieuà des intervalles de temps différents.

FDD

Dans la méthode FDD, les communications montantes et descendantes utilisent des fréquences porteuses séparées par un écart en fréquence. Avecla méthode FDD une communication réellement « full duplex » est possible.

Structure de trame

Pour la LTE, une trame radio dure 10 ms, et est composée de 10 sous-trames temporelles. Une sous-trame est divisée en 2 slots. La durée d’un otsl est de 0,5 ms. Un slot est constitué de 7 symboles Orthogonal Frequency Division Modulation (OFDM).
Un bloc de ressource ou ressource block (RB) est composé de 7 symboles OFDM (un slot) en temps et de 12 sous porteuses en fréquence. Chaque sous porteuse a une largeur de 15 kHz. On obtient ainsi une largeur de bande de 180 kHz.
Les structures de trame pour la LTE diffèrent entre les modes duplex TDD et FDD, car il y a des exigences différentes sur la séparation des donnéestransmises. [4] Il existe deux types de structures de trames LTE :
· Type 1 utilisé pour les systèmes opérant en mode deLTE FDD.
· Type 2 utilisé pour les systèmes opérant en mode LTE TDD.

Techniques d’accès

Les techniques d’accès utilisées par les réseaux LTE sont la méthode OFDMA en voie descendante, et la méthode SC-FDMA en voie montante.
L’OFDMA est une technique d’accès basée sur la modulation OFDM. Avant de voir ces techniques d’accès, il est nécessaire de voir la modulation OFDM. [7][8][9]

OFDM

L’OFDM divise une bande de fréquence en plusieurs ous-canaux espacés par des zones libres de tailles fixes. Le but est d’exploiter au maximum la plage de fréquence allouée tout en minimisant l’impact du bruit grâce aux espaces libres séparant chaque canal. Cette modulation apparaît alors comme une solution pour les canaux qui présentent des échos importants. Un grand débit impose une grande bande passante et si cette bande passante couvre une partie du spectre comportant des creux (dus aux trajets multiples), il y a perte totale de l’information pour la fréquence correspondante. Le canal est alors dit « sélectif »en fréquence.
Pour remédier à ce désagrément, l’idée est de répartir l’information sur un grand nombre de porteuses, créant ainsi des sous-canaux très étroits pour lesquels la réponse fréquentielle du canal peut-être considérée comme constante.
Ainsi, pour ces sous canaux, le canal est non sélectif en fréquence, et s’il y a un creux, il n’affectera que certaines fréquences.
L’idée est d’utiliser la diversité apportée pour tterlu contre la sélectivité fréquentielle et temporelle du canal. En diffusant l’information sur un nombre important de porteuses, on s’affranchit alors de la sélectivité du canal.

OFDMA

Dans cette technique, la sous porteuse n’est plus réservée à un seul utilisateur mais elle peut être partagée entre plusieurs. On a un multiplexage temporel si le multiplexage est effectué au débit des symboles OFDM ou à un multiple de ce débit et multiplexage fréquentiel si les symboles des différents utilisateurs peuvent être répartis surn unombre variable de sous – porteuses.
Dans la technique OFDMA, l’ensemble des sous porteuses d’un symbole OFDM est divisé en sous ensembles de fréquences, ces derniers peuvent être affectés à différents utilisateurs. L’OFDMA apporte une nouvelle dimension lors de l’al location des ressources : il faut affecter les différentes fréquences aux utilisateurs pendant unmême time slot.
Durant un même slot, plusieurs utilisateurs peuventoccuper des fréquences différentes et ces mêmes fréquences peuvent être assignées aux mêmestilisateurs durant les prochains slots en fonction de leurs besoins. Ces fréquences sont espacées par les canaux de garde ce qui annule les interférences entre les utilisateurs ou intra cellule.
Pour des applications fixes où les canaux ne varient que faiblement, l’avantage de l’OFDMA sur les autres méthodes à accès multiple est sa capacité d’exploiter la niche des terminaux utilisateurs embarqués.

SC-FDMA

Le SC-FDMA, utilisé pour la voie montante LTE offre des performances et une complexité globale similaires à l’OFDMA mais utilise en revanc he une technique de modulation par bloc fréquentiel à une seule porteuse (ce qui implique l’abréviation SC single carrier). Cette technique consiste à transposer les symboles de données du domaine temporel dans le domaine fréquentiel.
Contraire à l’OFDMA, les données sont envoyées en série sur une même porteuse, permettant de ce fait de diminuer la dynamique de l’amplitude du signal, donc d’obtenir une valeur de Peak to Average Power Ratio (PAPR) réduit.
Dans le cas des signaux LTE, les données sont allouées en unités de 12 sous porteuses voisines. Avec l’OFDMA, les données sont envoyées en parallèle sur chacune des sous porteuses, tandis qu’en SC-FDMA, chaque donnée est étalée sur l2 sous-porteuses.

Comparaison de l’OFDMA et le SC-FDMA

Les points communs entre ces deux techniques sont les suivants :
· Une transmission des données en blocs.
· Un multiplexage des données en fréquentiel au sensoù ils sont réparties sur plusieurs sous-porteuses orthogonales.
· Une égalisation de canal réalisée dans le domaineréquentielf.
· Un intervalle de garde pour prévenir des interférences entre blocs.
· Une complexité globalement équivalente.
La différence majeure entre elles, réside dans le aitf que l’OFDMA est une technique de transmission multi-porteuse tandis que le SC-FDMA est quant à elle une technique mono-porteuse.

MIMO

La couche physique de LTE peut exploiter des émetteurs/récepteurs multiples à la fois côté eNode B et côté UE pour renforcer la robustesse du lien et augmenter les débits pour la transmission downlink LTE.
La Maximal Ratio Combing (MRC) est utilisée pour accroître la fiabilité du lien dans des conditions de propagation difficiles (signal faible, multi-trajets).
La MIMO est utilisé pour augmenter les taux de données du système. [4][6] [8]

Principe de MRC

Avec MRC, un signal est reçu par deux (ou plus) d’a ntennes séparées/paires émetteur-récepteur. Avec des antennes physiquement séparées, on a des éponsesr impulsionnelles distinctes du canal. La compensation de canal est appliquée à chaque signal reçu dans le processeur bande de base avant d’être linéairement combinés pour créer u nalsig composite unique reçu.
Toutefois, le bruit thermique de chaque émetteur/récepteur est non corrélé. Ainsi, la combinaison linéaire des signaux de canal compensés en bande debase. Par conséquent, on a un meilleur Signal to Noise Ratio (SNR).

Principe de MIMO

La technique MIMO consiste à l’utilisation des ante nnes multiples en émission comme à la réception. Elle permet la transmission parallèle etsimultanée de données sur la même fréquence avec plusieurs antennes au niveau de l’émetteur etdu récepteur. L’opération MIMO nécessite une connaissance à priori de toutes les réponses du canal.
En LTE, les réponses impulsionnelles des canaux sont déterminées par la transmission séquentielle de signaux de référence connus de chaque antenne de transmission.

Généralité sur la mobilité

La mobilité est la capacité d’un utilisateur d’accéder, quelle que soit sa localisation, à l’ensemble des services auxquels il a accès habituellement en environnement fixe et câblé.[9][11][12]

Types de mobilité

Les types de mobilités sont :
· La mobilité personnelle.
· La mobilité de session.
· La mobilité de service.
· La mobilité de terminal.
· La mobilité de réseau.

Mobilité personnelle

La mobilité personnelle est la possibilité de joindre un utilisateur par le même identifiant logique où qu’il soit, quel que soit l’appareil de communic ation ou terminal (Personal Computer PC), laptop, téléphone portable,… ) qu’il utilise et cela indépendamment de la technologie d’accès (GSM, Wireless Fidelity (Wi-Fi), Ethernet,… ). Ainsi, un même identifiant peut être associé à différents terminaux et plusieurs identifiants peuvent être associées au même terminal

Mobilité de session

La mobilité de session doit permettre à un utilisateur de maintenir ses sessions actives tout en changeant de terminal. Ainsi, un utilisateur ayant une communication de Voice over Internet Protocol (VoIP) peut, en arrivant à son bureau de t ravail, choisir de continuer sa conversation sur son PC sans qu’il y ait rupture de communication.

Mobilité de service

La mobilité de service doit permettre à un utilisateur d’accéder aux services auxquels il a souscrit auprès de son fournisseur d’accès où qu’il se situe et quel que soit le type de terminal ou de technologie qu’il utilise. Ainsi, en prenant l’exem ple de la VoIP, l’utilisateur, où qu’il se trouve, aura accès à la liste de ses contacts, au blocage d’appel, aux préférences de médias et plus généralement à toutes les options souscrites pour ce service.

Mobilité de terminal

La mobilité de terminal doit permettre à un utilisateur de maintenir ses sessions actives et de rester joignable depuis l’extérieur tout en changeant de réseau ou de sous réseau IP (et donc de point d’accès ou point de rattachement). Dans ce cas là, l’utilisateur ne change pas de terminal au cours de sa session.
Les types de mobilité de terminal sont :
· La mobilité horizontale ou intra-technologie : danslaquelle un utilisateur se déplace de cellule en cellule à l’intérieur d’une même technologie d’accès (par exemple entre deux cellules LTE).
Elle est divisée à son tour en deux types:
La mobilité intra-domaine : entre deux cellules du même domaine réseau (par exemple entre deux cellules LTE couvertes par deux stations de base gérées par la même passerelle SGW).
La mobilité inter-domaine : entre deux cellules de domaines différents mais de la même technologie (par exemple entre deux cellules LTE couvertes par deux stations de base gérées par deuxpasserelles SGW différentes).
· La mobilité diagonal, dans : dans laquelle un utilisateur va changer de technologie proposées par le même organisme (par exemple entreIEEE 802.11 et IEEE 802.16 ou encore entre 3GPP-UMTS et 3GPP- High Speed Downlink Packet Access (HSDPA)).
· La mobilité verticale ou inter-technologie, dans laquelle un utilisateur va changer de technologie d’accès. Il peut ainsi passer du GSM au Wi-Fi, au Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX), au satellite ou encore au Bluetooth.

La mobilité de réseau

On parle de mobilité de réseau lorsque un ensemblede réseaux ou sous réseaux connectés à l’Internet par l’intermédiaire d’un ou plusieurs routeurs mobiles changent leur point de rattachement à l’Internet.
Ce type de mobilité peut par exemple intervenir lorsque un réseau, mis en place à l’intérieur d’un véhicule (train, bateau, voiture, bus, avion, etc.) souhaite accéder aux services IP en cours de déplacement. Ces réseaux embarqués à bord de véhicules peuvent être de différentes natures : par exemple, un réseau de capteurs déployé dans un bateau qui échange des données nécessaires à la navigation, ou encore un réseau d’accès déployé à ’intérieurl d’un train pour permettre aux usagers de se connecter lors de leur trajet.

Positionnement de notre étude sur la mobilité

Il existe différents types de mobilité. Dans la uites du mémoire, on étudiera particulièrement la mobilité de terminal et plus précisément, la mobilité horizontale.

Gestion de mobilité

La gestion de mobilité permet d’assurer la continuité de la session en cours, de réduire les délais et le trafic de signalisation et d’optimiser l’utilisa tion des ressources De plus, la gestion de mobilité fournit une meilleure qualité de service.
Les problèmes liés à la gestion de mobilité sont très nombreux. Les utilisateurs sont de plus en plus mobiles. Cependant il faut garantir la continuité de la session en cours, réduire le délai de relève, le délai de bout-en-bout, la gigue et la perte de paquets, fournir une bonne qualité de service aux usagers, minimiser le coût de signalisation et optimiser l’utilisation des ressources du réseau.

Handover

Lors du handover, la station mobile aura la possibilité de continuer sa communication en cours avec un minimum d’interruption, sachant que les deux cellules impliquées sont gérées par un ou plusieurs réseaux.
En effet lorsque le signal de transmission entre un combiné et une station de base s’affaiblit, le système du combiné trouve une autre station de basedisponible dans une autre cellule, qui est capable d’assurer à nouveau la communication dans les meilleures conditions.
Le Handover intervient dans trois cas :
· Une station mobile en mouvement passe d’une cellule à une autre.
· Une indisponibilité signalée par la station de service, soit parce qu’elle est tombée en panne, ou qu’elle est trop chargée par d’autres mobiles en communication, ou bien encore que le signal d’une autre station de service devient meilleur que le sien. Dans l’un de ces cas, s’il existe d’autres stations de servic e voisines disponibles, le Handover sera établi.
· Beaucoup d’interférences entre les stations mobiles dans une même cellule. Dans ce cas un mobile décide de changer de cellule pour subir moins d’interférences.

Mobilité dans LTE

La mobilité dans les réseaux LTE, si l’UE est en mode actif, est totalement sous le contrôle du réseau, la décision de changer de cellule autant que le choix de la cellule de destination sont effectuées par la eNode B courant du mobile, et sont basés sur les mesures effectuées par celle-ci et le mobile lui-même.
Pour les réseaux LTE, la gestion de mobilité est distribuée, les eNodeBs prennent la décision de Handover d’une façon autonome sans implication des éléments : MME et SGW.
Les informations nécessaires au handover sont échangées entre les eNodeBs via une interface X2. Le MME et le SGW recevront une notification avec un message complet de Handover après que la nouvelle connexion aura été attribuée entre l’UE etla nouvelle eNodeB.
Après réception du message, les Gateways effectuentle chemin de commutation.
Durant le handover il y a un délai durant lequel l’UE n’est pas connecté au système. Pour résoudre cela, une solution temporaire de Forwarding des données perdues de l’ancien eNode B vers le nouveau eNode B est proposée. Dans ce cas il n y a pas de mémorisation des données au niveau des Gateways. L’intérêt de cette solution est de minimiser la charge de signalisation au niveau de l’interface entre l’eNode B et l’MME/SGW. [3][12]
On peut citer deux types de handover :
· Handover intra LTE avec support X2.
· Handover inter LTE sans support X2.

Handover intra LTE avec support X2

Ce cas de mobilité est le plus simple à cause du fait qu’il utilise l’interface X2 et sollicité donc le MME et la SGW au minimum. L’interface X2 permet de ce fait de minimiser le nombre de paquets perdus.
Le seul impact au niveau des nœuds EPC est relatif à la mise à jour de la connectivité du plan de contrôle et utilisateur.
De plus, le fait que l’utilisateur se déplace d’une eNodeB à une autre il faut donc établir une nouvelle connexion S1 entre la nouvelle eNodeB et la MME ainsi qu’un nouveau tunnel avec le SGW.
Une fois le handover effectué, la libération des ressources est effectuée que ce soit au niveau des anciennes connexions avec la MME et la SGW que sur les ressources radio au niveau de l’eNode B de destination.
Les principales étapes du handover sont :
1) Le Handover est déclenché par l’UE qui envoie un rapport de mesure à l’eNode B source qui va décider en se fondant sur le rapport reçu et sur les informations concernant la gestion des ressources radio.
2) La phase de préparation du Handover commence par l’envoi d’une requête de Handover (Handover Request) de la part de l’eNode B source vers l’eNode B cible. Ce message contient toutes les informations pertinentes sur le Handover.
3) L’eNode B cible enregistre le contexte, prépare les couches 1 et 2 pour le Handover et répond à l’eNode B source par un acquittement (Handover Request Acknowledged (Ack)) qui fournira les informations sur l’établissement de nouveau lien radio.
4) L’eNode B source transférera toutes les informations nécessaires à l’UE, et à ce moment là, l’eNode B source arrête d’envoyer et de recevoir des données avec l’UE. Il fera alors suivre les données à l’eNode B cible.
5) L’UE informe l’eNode B cible du succès du Handover avec un message de confirmation. Jusqu’à cet instant l’eNode B cible mémorise les données reçus de l’eNode B source. Après avoir reçu le message de confirmation il commence à envoyer les données bufférisées à l’UE.
6) L’eNode B cible initie le changement de chemin de données en envoyant un Handover Complete aux passerelles. Les informations de localisation de l’UE seront ensuite mises à jour au niveau des passerelles qui vont effectuer le changement de chemin pour que les données soient envoyées directement vers l’eNode Bcible.
7) L’MME/S-GW confirment le chemin par un message Handover Complete Ack, et dès que l’eNode B cible reçoit ce message, il envoie une in dication ‘release Source’ au eNode B source pour qu’il libère définitivement la connexio avec l’UE.

Handover inter LTE sans support X2

L’interface X2 peut ne pas être disponible à cause, par exemple, de la défaillance de l’équipement ou bien du fait que l’opérateur a juste décidé de enpas la déployer pour des raisons de coûts.
Ceci augmente donc la complexité dans la procédurecomme conséquence la MME n’est plus transparente au processus de handover de par le fait qu’il s’agit à présent comme relais de signalisation entre les deux eNode B.
Au lieu d’être envoyée directement à l’eNode B de destination la demande de handover est envoyée depuis l’eNode B source via la MME en utilisant les messages HANDOVER REQUIRED et HANDOVER REQUEST sur l’interface S1.
De façon similaire lorsque les ressources ont été allouées, une réponse est envoyée en utilisant les messages HANDOVER REQUIERD ACK et HANDOVER COMMAND, contenant l’information radio relative à la cellule de destin ation.
Une fois le handover est terminer, la MME se charge de mettre à jour le nouveau plan utilisateur au niveau de la SGW ainsi que d’assurer la libération des ressources au niveau de l’eNode B source. La principale différence avec le handover utilisantl’interface X2 est qu’aucun transfert de données n’est effectué entre l’eNode B source et destination.
L’impact sur la perception de l’utilisateur dépendra de l’application ainsi que du protocole utilisé :
· Pour les applications non temps réel (consultation web) qui s’appui sur Transport Control Protocol (TCP), le handover introduira pas vraiment de perte de données à cause du mécanisme de retransmission utilisé par TCP.
· Pour des applications temps réel (voix sur IP) basée sur User Datagram Protocol (UDP), le handover entrainera une perte de données et avecun possible impact sur la perception d l’utilisateur.

Canal radio mobile

Le support physique de communication de LTE utilise les ondes électromagnétiques. Au cours de la propagation, l’onde transmise traverse différents types de canaux jusqu’à atteindre sa cible. Ces canaux affectent l’onde émise. Les performances de transmission dépendent considérablement des caractéristiques du canal. En effet, il faut bien distinguer le canal de propagation et le canal de transmission.

Canal de propagation et canal de transmission

Le canal de propagation correspond à l’environnemen t traversé par les ondes électromagnétiques lors d’une transmission d’information entre un émetteur et un récepteur. Le canal de propagation représente les transformations des ondes électromagnétiques lors de leur propagation.
Le canal de transmission se différencie du canal de propagation en ce qu’il ajoute en plus les caractéristiques desdiagrammes de rayonnement des antennes d’émission et de réceptionutilisées. Le canal de transmission est parfois assimilé au canal de propagation, mais cette distinction prend toute son importance lors de l’analyse de canaux à entrées et sorties multiples ou MIMO. [13] La figure 2.01 montre la différence entre le canalde propagation et canal de transmission.

Propagation en espace libre

Quand l’émetteur et le récepteur sont en visibilitédirecte, et qu’aucun obstacle ne se trouve sur le trajet des ondes, on parle de propagation en espace libre.
La propagation en espace libre est un cas théorique de référence. Dans des conditions réelles de propagation, l’environnement du système de transmission interfère avec l’onde transmise selon différents mécanismes de propagation

La propagation hors espace libre

Les situations les plus courantes de propagation des systèmes de radiocommunication sont loin d’être en espace libre. Les obstacles de différentes formes géométriques et de diverses caractéristiques physiques perturbent la propagation. Ces perturbations se traduisent par des fluctuations de la puissance du signal reçu en fonc tion de la distance.
Les pertes en fonction de la distance et les effets de masquage sont les phénomènes à l’origine de ces variations. La décroissance en est la principale perte de puissance. La densité depuissance se réduit au fur à mesure que l’onde s’éloigne de sa source jusqu’à atteindre l’antenne réceptrice. L’influence des obstacles rencontrés par l’onde varie selon leurs configurations.
La présence d’obstacles dans l’environnement de propagation causant l’apparition de différentes répliques du signal émis au niveau du récepteur estla cause principale de ces variations. Selon leurs phases d’arrivée au niveau de l’antenne, la somme de ces répliques peut être constructive ou destructive. C’est la source du phénomène d’évanouissement. Ces obstacles naturels (sol, arbres, bâtiments) se trouvent sur le trajet de l’onde. Il en résulte une multitude de trajets et donc, une multitude d’ondes retardées, atténuées et déphaséesau niveau du récepteur.

Phénomènes de la propagation

En communications radiomobiles, les signaux radioélectriques reçus par les stations comprennent un certain nombre de composantes. Un signal comporte éventuellement l’onde émise en trajet direct mais également et surtout les contributions sur la même fréquence de toutes les ondes réfléchies et réfractées par l’environnement. Un cepteurré ne reçoit très souvent qu’un ensemble d’ondes réfléchies correspondant à des trajets multiples. Le signal transmis est alors soumis à des perturbations.
Généralement, on peut citer deux types de perturbations [13][14][15] [16] [17]:
· le bruit.
· la perturbation de propagation à travers le canal.

Bruit

Un bruit est un signal radioélectrique qui ne transporte pas l’information utile et perturbe la liaison. Il est considéré comme aléatoire. Le bruitenglobe tous les signaux indésirables qui viennent s’ajouter au signal transmis. Le milieu de propagation ainsi que les dispositifs électroniques de l’émetteur et du récepteur sont respectivement ces origines externes et internes.
Les sources de bruits externes peuvent être de nature extra-terrestre ou terrestre. Elles regroupent les bruits et les parasites atmosphériques, les rayonnements divers captés par l’antenne, les interférences éventuelles entre les utilisateurs dumilieu de transmission ou encore les bruits d’origine industrielle.
Le bruit interne a pour origine le mouvement brownien des électrons présents dans les composants électroniques du récepteur. Ces électrons évoluentindépendamment les uns des autres tout en suivant une même loi. Le bruit interne est considér comme blanc, ce qui veut dire que sa densité de puissance est la même quelque soit la fréquence.

Perturbations de propagation

En communications numériques, un autre type de perturbations pourrait apparaître. Il correspond aux atténuations dues à la propagation et à la supe rposition multiple et incohérente de signaux radioélectriques en réception. Ainsi, on distingue:
· La perte en espace libre.
· La propagation par trajets multiples.
· L’effet de masque.
· L’effet Doppler.

Effet de masque :

L’effet de masquage (shadowing en anglais) est généralement causé par l’obstruction importante des ondes par les obstacles (immeubles, forêts, collines…) ce qui résulte une atténuation plus ou moins prononcée de la puissance du signal.

Effet Doppler :

Cet effet est dû à la mobilité du mobile dans le canal radio mobile.
L’effet Doppler désigne le décalage apparent de la fréquence d’un signal électromagnétique provoqué par la variation de son trajet de propagation.
Le déplacement de l’émetteur, du récepteur ou une modification de l’environnement font que le comportement du canal de propagation varie dans le temps. Les trajets de propagation entre l’´emetteur et le récepteur peuvent alors apparaître, disparaître ou subir des transformations.
Pour notre cas, c’est le récepteur (utilisateur) qui est en mouvement et l’émetteur (eNode B) est fixe.
Ainsi pour un signal émis à la fréquence porteuse le récepteur aura une fréquence de réception qui sera la somme de la fréquence émise et le décalage Doppler : (2.04)
L’utilisateur se déplace uniformément à la vitesse v en recevant un signal sous forme d’une onde plane formant un angle avec la trajectoire parcourue par le récepteur (voir figure 2.08)2

Problématique

Pour les réseaux LTE, le territoire est divisé en ellulesc et chaque cellule est desservie par une station de base, Au cours d’une même session, les tilisateurs peuvent se déplacer en passant par plusieurs stations de base tout en maintenant la communication en cours.
La mobilité des utilisateurs a des impacts sur les performances des réseaux : la bande passante du signal émis, la puissance de bruit qui affecte le signal, le débit garanti par utilisateur.

Modélisation de problème

Notre étude se concentre sur la mobilité dans le cas d’un seul utilisateur dans une cellule. Tout d’abord, on va étudier l’effet de la mobilité de l’utilisateur au niveau de la bande passante, de la puissance de bruit et enfin, la variation du débit en fonction de la vitesse de déplacement de l’utilisateur.

Hypothèse

A l’intérieur de la cellule, l’utilisateur se déplace en ligne droite avec une vitesse v, représenté par la figure 3.01.
Ce déplacement de l’utilisateur en communication avec une eNode B fixe provoque un décalage fréquentiel du spectre des signaux émis ou effet Doppler.

Débits réels

Le débit réel ou débit moyen de données observé parl’utilisateur d’un réseau LTE peut être très fortement réduit par rapport aux débits pics ou débits théoriques annoncés et définis par la norme LTE. Les principaux facteurs ayant une influence sur le débit effectif sont les suivants :
· La largeur de la bande de fréquences allouée à l’opérateur du réseau.
Le débit utile est pratiquement proportionnel à cette largeur de bande (varier de 1,4 MHz à 20 MHz).
· Les types d’antennes utilisés, coté terminal et coté réseau (antenne relais).
Le débit maximal de 300 Mbit/s suppose des antennes MIMO 4X4 (quadruples) aux 2 extrémités de la liaison radio LTE.
· La distance entre le terminal et les antennes fixes (eNode B).
Le débit est très inférieur en périphérie de cellules radio à cause des interférences avec les cellules adjacentes.
· Les conditions de réception radio (interférences, ruit,b échos liés aux réflexions sur les immeubles).
· Le nombre d’utilisateurs actifs se partageant la bande passante au sein d’une cellule LTE; plus il y a d’abonnés en communication moins chacun a de débit unitaire.
· La position fixe ou « en mouvement » du terminal de l’abonné. Le débit utile est réduit pour un terminal en mouvement.
· La capacité en débit et en nombre d’utilisateurs multanéssi de la station de base (eNode B) et le débit des liens reliant cette station au cœur de réseau.
Le type et la catégorie du terminal influent aussi sur le débit maximum possible ; par exemple un terminal LTE de catégorie 1, ne supporte qu’un débit de 10 Mbit/s alors qu’un autre de catégorie 3 supportera 100 Mbit/s.
En contrepartie, plus la catégorie du terminal est élevée, plus le terminal sera complexe (coûteux) et moins son autonomie sera grande. [2]

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Table des matières

CHAPITRE 1 : PRESENTATION DE LONG TERM EVOLUTION (LTE)
1.1 Introduction
1.2 Architecture de LTE
1.2.1 Architecture générale
1.2.2 Réseau d’accès
1.2.2.1 Caractéristiques
1.2.2.2 Entités du réseau d’accès
1.2.3 Réseau coeur
1.2.3.1 MME
1.2.3.2 SGW
1.2.3.3 PGW
1.2.3.4 HSS
1.2.3.5 PCRF
1.3 Les couches de LTE
1.3.1 Couche 1 : la couche PHY
1.3.2 Couche 2 : les couches MAC, RLC, PDCP
1.3.3 Couche 3 : la couche RRC
1.3.4 Couche NAS
1.4 Canaux radio de LTE
1.4.1 Canaux logiques
1.4.2 Canaux physiques
1.4.2.1 Liaison descendante
1.4.2.2 Liaison montante
1.4.3 Canaux de transport
1.4.3.1 Liaison descendante
1.4.3.2 Liaison montante
1.5 Couche physique pour LTE
1.5.1 Schémas Duplex
1.5.1.1 TDD
1.5.1.2 FDD
1.5.2 Structure de trame
1.5.2.1 Structure de trame FDD
1.5.2.2 Structure de trame TDD
1.5.2.3 Structure de ressource bloc
1.5.3 Techniques d’accès
1.5.3.1 OFDM
1.5.3.2 OFDMA
1.5.3.3 SC-FDMA
1.5.3.4 Comparaison de l’OFDMA et le SC-FDMA
1.5.4 MIMO
1.5.4.1 Principe de MRC
1.5.4.2 Principe de MIMO
1.6 Conclusion
CHAPITRE 2 : MOBILITE DES UTILISATEURS DANS LTE ET CANAL RADIO MOBILE
2.1 Introduction
2.2 Mobilité
2.2.1 Généralité sur la mobilité
2.2.1.1 Types de mobilité
2.2.1.2 Positionnement de notre étude sur la mobilité
2.2.1.3 Gestion de mobilité
2.2.1.4 Handover
2.2.2 Mobilité dans LTE
2.2.2.1 Handover intra LTE avec support X2
2.2.2.2 Handover inter LTE sans support X2
2.3 Canal radio mobile
2.3.1 Canal de propagation et canal de transmission
2.3.2 Propagation
2.3.3 Phénomènes de la propagation
2.3.3.1 Bruit
2.3.3.2 Perturbations de propagation
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 : IMPACT DE LA MOBILITE DES UTILISATEURS DANS LES RESEAUX LTE 
3.1 Introduction
3.2 Problématique
3.3 Modélisation de problème
3.3.1 Hypothèse
3.3.2 Bande passante
3.3.3 Bruit
3.3.3.1 Puissance de bruit capté par l’antenne
3.3.3.2 Facteur de bruit du récepteur
3.3.3.3 Puissance totale du bruit
3.3.3.4 Puissance de bruit pour un récepteur en mouvement
3.3.4 Débit pic et débits réels
3.3.4.1 Débit pic
3.3.4.2 Débits réels
3.3.5 Débit moyen
3.3.6 Débits moyens pour un utilisateur en mouvement
3.3.6.1 Débit en fonction de la bande passante
3.3.6.2 Débit en fonction la puissance de bruit
3.3.6.3 Débit perçu par l’utilisateur en mobilité
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 : SIMULATION
4.1 But de la simulation
4.2 Outils de simulation
4.3 Présentation de l’outil
4.4 Présentation de données
4.5 Résultats
4.5.1 Valeur des débits moyens
4.5.2 Bande doppler
4.5.3 Bande passante à la réception
4.5.4 Puissance de bruit
4.5.5 Débit descendant
4.5.5.1 Débit descendant et bande passante
4.5.5.2 Débit descendant en fonction de la puissance de bruit
4.5.5.3 Débit perçu par un utilisateur en mouvement
4.5.6 Débit montant
4.5.6.1 Débit montant et bande passante
4.5.6.2 Débit montant et puissance de bruit
4.5.6.3 Débit montant perçu par un utilisateur en mouvement
4.6 Interprétation
4.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 : LES FREQUENCES UTILISEES EN LTE FDD ET LTETDD
ANNEXE 2 : CODES MATLAB
BIBLIOGRAPHIES

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