Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA (Niang & Thiam)

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de la Poste et des Technologies de l’Information et de la Communication

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Institut des Télécommunications d’Oran "Abdelhafid BOUSSOUF" - Oran Mémoire de fin d’études pour l’obtention de : DIPLOME D’INGENIEUR D’ETAT Spécialité : Télécommunications THEME :

Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA (Étude du cas WLL CDMA d’AT) Présenté par :

Encadreur :

 NIANG Souleymane

Mr. Saad-Eddine NIAR

 THIAM Oumar

Devant le Jury : Président : Examinateur :

M. MEBREK M. BACHIR M. BENSAADA M. BOUTIOUTA M. GOURARI

Promotion : IGE 27 Date : 16/06/2007

Remerciements

Nous remercions DIEU LE TOUT PUISSANT de nous avoir donné la santé et la volonté d’entamer et de terminer notre PFE. Nos remerciements aux membres du jury d’avoir accepté d’examiner et d’évaluer notre travail. Nous remercions Mr Saad-Eddine NIAR pour son excellent encadrement, sa vision objective, sans précédente sur tous les aspects concourants à la bonne réalisation de notre Projet. Nos vifs remerciements sont adressés à Mr BENSAADA Lakhdar pour sa participation à la bonne élaboration de notre PFE. Nos remerciements aussi à Mr HACHEMANI Rabah qui, n’a ménagé aucun effort pour la réussite de notre PFE. Sans oublier au passage, Mr KLOUCHE Djedid Sid Ahmed Chef de Centre CMRR d’Oran qui nous a donné des informations essentielles pour la bonne réalisation de notre PFE. Nous remercions, en outre Mr FATMI, Mr BOULERIAL, Mr OULD SAADI et tous ceux qui, de prés ou de loin ont contribué à l’affinement de notre Projet.

Dédicaces :

c l’aide

Je dédie ce mémoire à mon père Ndaraw NIANG, ma mère Fatimata KANE pour l’éducation qu’ils ont su me donner et qui m’a permis avec l’aide de DIEU d’arriver là ou je suis. Je dédie ce mémoire à tous mes frères et sœurs sans exception et enfin à tous les amis. S. NIANG

A mon père Aliou et ma mère Fatou pour l’éducation qu’ils ont porté à mon égard A mes frères Djim et Babacar A mes sœurs Fatou et Ami A tous mes amis Je vous dédie ce modeste travail. O. THIAM

Sommaire Résumé Abstract Introduction générale :........................................................................................................................... 1 I.

Etude et architecture d’un réseau CDMA : ..................................................................................... 3 I.1.

I.1.1.

Historique des réseaux mobiles : .................................................................................... 3

I.1.2.

Les méthodes d’accès FDMA, TDMA et CDMA : ............................................................. 4

I.1.3.

Concept cellulaire : ......................................................................................................... 5

I.2.

Principe du CDMA................................................................................................................... 6

I.2.1.

Les codes pseudo aléatoires : ......................................................................................... 6

I.2.1.1.

Les m-séquences............................................................................................................. 6

I.2.1.2.

Code de Gold : ................................................................................................................ 6

I.2.1.3.

Code Flash-Hadamard :................................................................................................... 7

I.2.2.

Techniques d’étalement de spectre : ............................................................................. 7

I.2.2.1.

Étalement du spectre en séquence directe : .................................................................. 7

I.2.2.2.

CDMA par sauts de fréquences :..................................................................................... 8

I.2.2.3.

CDMA par sauts de temps : ............................................................................................ 8

I.2.3.

Caractéristiques du CDMA : ............................................................................................ 8

I.2.3.1.

Canaux CDMA ................................................................................................................. 8

I.2.3.2.

Synchronisation d’un système CDMA ............................................................................. 9

I.2.3.3.

Contrôle de puissance .................................................................................................... 9

I.2.3.4.

Propriété de corrélation ................................................................................................. 9

I.2.3.5.

Récepteur RAKE ............................................................................................................ 10

I.3.

II.

Généralités sur les réseaux mobiles ....................................................................................... 3

Architecture d’un réseau CDMA : Exemple UMTS ................................................................ 11

I.3.1.

Réseau d’accès et réseau cœur : .................................................................................. 11

I.3.2.

Hard handover ≠ soft handover : .................................................................................. 11

Planification : ................................................................................................................................ 13 II.1.

Objectifs de la planification .................................................................................................. 13

II.2.

Procédé de planification ....................................................................................................... 13

II.2.1.

Dimensionnement ........................................................................................................ 15

II.2.1.1.

Modèles de propagation : ......................................................................................... 16

II.2.1.2.

Bilan de liaison radio et efficacité de couverture : .................................................... 18

II.2.1.3.

Facteurs de charge et efficacité spectrale : .............................................................. 20

II.2.1.4.

Soft Capacité : ........................................................................................................... 22

II.2.2.

Détails de la planification ............................................................................................. 24

II.2.3.

Couverture CDMA ......................................................................................................... 25

II.2.3.1.

Trafic spatial et les relations fondamentales ............................................................ 26

II.2.3.2.

Couverture de cellule CDMA..................................................................................... 26

III.

Optimisation : ........................................................................................................................... 27

III.1.

Introduction.......................................................................................................................... 27

III.2.

Approche d’optimisation ...................................................................................................... 27

III.2.1.

Modèle d’optimisation ................................................................................................. 27

III.2.2.

Données de planification .............................................................................................. 28

III.2.3.

Analyse de couverture et capacité................................................................................ 29

III.3.

Méthodes heuristiques de planification ............................................................................... 29

III.3.1.

Heuristique d’un ensemble de couverture ................................................................... 29

III.3.2.

Exemples de techniques d’optimisation ....................................................................... 32

IV.

Etude du cas WLL CDMA d’Algérie Télécom : ........................................................................... 33

IV.1.

Planification : ........................................................................................................................ 33 Etapes de configuration d’une BTS : ..................................................................................... 33

IV.2.

Optimisation : ....................................................................................................................... 34 But de l’optimisation : .......................................................................................................... 34 Spécificité du réseau à optimiser : ........................................................................................ 34 Les étapes suivies durant l’optimisation du réseau CDMA WLL : ......................................... 34 Méthodes de teste et installation des paramètres : ............................................................. 34 Classification des index d’essai de voies du réseau : ............................................................ 35 Analyse à partir des index de statistiques du trafic du réseau (KPI) : ................................... 35 Résultats du RSSI de tout le réseau : .................................................................................... 35 Exemple d’optimisation du site de Messerguin : .................................................................. 35

V.

Simulation et Applications ............................................................................................................ 40 V.1.

Planification d'un réseau avec ICS Télécom : ........................................................................ 40

V.1.1.

Introduction .................................................................................................................. 40

V.1.2.

Création du projet : ...................................................................................................... 40

V.1.3.

Recherche de sites potentiels : ..................................................................................... 41

V.1.4.

Placement des BTS sur les sites selon la densité : ......................................................... 41

V.1.5.

Calcul de la couverture ................................................................................................. 42

V.1.6.

Placement des abonnés : .............................................................................................. 43

V.1.7.

Calcul du trafic : ............................................................................................................ 44

V.1.8.

Calcul d’interférence :................................................................................................... 45

V.1.9.

Conclusion: ................................................................................................................... 47

V.2.

Implémentation de l’algorithme heuristique d’optimisation :.............................................. 47

V.2.1.

Présentation de l’outil : ................................................................................................ 47

V.2.2.

Rôle de l’outil : .............................................................................................................. 48

V.2.3.

Fonctionnalités : ........................................................................................................... 49

V.2.4.

Expérience : .................................................................................................................. 51

V.2.5.

Conclusion : .................................................................................................................. 53

Conclusion générale : ........................................................................................................................... 54 Annexe Matériels et logiciels utilisés Références et Bibliographie Glossaire

Liste des figures Figure I-1 : Schéma du principe du FDMA________________________________________________________ 4 Figure I-2 : Schéma du Principe du TDMA _______________________________________________________ 4 Figure I-3 : Schéma du Principe du CDMA _______________________________________________________ 5 Figure I-4 : Concept cellulaire _________________________________________________________________ 5 Figure I-5 : Modulation des données par des séquences pseudo-aléatoires. _____________________________ 7 Figure I-6: Le spectre de densité de puissance de la séquence d'information: a) avant, b) après étalement ____ 7 Figure I-7 : Exemple de calcul de corrélation entre 2 séquences. _____________________________________ 10 Figure I-8 : Un exemple de récepteur à deux branches. ____________________________________________ 10 Figure I-9 : Architecture du réseau UMTS avec les réseaux d'accès GSM et UTRAN.______________________ 11 Figure I-10 : Hard handover _________________________________________________________________ 12 Figure I-11 : Soft handover __________________________________________________________________ 12 Figure II-1 : La planification et l'optimisation du réseau radio. ______________________________________ 14 Figure II-2 : Noise rise de la liaison montante en fonction du débit. __________________________________ 21 Figure II-3 : Soft capacité comme une fonction du débit binaire pour les connexions temps réel. ___________ 24 Figure II-4 : Fonction de densité du rayon de cellules pour différentes intensités de trafic spatiales. _________ 26 Figure IV-1 : Ec/I0 avant et après ajustement ____________________________________________________ 36 Figure IV-2 : FFER avant et après ajustement ___________________________________________________ 36 Figure IV-3 : RX avant et après ajustement _____________________________________________________ 37 Figure IV-4 : TX avant et après ajustement _____________________________________________________ 37 Figure IV-5 : Ec/I0 après ajustement ___________________________________________________________ 38 Figure IV-6 : FFER après ajustement ___________________________________________________________ 38 Figure IV-7 : RX après ajustement ____________________________________________________________ 39 Figure IV-8 : TX après ajustement_____________________________________________________________ 39 Figure V-1 : Recherche de site________________________________________________________________ 41 Figure V-2 : Placement des BTS ______________________________________________________________ 42 Figure V-3 : Calcul de couverture _____________________________________________________________ 43 Figure V-4 : Génération (gauche) et Parenting (droite) des abonnés _________________________________ 44 Figure V-5 : Trafic _________________________________________________________________________ 45 Figure V-6 : Carte donnant le Ec /I0 ____________________________________________________________ 46 Figure V-7 : Carte donnant le Eb /N0 ___________________________________________________________ 47 Figure V-8 : Implémentation de l’algorithme ____________________________________________________ 48

Liste des tableaux Tableau II-1 : Données de la station mobile _____________________________________________________ 18 Tableau II-2 : Données de la station de base ____________________________________________________ 18 Tableau II-3 : Bilan de liaison de référence pour le service de données temps réel à 144 kbps (3 km/h, utilisateur indoor couvert une station de base outdoor, canal véhiculaire de type A, avec soft handover) ____________ 19 Tableau III-1 : Dérivation des paramètres à partir des données de scénarios. __________________________ 29 Tableau V-1 : Paramètre utilisés dans le simulateur ______________________________________________ 40

Résumé : Le défi des réseaux de communication mobile troisième génération est de permettre aux usagers d'accéder à toutes sortes d'application depuis leurs terminaux mobiles. Les applications multimédia, en particulier, ont des exigences de haut débit et de qualité de service que ces réseaux doivent satisfaire. Les nouveaux profils de trafic, très gloutons, nécessitent de nombreuses ressources. Ainsi, la planification et l’optimisation jouent un rôle primordial pour les fournisseurs d'équipements et de services, l'objectif étant de minimiser les ressources nécessaires tout en satisfaisant la demande de trafic. Dans ce mémoire, nous étudions les réseaux CDMA en donnant un aperçu sur les généralités des réseaux mobiles CDMA dans un premier temps. Ensuite, nous étudions la planification avec ses différents aspects ainsi que les approches d’optimisation en définissant les spécifications d’entrée et de sortie des différentes phases du processus. Dans la partie applications, nous avons effectué une planification avec ICS Telecom en relevant des mesures sur quelques paramètres essentiels comme la couverture. Enfin, dans la dernière partie, nous procédons à l’implémentation d’un algorithme heuristique d’optimisation se basant sur l’assignation de puissance.

Abstract : The challenge of the communication networks mobile third generation is to make it possible to the users to reach all kinds of application since their mobile terminals. The applications multi-media, in particular, have requirements of high flow and quality of service which these networks must satisfy. The new profiles of traffic, very greedy, require many resources. Thus, planning and optimization play a paramount part for the suppliers of equipment and services, the objective being to minimize the resources necessary while satisfying the request for traffic. In this memory, we study a CDMA networks initially by giving an outline on the general information of mobile CDMA networks. Then, we study planning with its various aspects as well as the approaches of optimization by defining the specifications of entry and exit of the various phases of the process. In the applications part, we carried out a planning with ICS Telecom while concerned with measurements on some essential parameters like the cover. Lastly, in the last part, we carry out the implementation of a heuristic algorithm of optimization basing itself on the assignment of power.

Introduction générale Introduction générale : Le monde exige plus des technologies de communication sans fil que naguère. En effet, les évolutions récentes des technologies radio dans le domaine des réseaux sans fil et des mobiles offrent une grande flexibilité dans le choix des interfaces sur la voie radio et par la même occasion la liberté de sélectionner les réseaux d’accès et les débits en fonction des applications et des préférences des utilisateurs. De ce fait les systèmes de comminations mobiles 3G appelés IMT2000 doivent être conçus pour supporter des services larges bandes avec des taux de données élevés pouvant aller jusqu’à 2 Mbits/s et une qualité de service appréciable. Pour obtenir une qualité de service requise, l’interface radioélectrique doit s’adapter aux contraintes d’environnement (brouillage du aux trajets multiples), de service (débit retard, TEB) et permettre le partage de la ressource entre utilisateurs. C’est dans ce sens que le CDMA, qui est une technique de partage du canal radio électrique, constitue la base des systèmes radios mobiles 3G. Il appartient à la classe des multiplexages dits à étalement de spectre. CDMA fournit de façon cohérente une meilleure capacité pour des communications de voix et de données que d'autres technologies mobiles, permettant ainsi à plusieurs abonnés de communiquer simultanément et assurant une meilleure gestion du spectre de fréquence. Le dimensionnement, la planification, le déploiement et l'optimisation, tant au niveau radio et transmission que commutation permettent de répondre aux objectifs de qualité de service des opérateurs de réseaux publics ou privés. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’une étude suivie d’une planification et optimisation d’un réseau mobile CDMA. Notre travail sera organisé de la manière suivante : Dans le chapitre I nous présenterons les généralités sur les réseaux mobiles, une étude du principe du CDMA ainsi qu’une architecture d’un réseau CDMA. Le chapitre II donne les objectifs et procédés de planification, le dimensionnement, les détails de la planification ainsi que la couverture CDMA. Le chapitre III aborde dans la première partie une approche d’optimisation basée sur un modèle d’optimisation, des données de planification et un prétraitement (Analyse de couverture et capacité). Sa deuxième partie traite les méthodes heuristiques en Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Introduction générale donnant l’heuristique d’un ensemble de couverture et des techniques d’algorithmes d’optimisation. Dans le quatrième chapitre consacré à « l’étude du cas WLL CDMA d’Algérie Télécom », nous aborderons la planification du réseau CDMA WLL et son optimisation. Dans la première partie du dernier chapitre, nous simulons une planification de réseau mobile par le logiciel ICS Telecom et une implémentation de l’algorithme heuristique d’optimisation est donnée dans la deuxième partie.

Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA I. Etude et architecture d’un réseau CDMA : I.1. Généralités sur les réseaux mobiles I.1.1. Historique des réseaux mobiles : Les communications entre utilisateurs mobiles se développent rapidement et devraient représenter un énorme marché pour la première décennie du XXIe siècle. Trois générations de réseaux de mobile sont répertoriées, en fonction de la nature de la communication transportée : Communication analogique (1G) : C’est à la fin des années 1970 et début des années 1980 que les communications mobiles ont fait un bond en avant. Les évolutions techniques ont permis la conception de mobiles plus petits, plus légers, plus sophistiqués et surtout accessibles pour un plus grand nombre d’utilisateurs. Ces cellulaires de première génération ne transmettaient que la voix, et de façon analogique. Les plus importants sont AMPS (Advanced Mobile Phone System), NMT (Nordic Mobile Telephone), et TACS (Total Access Communication System). Communication numérique sous forme circuit, avec deux options : mobilité importante et mobilité réduite (2G). Le développement des cellulaires 2G fut dirigé par le besoin d’améliorer la qualité de transmission, les capacités du système ainsi que la couverture du réseau. Ce sont toujours les transmissions de la voix qui dominent mais les demandes pour les fax, messages courts et transmissions de données ont augmenté rapidement. Des services supplémentaires sont apparus tels que la prévention de fraude et le cryptage des données personnelles. Ces premiers sont devenus comparables aux services disponibles sur les réseaux fixes. Les cellulaires 2G incluent GSM, PDC (Personal Digital Cellular) et D-AMPS. Applications multimédias sous forme paquet (3G) : Les systèmes de télécommunications mobiles de 3G fournissent toute une gamme de services de télécommunications aux utilisateurs fixes et mobiles, situés dans une variété d’environnements autour de la bande de fréquence de 2 GHz. En 1985, l’UIT a commencé ses études des réseaux FPLMTS (Future Public Land Mobile Telephone System), renommés IMT2000 en 1993. De son coté, l’ETSI a commencé, en 1990, ses études sur le réseau de mobile pour l’Europe avec l’UMTS qui est l’un des éléments de la famille IMT2000. Les cinq normes retenues pour la 3G sont l’UMTS, WCDMA, CDMA2000, EDGE et DECT de 3è génération. Un des objectifs affiché par les réseaux 3G a pour but de rendre les services fixes et mobiles compatibles pour former un service transparent de bout en bout pour les utilisateurs. Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA I.1.2. Les méthodes d’accès FDMA, TDMA et CDMA : Dans tout système de communication, il est fondamental de pouvoir permettre à de multiples utilisateurs de profiter du service proposé. Ainsi dans les systèmes mobiles, il est nécessaire de définir et d’optimiser la façon dont les ressources radio sont allouées entre utilisateurs. Les techniques d'accès multiple suscitent un grand intérêt pour tirer parti de la grande largeur de bande offerte par le canal radio. FDMA (AMRF : Accès Multiple à Répartition par Fréquence): Le FDMA était la méthode d'accès multiple la plus utilisée dans le temps. En outre elle consiste à diviser la bande passante du canal en N (nombre d’utilisateurs) sous bandes de fréquences. Ses inconvénients sont : les interférences entre canaux adjacents et la complexité du système d’émission-réception.

Figure I-1 : Schéma du principe du FDMA TDMA (AMRT : Accès Multiple à Répartition dans le Temps) Le TDMA est une méthode d'accès qui se base sur la répartition de ressources dans le temps. Chaque utilisateur émet ou transmet dans un intervalle de temps concret dont la périodicité est définie par la durée de la trame. Dans les systèmes TDMA, une des principales difficultés est la synchronisation. Pour éviter ce type de problème, il faut prévoir un intervalle de garde, ce qui revient à avoir une durée du time slot supérieure à la durée du burst émis.

Figure I-2 : Schéma du Principe du TDMA Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA CDMA (AMRC : Accès Multiple à Répartition par Code) Le CDMA appartient à la classe des multiplexages dits à étalement de spectre. En effet, comme nous allons le voir, chaque utilisateur émet sur toute la largeur de bande du canal de communication. Le principe est le suivant : à chaque utilisateur correspond une clé (ou code) à l’aide de laquelle son message est codé avant d’être émis. Chaque code d’un utilisateur est orthogonal aux restes de codes liés aux autres utilisateurs. Dans ce cas, pour écouter l’utilisateur N, le récepteur n’a qu’à multiplier le signal reçu par le code N associé à cet utilisateur.

Figure I-3 : Schéma du Principe du CDMA I.1.3. Concept cellulaire : En Mai 1972 BELL Labs (actuellement Lucent Technologies), la filiale de recherche du géant de la téléphonie américaine AT&T, déposait un brevet qui est à la base des fondements des systèmes radio mobiles de 2ème et 3ème générations actuels. L’idée est simple : au lieu d’une seule station de base illuminant aussi large que possible une zone, chaque station de base doit seulement couvrir une petite zone. Le concept cellulaire offre certains avantages importants : d’un côté, la puissance de l’émetteur peut être diminuée et cela avec de meilleurs résultats dans un terminal plus petit et une plus longue durée d’opération. De l’autre côté, la capacité d’abonné d’un tel réseau, c'est-à-dire le nombre maximum des utilisateurs actifs par élément de zone, est considérablement élevé à cause de la réutilisation des canaux. Tous les systèmes radio mobiles modernes sont basés sur cette approche. Le concept cellulaire Brevet Bell Labs, le 16 MAI 1972 Plusieurs cellules assurent une vaste zone de couverture Les fréquences sont réutilisées Les connexions changent de station de base quand le mobile se déplace Faible puissance d’émetteur

Figure I-4 : Concept cellulaire Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA I.2. Principe du CDMA L’avènement fulgurant des systèmes de communications numériques a contribué au développement des systèmes de communications personnels et des systèmes radio mobiles cellulaires tels que la téléphonie sans fil. Ceci s’est traduit par une augmentation considérable du nombre d’usagers qui, ayant des taux de transmission différents, doivent partager les mêmes ressources d’un tel système dans le but d’accéder au même réseau pour divers services. D’où le recours à une technique d’accès multiple plus performante, soit la technique CDMA. Elle consiste à étaler les spectres des signaux de tous les usagers et à assigner à chacun d’eux un code propre lui permettant de récupérer l’information le concernant à la réception. Le système CDMA basé sur l’étalement de spectre permet non seulement d’améliorer la capacité du système de communication mais permet aussi une bonne gestion de la bande de fréquence disponible.

I.2.1. Les codes pseudo aléatoires : Un code PN se comporte comme du bruit, mais est déterministe et sert à étaler l'énergie du signal d'information. La sélection de bons codes est importante, car elle détermine en partie la qualité du système.

I.2.1.1. Les m-séquences Les m-séquences possèdent une période de N= 2n – 1 où n est le nombre d’échelons (aussi appelé “degré”) dans le registre à décalage binaire avec boucle de rétroaction linéaire. L’avantage principal des m-séquences est leur fonction d’intra-corrélation périodique. Les ensembles de m-séquences qui sont utiles pour un système de communication sont les “Maximal Connected Sets” qui ont comme caractéristique d’avoir une fonction d’inter-corrélation périodique. Cependant, à partir de ces m-séquences, nous pouvons construire d’autres ensembles de séquences qui possèdent des caractéristiques presqu’aussi bonnes que les “Maximal Connected Sets”, mais où la quantité de séquences disponibles est beaucoup plus élevée. Ces séquences sont les séquences de Gold et de Kasami.

I.2.1.2. Code de Gold : Un des problèmes du système CDMA est de trouver plusieurs séquences avec de faibles corrélations croisées. Les codes Gold sont une famille de séquences qui permet d’atteindre ce but, afin de minimiser l’interférence entre utilisateurs sur des canaux à multi trajets. Les séquences Gold sont obtenues en combinant, avec modulo-2, deux séquences à longueur maximale.

Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA I.2.1.3. Code Flash-Hadamard : C’est un des codes les plus utilisés dans les systèmes DS-CDMA. Ces séquences fournissent un ensemble de codes orthogonaux qui permettent, dans un système multiutilisateur synchrone, de minimiser l’interférence entre utilisateurs. D’autres codes pseudo-aléatoires sont également utilisés dans la technique d’étalement de spectre à savoir : le code long, le code à longueur maximale, le code carrier Interférence, kasami etc.

I.2.2. Techniques d’étalement de spectre : L’étalement de spectre consiste à transmettre un signal d’information avec un spectre beaucoup plus large que nécessaire. Cela peut être accompli en multipliant le signal d’information par une séquence spécifique, dite code d’étalement, qui possède un débit plusieurs fois supérieur au débit du signal original. L’idée est de transformer un signal en bande relativement étroite en un signal qui a l’apparence d’un bruit sur une bande large. L'étalement spectral dans un système CDMA peut être soit par séquence directe (DS: Direct Sequence) soit sauts de fréquence (FH: Frequency Hopping) ou bien à sauts de temps, mais cette dernière technique n'est pas très répandue.

I.2.2.1. Étalement du spectre en séquence directe : C'est la forme la plus fréquente de l’étalement spectral; elle consiste à moduler de manière pseudo-aléatoire chaque bit par une séquence temporelle comprenant N chips. Ce qui fait élargir le spectre du signal de données N fois (figure suivante). Cette méthode utilise souvent une modulation de phase numérique (Phase Shift Keying) telle que la modulation de phase binaire cohérente BPSK (Binary Phase Shift Keying).

Figure I-5 : Modulation des données par des séquences pseudo-aléatoires.

Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

Figure I-6: Le spectre de densité de puissance de la séquence d'information: a) avant, b) après étalement

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA I.2.2.2. CDMA par sauts de fréquences : Dans cette technique, la bande de fréquence est divisée en N sous-canaux différents. L'étalement par sauts de fréquence peut s'établir selon deux modes: soit par saut lent de fréquence (SFH: Slow Frequency Hopping) qui consiste à effectuer un saut à chaque bit de données. Soit par saut rapide de fréquence (FFH: Fast Frequency Hopping) où on fait un saut de fréquence au niveau de chaque chip. Le facteur d'étalement spectral pour cette technique est alors défini comme le nombre de sous-canaux de fréquence utilisés.

I.2.2.3. CDMA par sauts de temps : L'étalement par sauts de temps consiste à diviser la durée de la transmission en plusieurs intervalles de temps de durée T et chacun est segmenté en plusieurs créneaux de temps de durée Tc = 1 / fs où fs est la fréquence de la séquence PN. Pour qu'il y ait étalement, le nombre de créneaux dans un intervalle de temps de durée T doit être beaucoup plus grand que le nombre de bits à transmettre dans ce même intervalle.

I.2.3. Caractéristiques du CDMA :

I.2.3.1. Canaux CDMA Dans un système CDMA nord américain, la voix et les données sont transmises dans un canal de 1,23 MHz de largeur. Cette largeur de bande résulte du débit choisi pour la séquence pseudo-aléatoire d’élargissement de spectre. Les canaux logiques CDMA sont les unités physiques nécessaires pour transmettre une conversation ou administrer le système. Leur nombre sur un site dépend des facteurs comme le trafic à écouler, l’importance des données, le nombre de Handovers à gérer, etc. On distingue deux catégories de canaux logiques. - Canaux de trafic Les canaux de trafic transportent les signaux des appels téléphoniques, c’est-à-dire la voix et les informations de contrôle associées à une communication donnée entre le mobile de l’abonné et la station de base. - Canaux de contrôle Canal pilote Il est utilisé par le mobile pour se synchroniser sur le réseau et identifier les cellules qu’il reçoit. Il y a un canal pilote par cellule. Canal de synchronisation Il transmet au mobile des informations relatives à l’identification de la cellule, au contrôle de puissance et au codage pseudo-aléatoire. Canal de messagerie Il établit la communication à partir de la station de base vers le mobile. C’est sur ce canal que la station de base appelle le mobile et lui transmet les informations Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA nécessaires à l’établissement de l’appel et à l’allocation d’un canal de trafic. Canal d’accès Il établit la communication du mobile vers la BTS quand le mobile n’utilise pas un canal de trafic. Le canal d’accès est utilisé pour émettre un appel, répondre à un message de la BTS. Le canal d’accès est appairé avec un canal de messagerie.

I.2.3.2. Synchronisation d’un système CDMA Le déploiement d’un système CDMA ne peut se faire qu’avec une bonne synchronisation entre les BTS. Pour l’obtenir, le système CDMA ajoute au code propre à chaque signal d’usager un code spécial dit « de bruit pseudo-aléatoire ». Les BTS se distinguent les unes des autres par la transmission de différentes parties de ce code à un moment donné. Autrement dit, les BTS transmettent des versions du même code qui ne diffèrent que par leur phase. Afin que ce décalage de temps reste constant et que les codes PN restent bien uniques, les BTS doivent être synchronisées sur une base de temps commune. Les principales méthodes de synchronisation sont le GPS, le réseau Loran_C (Long Range Navigation C) ou un oscillateur au rubidium.

I.2.3.3. Contrôle de puissance Le système CDMA est particulièrement sensible aux interférences entre les mobiles et il est donc nécessaire d’égaliser au mieux les puissances reçues par ceux-ci, tout en maintenant un bon niveau de qualité. Dans un système CDMA, la BTS communique avec le mobile, lui transmettant des instructions pour qu’il ajuste sa puissance à la hausse ou à la baisse. Le mobile émet à un niveau juste suffisant pour maintenir la communication. Cette fonction est apparue pour la première fois dans les réseaux GSM et elle est encore plus efficace dans un système CDMA, du fait de la plus grande fréquence des mesures et des ajustements. La BTS CDMA compare en permanence le signal reçu du mobile avec le signal nécessaire et décide de l’ajustement à donner toutes les 1,25 millisecondes, soit 800 fois par seconde, contre 2 fois par seconde pour un système GSM. L’ajustement se fait sur une échelle de 84 dB par pas de 1 dB.

I.2.3.4. Propriété de corrélation Les systèmes CDMA utilisent des codes dotés de propriétés de corrélation particulières. Les codes sont composés de séquences binaires de longueur identique. L’inter-corrélation de deux séquences de codes S = (S0, S1, …SN) et T = (T0, T1, … TN) de longueur j est définie par :

(1) L’auto-corrélation d’une séquence S = (S0, S1, …SN) est obtenue à partir de la définition précédente, soit :

(2)

Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA D’une manière générale, les fonctions de corrélation et d’inter-corrélation mesurent le degré de différence entre deux signaux. La figure II-7 montre un exemple de calcul de fonction de corrélation entre deux séquences binaires. La valeur de la fonction de corrélation est en fait égale au nombre de couples identiques moins le nombre de couples différents. 2 couples différents Séquence S =

1

1

0

1

0

0

1

Séquence T =

0

1

0

1

1

0

1

5 couples identiques

RS, T = 5 – 2 = 3

Figure I-7 : Exemple de calcul de corrélation entre 2 séquences. Dans un système CDMA, les codes utilisés doivent vérifier les deux propriétés de corrélation suivantes : La fonction d’auto-corrélation RS(i) de chaque code est maximale à i = 0 et faible ou négative lorsque i ≠ 0 ; L’inter-corrélation entre les codes est faible ou négative, voire nulle dans le cas d’une famille de codes orthogonaux.

I.2.3.5. Récepteur RAKE

Démodulateur

C(t – t1) C(t – t2)

Recombinaison

Dans un environnement de propagation multi-trajet, le récepteur reçoit différentes répliques, décalées, dans le temps, du signal émis et correspondant aux différents trajets empruntés par le signal. Deux attitudes sont alors possibles. La première consiste à ne traiter que le signal provenant du trajet dominant, les répliques étant alors traitées comme des signaux d’interférence et éliminées par le récepteur. La seconde consiste à combiner les différentes contributions reçues et à bénéficier ainsi du gain lié à la diversité de transmission. Le type de récepteur utilisé pour réaliser cette opération est appelé RAKE Receiver (récepteur RAKE). Les différentes branches du récepteur correspondent aux trajets principaux. Dans chaque branche, le signal reçu est corrélé avec une réplique du code utilisé par l’émetteur, décalé en fonction du temps de propagation de chacun des trajets.

Figure I-8 : Un exemple de récepteur à deux branches.

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA I.3. Architecture d’un réseau CDMA : Exemple UMTS L’architecture du réseau UMTS est composée de trois domaines : le domaine utilisateur, le domaine d’accès radio, ou réseau d’accès Acces Network, et le domaine du réseau cœur Core Network. Le réseau UMTS est donc composé des deux sous réseaux suivants comme l’illustre la figure ci-après.

Figure I-9 : Architecture du réseau UMTS avec les réseaux d'accès GSM et UTRAN. I.3.1. Réseau d’accès et réseau cœur : L'interface entre ces deux réseaux est appelée "Iu". Elle a été définie d'une manière aussi générique que possible afin d'être capable de connecter, en plus de l'UTRAN, des réseaux d'accès de technologies différentes au réseau cœur de l'UMTS (SRAN, BRAN etc.). Le réseau cœur Le réseau cœur de l'UMTS est scindé en deux domaines de service : Le CS (Circuit Switched) domain, Le PS (Packet Switched) domain. Le réseau d'accès UTRAN : Il gère les ressources radio, l’établissement, la maintenance et la libération des canaux radio entre le terminal et le réseau cœur (Core Network). Il permet aux utilisateurs mobiles de communiquer avec le réseau cœur. I.3.2. Hard handover ≠ soft handover : Le CDMA permet d’établir plusieurs connexions entre un terminal et les BTS afin de maintenir la communication en cas de passage d’une cellule à une autre (handover). Le mécanisme du soft-handover permet le passage d’une cellule à une autre sans Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Chap I : Etude et architecture d’un réseau CDMA coupure de communication. Dans le cas du hard handover (utilisé dans les systèmes GSM), un mobile est connecté à une seule cellule et quand il passe vers une autre, il coupe sa connexion avec l’ancienne cellule et établit une nouvelle connexion avec une nouvelle cellule.

Figure I-10 : Hard handover

Figure I-11 : Soft handover

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Chap II : Planification

II. Planification : La planification de réseau est la tâche majeure pour l'opérateur. Elle est longue, nécessite une main-d’œuvre qualifiée et est chère. La qualité du procédé de planification de réseau a une influence directe sur les bénéfices de l'opérateur. Une planification insatisfaisante peut causer des pertes d’appels. Autrement une mauvaise planification peut causer des dommages économiques pour l'opérateur qui a acheté des équipements chers et non nécessaires. Les procédés de planification dans les réseaux de 3G WCDMA et 2G GSM ont des différences fondamentales : dans le GSM beaucoup de travail est effectué avec la planification de fréquence, ce qui n’est pas le cas du CDMA, où on utilise une seule fréquence. Dans les systèmes WCDMA, différentes fréquences sont utilisées pour les différentes hiérarchies du réseau. Chaque opérateur a deux à cinq canaux de fréquence 5-MHz. Les tailles de cellules ne sont pas fixes, mais dépendent de la capacité exigée. La couverture et les paramètres de capacité sont dépendants, ainsi les deux doivent être planifiés ensemble.

II.1.

Objectifs de la planification

L'objectif de planification est de choisir une configuration du réseau permettant d'absorber les futures demandes estimées des utilisateurs, c'est à dire optimiser la valeur de satisfaction prévue des utilisateurs face à ces demandes. Les opérateurs et les constructeurs du système WCDMA doivent beaucoup tenir compte du rapport qualité-prix des équipements. Les buts de la planification sont : - définir un SIR (rapport Signal à interférence) minimum acceptable et rechercher la configuration de réseau qui occasionnerait des coûts moindres et qui est en conformité avec le SIR. - définir un coût de configuration de réseau maximum acceptable et rechercher la configuration de réseau qui donnerait le minimum de panne et le maximum de puissance autorisée. Ce qui consiste à faire l'équilibre entre la capacité, la couverture, la qualité et le coût, et atteindre une conception optimale.

II.2.

Procédé de planification

La différence de capacité-couverture n'est pas clairement présentée dans les références de planification pour le CDMA-One (cas d’un seul service). Le procédé de planification pour des réseaux CDMA multiservices qui est une description du processus complète combinant les aspects de capacité, de qualité et de couverture, ne se trouve pas dans la littérature. En outre, l'impact du contrôle de puissance rapide (dans le cas des stations mobiles lentes) sur le dimensionnement et la planification est analysé.

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Chap II : Planification Les phases du processus de planification sont représentées dans la figure ci-dessous. Les entrées et les sorties pour chacune des phases peuvent être trouvées du côté gauche et droit de la figure. Les déclenchements du processus peuvent provenir : • des performances en dessous des objectifs prévus • des changements au niveau de la stratégie commerciale • Nouveaux services • Des changements au niveau des priorités de service • Des changements au niveau des priorités de client etc. Les stratégies commerciales associées aux changements reflètent les paramètres d'entrée. Dans le cas des problèmes de performance la situation doit être changée avec les paramètres de changements du RRM, du matériel etc. La planification initiale (c.-à-d. dimensionnement du système) fournit la première et la plus rapide évaluation de la taille du réseau ainsi que la capacité associée aux éléments impliqués. Ceci inclut le réseau d'accès radio ainsi que le réseau cœur. Entrée Spécification RN par service : • Qualité liée à : -Service mix -Classe du MS -Couverture indoor -Probabilité de localisation -Probabilité de blocage -Délai acceptable • Capacité liée à : -Spectre disponible -Prévision de la croissance des abonnés -Information de la densité de trafic • Couverture liée à : -Régions de couverture -Information du type de zone -Condition de propagation

Les phases du processus

Sortie

Dimensionnement du réseau radio

• Estimation du bilan RL • Estimation de la densité du site • Calcul de la taille de la cellule • Calcul de la capacité • Estimation de la qualité • Estimation des équipements du BSS • Estimation de la capacité • Spécification du RNC et flux du trafic par RNC

Planification détaillée du RN Planification de couverture et sélection de sites Mesure de propagation Prédiction de couverture Acquisition de site Optimisation de la couverture

Exigences de capacité Distribution du trafic Distribution du service Caractéristiques de blocage/attente du système permises

Analyse des interférences extérieures Identification Adaptation

Paramètre de planification Zone/Cellule spécifiques Stratégies de Handover Charge maximale du réseau Autre RRM

Optimisation/Analyse commerciale : Amélioration, revalorisation du réseau, changement dans les exigences de la QoS/trafic etc.

Mesure d’expertise (Analyse concurrentielle, opinion de la clientèle) Analyse statistique de performance Analyse de qualité Disponibilité Efficacité

Figure II-1 : La planification et l'optimisation du réseau radio.

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Chap II : Planification Au niveau de la sortie, les mesures provenant directement du réseau peuvent remplacer les estimations utilisées dans la phase de planification/dimensionnement. Dans la phase détaillée de planification la densité dimensionnée du site est transférée sur une carte numérique prenant les limitations physiques venant, par exemple, de l'acquisition du site considéré. Dans la phase détaillée de planification, des analyses multiples sont faites pour vérifier si les conditions sont réellement remplies. Dans la phase de planification les moyens d'optimisation peuvent être mis en œuvre par le contrôle d'interférence en termes de configuration d'antennes et de sites appropriés et le choix de l’endroit, ou l’inclinaison des antennes. Au cas où la stratégie commerciale de l'opérateur changerait, le dimensionnement et la planification détaillée peuvent fournir des informations valables liées à l'expansion du réseau. L'information du trafic mesurée peut être importée vers l'outil de planification et elle peut encore être utilisée en vérifiant les possibilités de capacité et de couverture du réseau planifié.

II.2.1.

Dimensionnement

L'objectif du dimensionnement est de : minimiser les capacités des liens câblés pour la partie câblée (WL), minimiser le nombre de stations de base et identifier leurs positions pour la partie radio (RL). Le dimensionnement de la partie câblée consiste à prendre comme capacité optimale d'un lien la capacité maximale de celles occupées sur toutes les périodes. Pour le dimensionnement de la partie radio, on répartit de façon uniforme un certain nombre de BTS potentielles en créant un surdimensionnement initial, ainsi on s'assure que l'optimisation trouvera une solution si le trafic est élevé. La procédure d'optimisation choisit les BTS potentielles nécessaires, dans une configuration optimale, pour supporter la charge de trafic avec les exigences de qualité de service des sessions et les niveaux de service globaux (GoS). Le dimensionnement est basé sur les exigences de l'opérateur, à savoir : Couverture : - zones de couverture - information du type de secteur - conditions de propagation Capacité : - spectre disponible. - prévision de croissance d'abonnés

- la densité du trafic de l'information Qualité de service : - probabilité de localisation du secteur (probabilité de couverture) - la probabilité de blocage. - débits utilisateur

Les activités du dimensionnement incluent le bilan de liaison radio et l'analyse de couverture, l’estimation de la capacité, du nombre de sites et du matériel de station de base, des contrôleurs du réseau radio (RNC), des équipements à différentes interfaces, et les éléments du réseau cœur.

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Chap II : Planification II.2.1.1. Modèles de propagation : Calcul de qualité : Au cours de la propagation, le signal provenant de l’émetteur subit des pertes. De ce fait, la puissance reçue sera calculée par la formule ci-dessous :

(3)

Où :

PR : puissance reçue au niveau du récepteur PE : puissance émise par la source GE : gain de l’antenne d’émission Lt : pertes feeder uplink Lr : pertes feeder downlink Lprop : pertes du milieu de propagation qui peuvent être estimées à l’aide des modèles de propagation cités ci après. Modèles de propagation :

Afin de calculer la puissance reçue en un point bien déterminé on doit prédire l’affaiblissement porté par le canal. A cet effet le planificateur doit avoir recourt à des modèles de prédiction de la propagation.

1. Modèle de propagation en espace libre : C’est un modèle théorique de prédiction pour un terrain « idéal » sans frontières. L’affaiblissement est donné par la formule suivante :

(4) Avec : f est la fréquence en MHz et d la distance en Km. Les modèles les plus connus seront classés selon les environnements de leur validité à savoir : les modèles de la propagation en environnement suburbain et rural, urbain et à l'intérieur des bâtiments (Indoor). 2. Modèles de propagation en indoor (pico-cellulaire) : Les paramètres caractérisant ces modèles sont : la nature du terrain, la nature des matériaux de construction, l’épaisseur des murs etc. Parmi les modèles de propagation en Indoor on peut citer le modèle de Lafortune. Etude, planification et optimisation d’un réseau CDMA

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Chap II : Planification 3. Modèles de propagation en environnement urbain (micro cellulaire) : Ces modèles sont utilisés dans les environnements urbains denses. Exemples de modèles microcellulaires : le modèle du COST 231,Walfish-Ikegami et le modèle de Sakagami-Kuboi. 4. Modèles de propagation en environnement suburbain ou rural (macro cellulaire) : Le modèle le plus utilisé est celui de Okumura-Hata. Il sert de base à une grande variété de modèles plus affinés, comme le cas du modèle du COST231-OkumuraHata.  Modèle du COST231-Okumura-Hata : Formule :

(5) Avec:

f : fréquence en MHz comprise entre 150 et 1500 MHz d : distance entre la station de base et la station mobile en km