etude et performance du soft handover dans le reseau umts

N° d’ordre : 08 / RS/ TCO
Année Universitaire : 2009 / 2010
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
---------------------ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
----------------------DEPARTEMENT TELECOMMUNICATION
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES
en vue de l’obtention
du DIPLOME d’INGENIEUR
Spécialité : Télécommunication
Option : Réseaux et Systèmes (RS)
par :
RANDRIANANDRASANA Marie Emile
ETUDE ET PERFORMANCE DU SOFT HANDOVER DANS
LE RESEAU UMTS
Soutenu le samedi 14 mai 2011 devant la Commission d’Examen composée de :
Président :
M. BOTO ANDRIANANDRASANA Jean Espérant
Examinateurs :
Mme RAMAFIARISONA Malalatiana
M. RAVONIMANANTSOA Ndaohialy Manda-Vy
M. RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel
Directeur de mémoire :
M. RAKOTOMALALA Mamy Alain
REMERCIEMENTS
Avant tout, je glorifie l’éternel Dieu tout puissant de m’avoir soutenu durant la réalisation de cet
ouvrage.
Ensuite, je tiens aussi à remercier les personnes suivantes sans qui je n’aurai accompli l’étude que
j’ai suivie à l’E. S. P. A., parmi lesquelles :
•
Monsieur ANDRIANARY Philippe Antoine, Professeur, Directeur de l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo ;
•
Je tiens à témoigner ma reconnaissance et ma gratitude les plus sincères à Monsieur
RAKOTOMALALA Mamy Alain, Assistant d’Enseignement et de Recherche,
Enseignant-Chercheur à l’ESPA, qui, en tant que Directeur de ce mémoire, s'est toujours
montré à l'écoute et très disponible tout au long de sa réalisation.
•
Monsieur RAZAKARIVONY Jules, Maître de Conférences, Chef de Département
Télécommunications.
•
Mes vifs remerciements s’adressent aussi à Monsieur BOTO ANDRIANANDRASANA
Jean Espérant, qui nous a fait l’honneur de présider le jury de soutenance de ce mémoire,
Tous les membres de jury, également enseignants dans la filière Télécommunications, à savoir :
•
Madame RAMAFIARISONA Malalatiana, Enseignant-Chercheur à l’ESPA.
•
Monsieur RAVONIMANANTSOA Ndaohialy Manda-Vy, Enseignant-Chercheur à
l’ESPA.
•
Monsieur RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel, Enseignant-Chercheur à l’ESPA.
Qui ont accepté de sacrifier leur temps pour assister à la présentation de ce mémoire ;
•
Tous les enseignants et tout le personnel de l’Ecole Supérieure Polytechnique
d’Antananarivo, en particulier ceux du département Télécommunications ;
•
A toute ma grande famille, mes amis, mes collègues et tous ceux qui de près ou de loin ont
contribué à la réalisation de ce travail ;
Je vous remercie tous et que le ciel vous donnera tout le bonheur que vous souhaitez.
i
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ...................................................................................................................................... i
TABLE DES MATIERES ............................................................................................................................ ii
NOTATIONS ET ABREVIATIONS ......................................................................................................... vii
INTRODUCTION GENERALE.................................................................................................................. 1
CHAPITRE 1 LES RESEAUX UMTS ........................................................................................................ 3
1.1 Introduction ......................................................................................................................................... 3
1.2 Handover ............................................................................................................................................. 3
1.3 Les différentes phases d’évolution de la technologie mobile ........................................................... 3
1.3.1 Les organismes de normalisation ................................................................................................. 3
1.3.2 Les différentes phases d’évolution de la technologie mobile [3] [4] ........................................... 4
1.3.2.1 Le réseau 1G........................................................................................................................... 4
1.3.2.2 Le réseau 2G : GSM, GPRS et EDGE ................................................................................... 5
1.3.2.3 Le réseau 3G : UMTS ............................................................................................................ 7
1.4 Principes de base du réseau UMTS ................................................................................................... 8
1.4.1 Les objectifs de l’UMTS ............................................................................................................... 8
1.4.2 Les classes de QoS dans le réseau UMTS .................................................................................... 8
1.4.2.1 La classe conversationnelle .................................................................................................... 9
1.4.2.2 La classe diffusion .................................................................................................................. 9
1.4.2.3 La classe interactive ............................................................................................................... 9
1.4.2.4 La classe tâche de fond........................................................................................................... 9
1.5 Organisation fréquentielle................................................................................................................ 11
1.6 Architecture du réseau UMTS ......................................................................................................... 11
1.6.1 L’architecture générale .............................................................................................................. 11
1.6.2 L’architecture de l’UTRAN ........................................................................................................ 12
1.6.2.1 Le Node B ............................................................................................................................ 12
1.6.2.2 Le RNC ................................................................................................................................ 12
1.6.2.3 Les interfaces de l’UTRAN.................................................................................................. 12
1.6.3 L’architecture du réseau cœur ................................................................................................... 13
ii
1.6.3.1 Domaine à commutation de circuits ..................................................................................... 14
1.6.3.2 Domaine à commutation de paquets .................................................................................... 15
1.7 Architecture en couche de l’interface Air de l’UMTS ................................................................... 15
1.7.1 La couche physique .................................................................................................................... 17
1.7.1.1 Présentation .......................................................................................................................... 17
1.7.1.2 Fonctionnalités ..................................................................................................................... 17
1.7.2 Les opérations de la couche physique ....................................................................................... 18
1.7.2.1 Contrôles d’erreurs ............................................................................................................... 18
1.7.2.2 Concaténation ou segmentation des blocs de transport ........................................................ 19
1.7.2.3 Egalisation ou adaptation du débit ....................................................................................... 19
1.7.2.4 1er et 2ème entrelacements ................................................................................................... 19
1.7.2.5 Segmentation des trames ...................................................................................................... 19
1.7.2.6 Multiplexage des canaux de transport .................................................................................. 20
1.7.2.7 Segmentation pour le canal physique ................................................................................... 20
1.7.2.8 Etalement et modulation....................................................................................................... 20
1.7.3 La couche MAC .......................................................................................................................... 20
1.8 Conclusion ......................................................................................................................................... 21
CHAPITRE 2 TECHNIQUE D’ACCES WCDMA EN UMTS .............................................................. 22
2.1 Introduction ....................................................................................................................................... 22
2.2 Principe de la méthode CDMA ........................................................................................................ 22
2.3 Organisation fréquentielle................................................................................................................ 23
2.3.1 Le FDD........................................................................................................................................ 23
2.3.2 Le TDD ........................................................................................................................................ 24
2.4 Organisation temporelle ................................................................................................................... 25
2.5 Déploiement ....................................................................................................................................... 25
2.6 Caractéristiques du WCDMA.......................................................................................................... 25
2.7 Principes de l’étalement de spectre et son application en CDMA ................................................ 26
2.7.1 Gain de traitement ...................................................................................................................... 27
iii
2.7.2 Le facteur d’étalement ................................................................................................................ 28
2.7.3 Propriétés de l’étalement de spectre ........................................................................................... 29
2.8 DS-CDMA ou Etalement de spectre par séquences directes ......................................................... 29
2.9 Les avantages du système WCDMA................................................................................................ 30
2.10 Les inconvénients du système WCDMA ....................................................................................... 31
2.11 Contraintes du WCDMA................................................................................................................ 32
2.11.1 Les trajets multiples .................................................................................................................. 32
2.11.2 Le fast-fading ............................................................................................................................ 33
2.11.3 L’effet near-far ......................................................................................................................... 33
2.11.4 Le contrôle de puissance........................................................................................................... 33
2.12 Les problèmes majeurs de l’UMTS ............................................................................................... 34
2.12.1 Interférences intra et extracellulaire........................................................................................ 34
2.12.2 Une couverture insuffisante et terminale peu nombreuse ...................................................... 35
2.13 Conclusion ....................................................................................................................................... 35
CHAPITRE 3 HANDOVER DANS LE RESEAU UMTS ....................................................................... 36
3.1 Introduction ....................................................................................................................................... 36
3.2 Notion de handover en UMTS ......................................................................................................... 36
3.3 Mesures effectuées par la couche physique [25] ............................................................................. 37
3.4 Types de mesures .............................................................................................................................. 37
3.5 Calage sur une cellule ...................................................................................................................... 38
3.5.1 Processus de recherche et de sélection de PLMN...................................................................... 38
3.5.2 Phases dans la sélection de cellule ............................................................................................. 38
3.5.3 Caractéristiques d’une cellule convenable et d’une cellule acceptable .................................... 39
3.6 Processus de resélection de cellule .................................................................................................. 40
3.6.1 Règles de mesure pour la resélection de cellule ........................................................................ 40
3.6.2 Etapes dans le processus de resélection de cellule .................................................................... 41
3.7 Processus de handover ...................................................................................................................... 42
3.7.2 Qualité de signal ......................................................................................................................... 43
iv
3.7.3 Le trafic ....................................................................................................................................... 44
3.8 Handover dans le réseau UMTS ...................................................................................................... 44
3.9 Types de handover en UTRA ........................................................................................................... 45
3.9.1 Le Hard Handover ...................................................................................................................... 45
3.9.1.1 Principe................................................................................................................................. 45
3.9.1.2 Problème du Hard handover dans le réseau UMTS ............................................................. 47
3.9.2 Le soft/softer Handover .............................................................................................................. 47
3.9.2.1 Principe................................................................................................................................. 47
3.9.2.2 Exemple d’algorithme de soft handover............................................................................... 48
3.9.2.3 Différence de temps entre les cellules candidates et la cellule active .................................. 50
3.9.2.4 Contrôle de puissance pendant le soft handover .................................................................. 50
3.10 Soft handover et couverture ........................................................................................................... 53
3.11 Soft handover et capacité sur le lien descendant ......................................................................... 55
3.12 Exemple ........................................................................................................................................... 56
3.12.1 Classement de cellule au sein de l’UE ..................................................................................... 59
3.12.1.1 Le handover intrafréquence ................................................................................................ 59
3.12.1.2 Le handover interfréquence ................................................................................................ 59
3.12.1.3 Le handover intersystème ................................................................................................... 60
3.12.2 Les différentes phases dans une procédure de handover ....................................................... 60
3.13 Handover intrafréquence ............................................................................................................... 61
3.14 Handover interfréquence ............................................................................................................... 61
3.15 Avantages du handover interfréquence ........................................................................................ 62
3.16 Handover intersystème entre UTRA et le GSM ........................................................................... 62
3.17 Conclusion ....................................................................................................................................... 63
CHAPITRE 4 ............................................................................................................................................... 64
SIMULATION SUR L’ETUDE ET PERFORMENCE DE SOFT HANDOVER EN UMTS ............. 64
1.1 Présentation d’OPNET® Modeler .................................................................................................. 64
4.1.1 Description d’OPNET................................................................................................................. 64
v
4.1.2 La boîte à outils d’OPNET ......................................................................................................... 64
4.1.2.1 Les systèmes (devices) ......................................................................................................... 64
4.1.2.2 Les protocoles ...................................................................................................................... 65
4.1.3 Conception du réseau : La logique d’OPNET ........................................................................... 65
4.1.3.1 Project level .......................................................................................................................... 66
4.1.3.2 Network level ....................................................................................................................... 66
4.1.3.3 Node level ............................................................................................................................ 66
4.1.3.4 Process level ......................................................................................................................... 67
4.1.4 Programmer le comportement des processus............................................................................. 68
4.2 Simulation de Hard Handover et Soft Handover ........................................................................... 68
4.2.1 Introduction ................................................................................................................................ 68
4.2.2 Scenarios de Handover ............................................................................................................... 68
4.2.2.1 Conception du réseau à simuler............................................................................................ 68
4.2.2.2 Paramétrage du RNC ............................................................................................................ 69
4.3 Résultats et interprétations .............................................................................................................. 71
4.4 Paramétrage du soft handover sous OPNET.................................................................................. 76
4.5 Conclusion ......................................................................................................................................... 77
CONCLUSION GENERALE .................................................................................................................... 79
ANNEXE 1 Le critère « S » ........................................................................................................................ 81
ANNEXE 2 Règles associées à une structure non hiérarchisée : ............................................................ 83
ANNEXE 3 CLASSEMENT DES CELLULES CANDIDATES A LA RESELECTION : CRITERE
« R » .............................................................................................................................................................. 84
BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................................... 86
FICHE DE RENSEIGNEMENT ............................................................................................................... 89
RESUME ...................................................................................................................................................... 90
ABSTRACT ................................................................................................................................................. 90
vi
NOTATIONS ET ABREVIATIONS
1. Minuscules latines
Probabilité d’un événement
Distance entre l’UE et le Node B1
r
Distance entre l’UE et le Node B
v
Facteur d’activité
Distance entre l’UE et le Node B2
2. Majuscules latines
Densité spectrale du signal avant étalement
B
Largeur de bande du signal transmis en Hz
B
Densité spectrale du signal après étalement
Largeur de bande occupée par le bit d’information avant étalement
B
Débit symbole
C
Capacité du canal en bits par seconde
B
Largeur de bande du signal étalé
Signal to Interference Ratio (SIR)
Gain de traitement
Atténuation de propagation du seconde Node B vers l’UE
Atténuation de propagation du première Node B vers l’UE
Atténuation de propagation du troisième Node B vers l’UE
Ln
Atténuation de propagation du n-ième Node B vers l’UE
M
Nombre d’utilisateurs actifs dans la cellule
Ps
Puissance du canal DPCCH
Puissance totale de transmission du première Node B
Puissance totale de transmission du seconde Node B
Puissance du canal DPCCH dans le node B2
Puissance du canal DPCCH dans le node B1
Puissance totale de transmission du première Node B
Puissance totale de transmission du seconde Node B
vii
PTn
Puissance totale de transmission du n-ième Node B
R
Débit binaire
S
Puissance du signal en Watt
SF
Facteur d’étalement
W
Durée des symboles d’information
Débit de chip
3. Minuscules grecques
,,
Puissances consommées (Facteurs qui dépendent des conditions de propagation
Perte due à l’effet de masque entre le node B1 et UE
et le reste dépend du type de service)
Perte due à l’effet de masque entre le node B2 et UE
Exposant de la perte de trajet
Marge de fading
Perte due à l’effet de masque
Ecart type
4. Abréviations
1G
Première Generation
2G
Deuxième Generation
3G
Troisième Génération
3GPP
Third Generation Partnership Project
AAL
ATM Adaptation Layer
ALCAP
Access Link Control Protocol Application Part
AMPS
Advanced Mobile Phone System
AMRC
Accès Multiple par Répartition de Codes
AMRT
Accès Multiple à Répartition dans le Temps
ATM
Asynchronous Transfer Mode
BCH
Broadcast Channel
BER
Bit Error Rate
BLER
Block Error Rate
viii
BSSAP
Base Station Subsystem Application Part
CCTrCH
Code Composite Transport Channel
CDMA
Code Division Multiple Access
CLPC
Closed Loop Power Control
CN
Core Network
CPICH
Common Pilot Channel
CRC
Cycling Redundant Check
CS
Circuit Switch
dB
décibel
dBm
décibel milliwatt
DCH
Dedicated Channel
DL
Downlink
DPCCH
Dedicated Physical Control Channel
D-RNC
Drift RNC
DS
Direct Sequence
EDGE
Enhanced Data Rate for GSM Evolution
ETSI
European Telecommunications Standards Institute
FACH
Forward Access Channel
FBI
FeedBack Information
FDD
Frequency Division Duplex
FDMA
Frequency Division Multiple Access
FER
Frame Error Rate
FOMA
Freedom of Mobile Multimedia Access
GMSC
Gateway MSC
GPRS
General Packet Radio System
GSM
Global System for Mobile communications
GTP
GPRS Tunnel Protocol
GTP-U
GTP User Plane
HCS
Hierarchical Cell Structure
HLR
Home Location Register
HSDPA
High Speed Downlink Packet Access
HSS
Home Subscriber Server
ix
HSUPA
High Speed Uplink Packet Access
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP
Internet Protocol
kbps
kilobit per second
M3UA
MTP3 User Adaptation
MAC
Media Access Control
mbps
megabit per second
MEHO
Mobile Evaluated HandOver
MHz
MégaHertz
MSC
Mobile Switching Center
MTP3b
Message Transfer Part Broadband
NAS
Non Access Stratum
NBAP
Node B Application Part
NEHO
Network Evaluated Handover
NMT
Nordic Mobile Telephone
NNI
Service Specific Coordination Function
OLPC
Open Loop Power Control
OPNET
Optimum Network
P-CCPCH Primary Common Control Physical Channel
PCH
Paging Channel
PDP
Packet Data Protocol
PLMN
Public Land Mobile Network
PS
Packet Switch
QoS
Quality of Service
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RAB
Radio Access Bearer
RAN
Radio Access Network
RANAP
Radio Access Network Application Part
RAT
Radio Access Technology
RNC
Radio Network Controller
RNS
Radio Network System
RNSAP
Radio Network Subsystem Application Part
x
RRC
Radio Resource Control
RSCP
Received Signal Code Power
RSSI
Receive Signal Strength Indicator
SA
Access Stratum
SAAL
Signaling ATM Adaptation Layer
SCCP
Signaling Connection Control Part
SCH
Synchronisation Channel
SCTP
Stream Control Transmission Protocol
SGSN
Serving GPRS Support Node
SGSN
Serving GPRS Support Node
SIGTRAN Signalling Transport
SIR
Signal to Interference Ratio
SMS
Short Message Service
SRAN
Satellite Radio Access Network
S-RNC
Serving RNC
SSCOP
Specific Connection Oriented Protocol
SSDT
Site Selection Transmit Diversity
SSMA
Spread Spectrum Multiple Access
TCP
Transmission Control Protocol
TDD
Time Division Duplex
TDMA
Time Division Multiple Access
TPC
Transmit Power Control
TTI
Transmission Time Interval
UARFCN UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number
UDP
User Datagram Protocol
UE
User Equipment
UIT
Union Internationale des Télécommunications
UL
Uplink
UMTS
Universal Mobile Telecommunication System
USIM
UMTS Subscriber Identity Module
UTRA
UMTS Terrestrial Radio Access
UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access Network
xi
VLR
Visitor Location Register
VoIP
Voix sur IP
WCDMA
Wideband Code Division Multiple Access
xii
INTRODUCTION GENERALE
Avec l’avènement des réseaux de troisième génération et la conception des réseaux de quatrième
génération, le déploiement des services s’avère d’une importance cruciale pour les réseaux
mobiles. En effet, les réseaux actuels sont en train d’´evoluer vers une architecture où différents
types de services avec des exigences en qualité de service différentes coexistent. Parmi les
services proposés par les opérateurs, nous relevons un service indispensable au bon
fonctionnement des réseaux mobiles: la mobilité. La fourniture du service de mobilité constitue
l’élément clé dans les communications sans fil et fait toute l’originalité des réseaux mobiles.
Deux types de problèmes apparaissent lors de la gestion de la mobilité de l’utilisateur. Le premier
problème concerne la localisation des terminaux inactifs afin de réagir rapidement aux requêtes
provenant du réseau et afin d’établir des communications avec ces terminaux en un temps optimal.
Le deuxième problème réside dans le fait qu’un utilisateur actif en mouvement quitte la zone où
son réseau d’accès est capable de lui fournir un certain niveau de qualité de service.
La gestion du « handover » constitue un important défi à relever et détermine la performance des
réseaux mobiles. En effet, un appel d’un utilisateur fixe ou mobile doit être transféré d’une cellule
à une autre lorsque l’appel en progrès ne peut bénéficier d’un canal de communication convenable
dans la cellule courante à cause de la mobilité de l’utilisateur, du mouvement du satellite ou pour
des raisons de propagation. Le « handover » établit le transfert de liaison de communication du
canal courant à un autre canal.
Pour contrôler la charge du système, remédier aux problèmes de la couverture et pour offrir une
qualité de service satisfaisante, différents types de « handover » sont introduits dans le système
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System).
Ce mémoire intitulé : « étude et performance de « soft handover » dans le réseau UMTS » a pour
but d’analyser l’impact de « soft handover » dans le réseau UMTS et de configurer les différentes
paramètres de cet « handover » en se basant sur son algorithme.
Dans ce mémoire, quatre chapitres ont été conçus pour mieux exposer le thème. Le premier
chapitre décrit les différentes phases d’évolution de la technologie mobile et on parlera aussi de
l’architecture de base du réseau UMTS et son architecture.
1
Le second chapitre abordera la technique d’accès WCDMA (Wideband Code Division Multiple
Acces) comme une des variantes de l’interface air de l’UMTS. On détaillera le principe de cette
technique, leurs caractéristiques et leurs contraintes.
En troisième chapitre, on verra le détail sur le processus de handover dans le réseau UMTS. Nous
parlerons dans ce troisième chapitre comment gérer la mobilité des utilisateurs dans le réseau 3G,
ensuite, quelles sont les différentes types de handover en UMTS et enfin, comment paramétrer le
soft handover.
En dernier chapitre, on va étudier dans la simulation la performance de soft handover dans le
réseau UMTS sous le logiciel Opnet Modeler 14.0.A.
2
CHAPITRE 1
LES RESEAUX UMTS
1.1
Introduction
L’UMTS est présenté comme la troisième révolution de l’information après la télévision et
l’Internet. L’UMTS ne se limite pas au transfert de la voix : il permet également d’offrir une large
gamme de services multimédia. Dans ce chapitre, nous présentons l’architecture du réseau UMTS
et nous détaillons les différents services offerts par ce réseau. Mais avant d’aborder ce sujet, on va
essayer de définir le terme handover et on va parler un peu de l’évolution des réseaux cellulaires
qui ont précédés l’UMTS.
1.2
Handover
Le handover est par définition le transfert automatique intercellulaire. Il permet d’éviter les
coupures de communication en bordure de cellule et réduit significativement l’interférence crée
dans le réseau. On parlera beaucoup ce terme dans le chapitre 3.
1.3
1.3.1
Les différentes phases d’évolution de la technologie mobile
Les organismes de normalisation
Si les organismes de régulation se chargent de la gestion du spectre, les techniques de
communications utilisant ce spectre ne sont standardisées ni par ces organismes, ni par les
opérateurs directement. En lieu et place, ce sont des instances scientifiques qui se chargent
d’élaborer des scénarios, des spécifications, et finalement des standards, qui sont par la suite
approuvés par les autorités.
Les organismes de normalisation régissent les standards qui sont utilisés par exemple par les
fabriquant de téléphones portables ou d’autres systèmes sans-fil. Ces organismes réunissent des
groupes de travail qui ont pour objectif de déterminer les techniques de communications à utiliser,
ainsi que les nombreux paramètres associés : les protocoles, les formats de trame, les modes de
fonctionnement possibles, etc. Ces organismes, souvent en concurrence, coexistent sur le plan
international, régional, ou local. On peut citer l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers) au plan international, et au plan européen, l’ETSI (European Telecommunications
3
Standards Institute). Prenons l’exemple de la forme d’onde de la 3G (3ème Génération) en Europe.
C’est le standard UMTS soutenu par l’ETSI qui a été choisi.
Par ailleurs, plusieurs organismes régionaux peuvent créer des partenariats pour des projets
d’envergure. Par exemple, en décembre 1998, l’ETSI s’est associé à différents partenaires dans le
cadre du projet 3GPP (Third Generation Partnership Project), avec pour objectif de produire
uniquement des spécifications techniques pour la 3G (bâtie sur l’infrastructure réseau 2G
existante) et pour l’UTRA (une évolution de la 3G supportant des débits plus élevés). La
standardisation se fait en dehors de la juridiction du 3GPP, par le biais des partenaires du projet,
au niveau de leur autorité régionale respective.
Les projets permettent donc de fournir des spécifications techniques et d’être mieux entendu, du
fait du groupement d’organismes. De plus, on améliore la cohérence et la lisibilité des positions
défendues par une région donnée. [1] [2]
1.3.2
1.3.2.1
Les différentes phases d’évolution de la technologie mobile [3] [4]
Le réseau 1G
Communication sur onde porteuse qui utilise la transmission analogique .Le réseau 1G (1ère
génération) a été proposée sous le nom de Radiocom 2000 Jusqu’aux années 1990. Les plus
important systèmes sont AMPS « Advanced Mobile Phone System »
qu’en Europe norme NMT « Nordic Mobile Telephone »
aux Etats-Unis ainsi
basées sur la technologie FDMA
(Frequency Division Multiple Access) autour de la bande 400Mhz .
Les systèmes analogiques sont apparus ayant comme service unique la voix, on ne peut pas faire
de transmission de données. C’est la première génération qui présentait beaucoup
d’inconvénients :
•
Une efficacité spectrale limitée ;
•
Sensibilité aux bruits
•
Cout et poids du mobile
•
Mobilité réduite ;
•
Manque de sécurité des communications (on ne peut pas crypter)
•
Qualité des informations (la variation de l’amplitude est difficile à régénérer)
4
•
Normes incompatibles (AMPS, NMT)
Ainsi donc, Le matériel ne bénéficiait pas des avancées technologiques d’aujourd’hui ; les
problématiques de poids, d’encombrement, et d’autonomie étaient pénalisantes pour une
application mobile. La solution a donc tout naturellement trouvé un débouché dans les transports,
conciliant mobilité et source d’énergie. Le réseau a rapidement disparu après l’avènement du
GSM, réseau de seconde génération.
1.3.2.2
Le réseau 2G : GSM, GPRS et EDGE
Il est marqué par l’explosion des normes numériques avec un rôle prépondérant de l’Europe et du
GSM pour remédier à la transmission analogique. Le développement des cellulaires de
seconde génération fut dirigé par le besoin d’améliorer la qualité de transmission,
d’augmenter les capacités du système ainsi que la couverture du réseau. Les mobiles sont moins
cher et moins encombrants en plus d’une amélioration nette côté sécurité.
Les systèmes numériques (ou 2ème génération) sont apparus dès le début des années 90 avec :
•
Le GSM en Europe ;
•
IS-95 (cdmaOne) et IS-136 (TDMA system) aux Etats-Unis
•
PDC au Japon
a. Le GSM
Le GSM (Global System for Mobile communications) est le système qui a permis l’accès à la
téléphonie mobile grand public. Classiquement, dans le réseau GSM, les différents utilisateurs
communiquent à tour de rôle, ils ont donc un slot de temps réservé : c’est la technique d’accès
multiple à répartition dans le temps (AMRT).
De plus, les utilisateurs communiquent non pas sur une fréquence fixe, mais sur plusieurs
fréquences car le GSM dispose de 124 fréquences porteuses de 200 kHz chacune, totalisant une
bande de 25 MHz. À chaque slot correspond une fréquence : c’est la technique de saut de
fréquences, pour limiter les erreurs de transmission.
Les bandes occupées par le GSM sont 890 - 915 MHz pour la voie montante, et 935 - 960 MHz
pour la voie descendante. La liaison est donc full-duplex, car les deux communications peuvent se
faire au même instant sur deux bandes de fréquences distinctes.
5
Le GSM a aussi été transposé autour de 1800 MHz donnant lieu aux systèmes bi-bande (uplink :
1710 - 1785 MHz, downlink : 1805 - 1880 MHz).
Avec la croissance des abonnées la capacité des réseaux 2G n’est plus suffisante, la mobilité à
l’échelle mondiale n’est pas toujours garantie en plus d’une limite des offres de services. La
saturation diminue mais le nombre d’abonnés augmente d’où le problème de saturation persiste
encore. Son débit relativement faible de 9,6 kbit/s l’établit à des services de voix, même si il a
également popularisé le SMS. Il y a monopolisation de ligne par l’utilisation de la technique de
commutation de circuit. [5]
Pour contrecarrer ces insuffisances, 2 solutions peuvent être adoptées :
•
Au cours terme : le passage vers une technologie 2.5G (GPRS, EDGE) avec un cout
d’évolution minime.
•
A long terme : la conception complète d’un nouveau standard (UMTS) avec un cout élevé
mais une large panoplie de service
b.
Le GPRS et l’EDGE
Les limitations en termes de débit du GSM ont conduit les professionnels à adopter de nouvelles
techniques optimisant les infrastructures existantes tout en minimisant le nombre de nouveaux
équipements à installer pour développer le service de transmission des données.
Dans ce contexte s’est développé le GPRS (General Packet Radio service), qui introduit la
communication par paquets pour les données, dérivé du modèle de communication IP.
À la différence du GSM, le GPRS ne réserve pas de slots de temps par utilisateurs de manière fixe.
Au contraire, plusieurs de ces slots peuvent être alloués à un mobile selon la disponibilité de la
station de base. L’optimisation permet d’atteindre des débits maximums réels de 50 kbit/s.
Le but de cette nouvelle technologie est de permettre la transmission des données dans des
conditions suffisantes (pour permettre d’accéder à Internet depuis son terminal sans subir les
temps de chargement des pages Web). Le GPRS s’appuie sur une nouvelle infrastructure réseau
qui prend en charge l’acheminement des données les plus volumineuses. Elle fonctionne donc en
parallèle du réseau GSM classique. En conséquence, la voix conserve le mode de transmission
GSM. Cette nouvelle architecture mixte GSM et GPRS est également appelée 2.5G au sens où elle
améliore la 2G existante sans toutefois bouleverser son infrastructure.
6
Une évolution du GPRS a également fait son apparition. C’est la technique EDGE (enhanced Data
Rate for GSM evolution). On atteint ici la 2.75G, avec des débits théoriques de 384 kbit/s grâce à
un changement de la modulation. [7] [8]
1.3.2.3
Le réseau 3G : UMTS
La 3G correspond pour l’Europe au standard UMTS (Universal mobile for Telecommunications
system) proposé par l’ETSI. Aux États-Unis, on parlera plutôt de CDMA 2000, et au Japon de
FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access). Le passage à la troisième génération est marqué
en Europe par la rupture technologique : nouvelles bandes de fréquences, changement de forme
d’onde, et globalement changement des infrastructures (nouvelles antennes-relais).
Les principes de la téléphonie de troisième génération sont :
•
Amélioration de la qualité des communications en tendant vers une qualité d’audition
proche de celle de la téléphonie fixe.
•
Répond au problème croissant de saturation des réseaux GSM, notamment en grandes
villes.
•
Transport de données sans fil à haut débit,
•
Possibilité de roaming au niveau mondial, et donc compatibilité entre tous les réseaux,
Coexistence avec les réseaux préexistants, en particulier le GSM (du moins pendant les
premières années de l’exploitation),
•
Un cœur de réseau spécifique,
•
Un réseau d’accès spécifique, l’UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network).
La forme d’onde se base sur les techniques d’accès multiple par répartition de codes (AMRC), et
non plus par fréquence, ni par slot de temps. Tous les terminaux envoient au même moment et sur
toute la bande leurs informations, codées avec une séquence propre à chaque terminal. Les débits
résultant de cette meilleure efficacité spectrale atteignent les 384 kbit/s.
Comme pour le GSM, des techniques complémentaires viennent améliorer la technique UMTS de
base. Par exemple, la technique HSDPA « high speed downlink packet access » est reconnue
comme la 3.5G, et améliore les débits pour le téléchargement (voie descendante) pour dépasser le
Mbit/s.
7
Pour remédier aux débits limités de la voie montante, la technique HSUPA « high-speed uplink
packet access » a été proposée, toujours selon le principe d’une transmission des données par
paquets. C’est la 3.75G. [9]
1.4
Principes de base du réseau UMTS
1.4.1
Les objectifs de l’UMTS
Agrées par l’UIT, les réseaux d’accès 3G doivent satisfaire les caractéristiques techniques
suivantes :
•
Services à haut débit : Le minimum est de 64 Kbits/s dans tout type d’environnement. Le
maximum est de 2 Mbits/s dans les environnements indoor avec une mobilité restreinte ;
•
Transmission de données de manière symétrique et asymétrique : Dans une transmission
symétrique, le débit de la voie montante (du terminal vers le réseau fixe) est égal à celui de
la voie descendante (du réseau fixe vers le terminal mobile). Au contraire, dans une
communication asymétrique, le débit dans les deux voies est différent ;
•
Services à commutation de paquets pour la transmission de données, et à commutation de
circuits pour la transmission de la voix ;
•
Qualité de la parole comparable à celle des réseaux câblés ;
•
Capacité et efficacité spectrales supérieures à celles des systèmes cellulaires actuels de
deuxième génération ;
•
Possibilité d’offrir des services multimédia lors d’une même connexion et avec des
qualités de services différentes (débits, taux d’erreurs, délais de transfert...) pour les
différents types de médias (voix, audio, données…) ;
•
Compatibilité avec les réseaux d’accès radio de deuxième génération ;
•
Itinérance (roaming) entre les différents systèmes de troisième génération.
1.4.2
Les classes de QoS dans le réseau UMTS
Quatre classes de QoS ont été définies par le 3GPP pour le transport des applications multimédias
dans le réseau UMTS : la classe conversationnelle, la classe diffusion, la classe interactive et enfin
la classe tâche de fond. [10]
8
1.4.2.1
La classe conversationnelle
Le meilleur exemple de cette classe est la téléphonie. Elle peut être aussi utilisée pour les
nouvelles applications Internet à aspect conversationnel et à temps réel comme la voix sur IP.
Cette classe exige des contraintes strictes sur le délai de transfert des paquets ainsi que sur la
variation du délai de transfert.
1.4.2.2
La classe diffusion
Cette classe est utilisée pour les flux unidirectionnels comme les applications de diffusion vidéo
ou audio. Il n’existe pas de contraintes strictes sur le délai de transfert pour les applications «
streaming ». Par contre, la variation du délai est un paramètre important parce qu’il est perceptible
par l’utilisateur. Toutefois, cette contrainte sur la variation du délai reste tolérante grâce aux
tampons du récepteur qui peuvent amortir les variations du délai si elles sont toujours inférieures à
une limite donnée.
1.4.2.3
La classe interactive
Cette classe est utilisée pour les applications qui nécessitent une interaction entre les deux
extrémités de la communication. Un exemple d’application de cette classe est la navigation web
(web browsing). Cette classe est de type transactionnel. Elle nécessite une certaine contrainte sur
le délai de transfert des paquets parce que l’utilisateur attend une réponse dans une certaine limite
de temps. Cette contrainte n’est pas stricte puisque ce sont des applications « non temps réel ». En
revanche, cette classe doit assurer un taux de perte des paquets assez faible parce que les
applications transportées par cette classe sont très sensibles aux pertes.
1.4.2.4
La classe tâche de fond
C’est la classe la moins exigeante en termes de délai de transfert. Les applications transportées par
cette classe sont des applications dont l’utilisateur n’attend pas les paquets dans une certaine limite
de temps. La contrainte la plus importante est le taux de perte. Cette classe est très sensible à la
perte de paquets. Les applications e-mail et SMS constituent des exemples de la classe arrièreplan.
Les deux premières classes représentent les services exigeants le temps réel. Les deux dernières
par contre sont moins sensibles au délai.
9
Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques des classes de QoS du réseau UMTS.[11]
Classes
Caractéristiques
Délai
Exemples
fondamentales
Conversationnelle Conserve
Débit
d’applications
la
<< 1 s
Visiophonie
variation de temps
Tolérant à
l’erreur
32-384
Oui
Kbps
entre les entités
d’informations du
Jeux
1 Kbps
Non
flux de données
interactifs
haute 32-128
Oui
conversationnelles
Diffusion
Conserve
la
< 10 s
variation de temps
Audio
qualité
Kbps
Images fixes
Non
entre les entités
d’informations du
garanti
flux de données
Interactive
Modèle
Non
Environ 1 s Commerce
question/réponse
électronique
Non
Non
garanti
Conserver le
Tâche de fond
contenu du paquet
Navigation sur Non
(payload)
Internet
garanti
Fax
Non
La destination
>10 s
n’attend pas les
Non
Oui
garanti
données dans un
certain temps
Email
Conserver le
acquittement)
(avec Non
garanti
contenu du paquet
Tableau 1.01: Les différentes classes de services de l’UMTS
10
Non
1.5
Organisation fréquentielle
Les bandes de fréquences allouées pour le système UMTS sont 1885-2025 MHz et 2110-2200
MHz. Les applications terrestres occupent les bandes 1885-1.980 MHz et 2110-2.170 MHz. La
largeur de la bande de fréquence occupée par chaque porteuse est de 5 MHz.
L’UMTS propose la répartition expliquée par le tableau 1.02 :
Tableau 1.02: Utilisation de la bande de fréquences pour l’UMTS
1.6
1.6.1
Architecture du réseau UMTS
L’architecture générale
Le réseau UMTS est composé d’un réseau cœur (CN, « Core Network ») qui est responsable de la
commutation et du routage des communications (voix, données) vers les réseaux externes et d’un
réseau d’accès radio (RAN, « Radio Access Network ») qui supporte toutes les fonctionnalités
radio. L’interface entre le réseau d’accès est appelée interface Iu.
Cette interface a été définie d’une manière aussi générique que possible afin d’être capable de
connecter des réseaux d’accès de technologies différentes au réseau cœur de l’UMTS comme les
réseaux SRAN (Satellite Radio Access Network), et l’UTRAN (« UMTS Terrestrial RAN »).
L’architecture générale de l’UMTS est présentée par la figure 1.01.
Figure 1.01 : Structure logique d’un réseau UMTS
11
1.6.2
L’architecture de l’UTRAN
L’UTRAN est constitué de deux éléments :
1.6.2.1
Le Node B
Le Nœud B est l’unité de transmission/réception radio avec les cellules. Il peut gérer une ou
plusieurs cellules. Il a pour rôle de convertir les données transmises sur le réseau vers l’interface
radio. En particulier, il prend en charge la correction d’erreur, l’adaptation du débit, l’étalement de
spectre du WCDMA, la modulation, et le contrôle de puissance du signal. Il réalise la
monitorisation du réseau, par mesure du taux d’erreur par trame (Frame Error Rate –FER).
1.6.2.2
Le RNC
Le RNC est responsable de la gestion des ressources radios. Il gère aussi la maintenance du RNS
(Radio Network System, associé au nœud B) via le service d’Opération et de maintenance (OSS).
Un RNC particulier, le S-RNC (Serving RNC) prend en charge l’admission au réseau, la gestion
de connexion et de handover. Lorsqu’un mobile est en communication, une connexion RRC est
établie entre le mobile et un RNC de l’UTRAN. Les autres RNC s’occupent uniquement de
l’allocation des ressources radio. On les appelle alors D-RNC (Drift RNC), car ils gèrent
principalement les soft handovers. [12] [13]
1.6.2.3
Les interfaces de l’UTRAN
L’UTRAN est composé de 4 interfaces radios qui permettent de faire dialoguer entre eux des
équipements fournis par des constructeurs différents :
•
Uu qui permet au mobile de communiquer avec l’UTRAN
•
Iu qui permet au RNC de communiquer avec le MSC/VLR ou SGSN : Iu-CS pour les
données à commutation de circuits (voix) (vers le MSC/VLR) et Iu-PS : pour les données à
commutation de paquets (vers le SGSN).
•
Iur qui permet à deux RNC de communiquer
•
Iub qui permet la communication entre le nœud B et le contrôleur de stations de base ou
RNC
12
Ces trois dernières interfaces utilisent ATM (Asynchronous Transfer Mode) afin d’avoir par
exemple l’assurance que le délai de transmission soit respecté. En effet, ATM est un mode de
transfert qui est approprié pour le transport, à l’intérieur du réseau, de flots d’information dont le
débit varie. La figure 1.02 montre l’architecture générale du réseau UMTS.
Figure 1.02 : Architecture générale du réseau UMTS
1.6.3
L’architecture du réseau cœur
Le domaine du réseau cœur peut se diviser en deux sous réseaux :
•
le domaine à commutation de circuits (CS) qui est mieux adapté pour la transmission de la
voix et pour les services de type temps réel.
•
le domaine à commutation de paquets (PS) qui assure la connexion aux réseaux utilisant le
protocole IP et aux réseaux X.25. Il est plus approprié à la transmission de données.
Le GMSC est relié aux réseaux externes utilisant la commutation de circuits (PLMN,…). Toutes
les connexions CS entrantes ou sortantes passent par le GMSC.
Le GGSN est un routeur qui est en relation avec les réseaux externes utilisant la commutation de
paquets (PS) comme l’Internet.
13
1.6.3.1
•
Domaine à commutation de circuits
MSC « Mobile Services Switching » : Centre de commutation des mobiles qui assure
l’interface avec le réseau cœur pour un mobile accédant aux services à commutation de
circuits par l’interface radio. Il gère les procédures d’enregistrement des abonnés, leur
authentification, la mise à jour de leur position dans le réseau et la sécurisation de l’accès
au système.
•
VLR « Visitor Location Register » : enregistre une base de données où est enregistré la
position de l’abonné et son déplacement dans une zone de localisation qui lui est associée.
•
GMSC « Gateway MSC » : c’est le MSC qui est interconnecté aux réseaux externes à
commutation de circuit (RTC, RNIS, etc), il fait donc fonction de passerelle en plus des
fonctions classiques du MSC ;
•
SGSN « Serving GPRS Support Node » : il a les mêmes fonctions que celles du MSC mais
dans le domaine paquet ;
•
GGSN : il fait fonction de passerelle entre le réseau UMTS et les réseaux externes à
commutation de paquets (Internet, etc)
•
HLR : la base de données contenant toutes les informations des abonnées (IMSI,
ISMSDN,etc)
•
AUC : la base des données contenant les clés, les algorithmes et les procédures utilisés
pour l’authentification des clients ;
•
EIR : la base des données contenant les identifiants des terminaux (IMEI) elle peut être
utilisée pour contenir la liste des terminaux volés ;
VHE : ce n’est pas une entité physique mais plutôt un concept de portabilité à travers les réseaux.
Il permettra à l’utilisateur de retrouver ses services avec la même ergonomie quels que soient sa
localisation et le réseau visité, lui donnant ainsi la sensation de garder au cours de ses
déplacements le même environnement de communication que dans sa zone de service habituelle.
[12] [13]
14
1.6.3.2
Domaine à commutation de paquets
Le domaine à commutation de paquet utilise l’architecture GPRS et permet de se connecter à des
réseaux PDP (Packet Data Protocol) tel Internet. Certaines entités sont communes aux domaines
CS et PS.
Le nœud de service GPRS (SGSN pour Serving GPRS Support Node) peut être comparé à
l’ensemble MSC/VLR du domaine CS. Le SGSN est en charge de l’acheminement des paquets de
données depuis et vers la station mobile située dans la zone qu’il dessert.
Le nœud passerelle du GPRS (GGSN) joue le rôle d’interface entre le réseau fédérateur GPRS
intra-PLMN et les réseaux à commutation de paquets externes. Il est savoir qu’un PLMN (Public
Land Mobile Network) est un réseau UMTS ou GSM appartenant à un opérateur agréé.
Ces 2 nœuds sont interconnectés via un réseau fédérateur fondé sur le protocole IP. Il existe aussi
un réseau fédérateur inter-PLMN qui connecte entre eux les SGSN et les GGSN de différents
PLMN.
Le protocole utilisé est GTP (GPRS Tunnel Protocol) qui s’appuie sur TCP pour un transport
fiable et UDP pour un transport non fiable ainsi que sur le protocole IP pour le routage dans le
réseau fédérateur. Pour les échanges de signalisation entre le SGSN et les bases de données HLR,
VLR, EIR, c’est les mêmes protocoles utilisés par le MSC dans le domaine CS à savoir MAP et
l’architecture de signalisation SS7. [12] [13]
1.7
Architecture en couche de l’interface Air de l’UMTS
La figure 1.03 représente la structure en couches des interfaces réseau de l'UTRAN, c'est-à dire,
Iu, Iur et Iub. Ce modèle est générique et s'applique à l'ensemble des interfaces. Il permet d'assurer
d'une part l'indépendance des données transportées par rapport à la technologie utilisée pour le
transport et d'autre part la séparation complète entre les plans usager et contrôle.
Le modèle en couche des interfaces réseau peut être décrit en fonction d'une découpe horizontale
ou verticale. La découpe horizontale fait apparaître deux couches :
•
La couche de transport (Transport network layer) est constituée de la couche physique, des
canaux de communication pour la signalisation ou les données (Signaling and Data
Bearers) et de la couche ALCAP (Access Link Control Protocol Application Part) qui
permet l'établissement de canaux de transmission du plan usager (data bearer).
15
•
La couche radio (radio network layer) contenant les protocoles d'application (Application
Protocol) et de données (data stream).
Figure 1.03 : Structure en couche des interfaces Réseaux de l'UTRAN
Tous les aspects spécifiques à l'UTRAN ne se retrouvent que dans la couche radio alors que la
couche transport utilise des technologies de transport standard non spécifique à UTRAN.
La découpe verticale fait apparaître trois plans :
•
Le plan de contrôle (control plane) comprend d'une part les protocoles d'application
permettant l'échange de signalisation entre les équipements de l'UTRAN et d'autre part les
protocoles assurant le transport de cette signalisation (protocoles support). Parmi les
protocoles d'application figurent RANAP (Radio Access Network Application Part),
RNSAP (Radio Network Subsystem Application Part) et NBAP (Node B Application
Part).
•
Le plan usager (user plane) est le plan par lequel transitent toutes les informations
échangées par l'utilisateur (voix, données). Le plan usager comprend les flux de données
(data streams) qui utilisent des protocoles support pour le transport de ces données (data
bearer).
16
•
Le plan de contrôle du transport (transport network control plane) n'est présent que dans la
couche transport et donc absent de la couche radio. Il utilise le protocole ALCAP
nécessaire pour l'établissement des supports de données (data bearer) pour le plan usager.
Lorsqu'un message de signalisation est initié par un protocole d'application du plan de
contrôle, ALCAP déclenche l'établissement d'un support de données spécifique à la
technologie utilisée dans le plan usager. Ce plan n'est pas toujours présent sur les interfaces
de l'UTRAN, notamment lorsque les canaux du plan usager sont préétablis.
1.7.1
1.7.1.1
La couche physique
Présentation
La couche physique fournit le service de transfert d’information à la couche MAC au travers des
canaux de transport. En émission, les données fournies par la couche MAC sont passées dans une
chaîne de codage de canal avant d’être transmises sur le médium physique. En réception, les
données reçues sur un canal physique sont passées dans une chaîne de décodage de canal avant
d’être remises à la couche MAC.
1.7.1.2
Fonctionnalités
La couche physique effectue :
•
le codage/décodage canal pour la protection contre les erreurs sur les canaux de transport
•
le multiplexage de plusieurs canaux de transport en un bloc composite CCTrCH (Code
Composite Transport Channel) et la répartition de ce CCTrCH sur un ou plusieurs canaux
physiques ; en réception, le CCTrCH est démultiplexé sur les canaux de transport
•
l’adaptation du débit qui consiste à rajouter ou à retirer des bits de protection pour ajuster
la taille des données à la capacité du canal physique
•
la modulation et l’étalement de spectre ainsi que leur fonction inverse
•
la synchronisation en fréquence et en temps
•
le contrôle de puissance en boucle fermée
•
l’exécution des mesures et l’indication des résultats de mesures aux couches supérieures
17
•
le support de la macro-diversité (un UE peut communiquer avec plusieurs Nœud B en
même temps).
1.7.2
Les opérations de la couche physique
Figure 1.04 : Les opérations de la couche physique
1.7.2.1
Contrôles d’erreurs
Le contrôle d’erreurs regroupe les fonctions d’ajout du CRC et de codage canal. Il permet de
protéger les informations contre les erreurs dues à la transmission sur l’interface radio. La
détection d’erreurs par CRC (Cycling Redundant Check) est une méthode qui consiste à ajouter à
chaque bloc de transport des bits de parité qui permettent de détecter les erreurs à la réception
tandis que la technique de codage canal produit des bits redondants qui seront utilisés sur l’entité
réceptrice pour corriger les erreurs de transmission. [15]
Il existe deux techniques de codage canal :
18
•
Le codage convolutionnel où le codeur quand il reçoit un bit en sort deux ou trois selon le
taux de codage.
•
le codage Turbo qui peut être vu comme la concaténation de deux codeurs convolutionnels
qui opèrent en parallèle. Il permet d’atteindre des taux d’erreurs inférieurs à 10-5.
1.7.2.2
Concaténation ou segmentation des blocs de transport
La concaténation et la segmentation des blocs de transport préparent les données pour la phase de
codage canal. Lorsque plusieurs blocs de transport d’un même canal de transport sont à émettre
sur un même intervalle de temps (TTI), les différents blocs sont concaténés en un bloc unique,
fourni ensuite en entrée à la fonction de codage canal. [15]
1.7.2.3
Egalisation ou adaptation du débit
L’égalisation (ou ajustement) permet d’adapter la taille des blocs, en sortie du codage canal, à la
capacité du canal physique, le nombre de bits n’étant pas forcément égal au nombre de bits
d’information que peut transporter un canal physique.
L’adaptation du débit consiste à retrancher ou rajouter des bits dans les flots d’information de
chaque canal de transport. En effet, le débit dans une trame d’un canal physique est limité. De
plus, au cours d’une connexion, un même canal physique peut convoyer des bits d’informations
issus de différents canaux de transports. Il faut donc adapter le débit à la sortie de chaque canal
de transport.
1.7.2.4
1er et 2ème entrelacements
Les fonctions d’entrelacement ont pour but de rendre la répartition des erreurs plus aléatoire et
d’augmenter ainsi les performances du correcteur d’erreurs. Ce procédé consiste à mélanger une
séquence de bits en émission. Il existe 2 catégories de techniques d’entrelacement :
l’entrelacement par bloc et l’entrelacement convolutionnel.
1.7.2.5
Segmentation des trames
Cette fonction a pour but de segmenter la séquence de bits contenue dans un TTI en un nombre
entier de trames consécutives.
19
1.7.2.6
Multiplexage des canaux de transport
Chaque canal de transport délivre une séquence binaire codée. Ces séquences sont ensuite
concaténées les unes après les autres pour ne créer qu’un flot binaire unique en série : le canal de
transport composite codé ou CCTrCH (Code Composite Transport Channel).
1.7.2.7
Segmentation pour le canal physique
Cette fonction est mise en œuvre lorsque plusieurs canaux physiques sont utilisés pour transporter
les données d’un CCTrCH particulier.
1.7.2.8
Etalement et modulation
Ces opérations adaptent les données binaires à la transmission sur l’interface radio. L’étalement de
spectre va permettre à plusieurs utilisateurs d’être présents simultanément sur une même bande de
fréquence.
La modulation utilisée sera de type QPSK et va permettre la transmission de deux bits par
symbole ou, plutôt de deux chips par symbole puisque le signal binaire a déjà été étalé.
1.7.3
La couche MAC
La couche MAC (Media Access Control) gère l’accès au médium de transmission à travers un
ensemble de fonctions :
•
l’association des canaux logiques avec les canaux de transport
•
la commutation, sur ordre de RRC, du type de canal de transport associé à un canal logique
qui permet d’adapter dynamiquement les ressources mobilisées à l’activité de la source du
trafic
•
le contrôle du volume de trafic sur chaque canal de transport actif
•
la gestion des priorités entre les différents flux de données d’un utilisateur et entre les
différents utilisateurs sur les canaux communs et les canaux partagés par l’agencement de
leurs trafics
•
le multiplexage en émission des données de plusieurs canaux logiques sur un canal de
transport
20
•
le démultiplexage en réception de plusieurs canaux logiques supportés par un seul canal de
transport
•
l’identification des mobiles lorsqu’ils utilisent les canaux de transport communs.
La couche RRC gère la connexion de signalisation établie entre l’UTRAN et le mobile, PDCP
compresse les en-têtes de protocoles des paquets TCP/IP ( Transmission Control Protocol/Internet
Protocol), BMC (Broadcast Channel) assure la diffusion de messages usagers sur l’interface radio
pour un service, et RLC assure la transmission fiable d’informations en provenance du plan
usager ou du plan de contrôle, sur l’interface radio entre le mobile et l’UTRAN.
1.8
Conclusion
Ce chapitre nous a permis de connaître les évolutions des systèmes cellulaires avant d’atteindre la
3G en passant par la phase la plus importante, qui est la GSM2+. Ceci nous a permis de constater
les entrées de nouveaux services ou de nouvelles qualités de service à chaque étape de l’évolution.
On a vu aussi les principes de base de réseau UMTS et son architecture. L’UMTS offre des
services traditionnels comme la transmission haut débit. WCDMA (Wideband Code Division
Multiple Access) est l’une des variantes de l’interface air de l’UMTS, appelé aussi UTRA (UMTS
Terrestrial Radio Interface) qui fournira un meilleur compromis capacité/coût : 384 kbps pour tout
le monde en mode "mobile" et 2 Mbps en situation "fixe" qu’on va présenter dans le chapitre 2.
21
CHAPITRE 2
TECHNIQUE D’ACCES WCDMA EN UMTS
2.1
Introduction
En fonction de la largeur de bande occupée par le signal étalé, un système CDMA (Code Division
Multiple Access) est dit « à large bande » (Wideband CDMA) ou, au contraire, « à bande étroite »
(Narrowband CDMA). Les deux technologies d’accès radio de l’UMTS, l’UTRA/FDD et
l’UTRA/TDD font partie des systèmes CDMA large bande, alors que le système cdmaOne de
deuxième génération est un exemple de système CDMA bande étroite. Rappelons que la largeur
de bande en cdmaOne est de 1,25 MHz alors qu’elle est de 5 MHz en UTRA/FDD et UTRA/TDD.
En général, quels que soient les systèmes de radiocommunications mobiles (GSM, UMTS, etc.), le
canal de propagation du signal se détériore. Une fois décrites les caractéristique de ce canal, les
propriétés intrinsèques d’un système WCDMA, et notamment sa capacité à neutraliser ces
dégradations, et les techniques de traitement du signal qui permettent de le rendre plus robuste,
seront présentées. Puis, certaines techniques spécifiques permettant de l’accroître seront étudiées.
Le WCDMA utilise la modulation par séquence directe (DS-CDMA). Afin de comprendre les
concepts de cette technique, il est important de connaître les techniques d’étalement de spectre
utilisées en CDMA et plus précisément en DS-CDMA (Direct Sequence-CDMA). [16]
2.2
Principe de la méthode CDMA
Le CDMA est la méthode d'accès la plus récente. Le premier système CDMA qui a été développé
selon cette technologie est la norme américaine TIA-EIA-IS-95-A/B. Le CDMA est basé sur la
répartition par codes. En effet, chaque utilisateur est différencié du reste des utilisateurs par un
code N qui lui a été alloué au début de sa communication et qui est orthogonal au reste des codes
attribués à d’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.
Au sein du 3GPP, le WCDMA est appelé UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) FDD
(Frequency Division Duplex) et TDD (Time Division Duplex), le terme WCDMA étant employé
pour couvrir à la fois le mode FDD et le mode TDD. [16]. La figure 2.01 montre ce principe.
22
Figure 2.01 : Principe du CDMA
2.3
2.3.1
Organisation fréquentielle
Le FDD
Sur la figure 2.02, avec la division duplex par fréquence FDD, la liaison montante (UL) ainsi que
celle descendante (DL) utilise chacune une bande de fréquence différente. L'espace entre les deux
bandes de fréquence pour le Uplink et le Downlink est appelé distance duplex. Elle est constante
pour toutes les stations mobiles dans une même norme. La sous bande fréquentielle basse est
allouée à la liaison Uplink et la sous bande haute est allouée à la liaison Downlink. [16]
Figure 2.02 : Le mode FDD
23
Le tableau 2.01 suivant résume les caractéristiques de ces deux modes :
Mode TDD
Mode FDD
Accès multiple
TD-CDMA
W-CDMA
Débit
3.84Mchip/s
3.84Mchip/s
4.4 à 5Mhz avec un pas de
4.4 à 5 Mhz avec un pas de
200KHz
200Khz
Structure de trame
15 IT par trame
15 IT par trame
Durée de trame
10ms
10ms
Modulation
QPSK
QPSK
Facteurs d’étalement
1 à 16
4 à 512
Convolutionnel (1/2 ou1/3)
Convolutionnel (1/2 ou 1/3)
ou turbo codes
ou tubo codes
Espacement entre
Codage canal
Tableau 2.01: Caractéristiques des modes d’accès
La figure 2.03 illustre les différents modes de duplexage.
Figure 2.03 : Différents modes de duplexage
2.3.2
Le TDD
Dans le cas de la division duplex par le temps (TDD), l’Uplink et le Downlink se partagent la
même bande de fréquence. Ceci est fait en divisant la bande en time slots (TS) et trame. Une trame
contient un nombre spécifique n de time slots. Un certain nombre de ces times slots sont réservés
24
pour la transmission du Uplink (la moitié pour les systèmes 2G) et le restant pour la transmission
du Downlink.
Le TDD est principalement employé pour la transmission des données des systèmes de
communications mobiles de la 2ème génération (pour les transmissions numériques). La
transmission numérique simplifie la compression de la parole et de données. En conséquence,
seulement une fraction du temps nécessaire pour la transmission analogue est exigée pour la
transmission numérique des données d'un abonné. [16]
2.4
Organisation temporelle
L’organisation temporelle de l’UMTS est basée sur une supertrame de 720 ms, comportant ellemême 72 trames de 10 ms. Chaque trame de 10 ms est divisée en 15 slots de 667 µs. Cette
organisation est présentée par la figure 2.05.
Figure 2.04 : Structure de la trame de l’UMTS
2.5
Déploiement
Le WCDMA est conçu pour être déployé avec le GSM. Pour cette raison, le système supporte des
handovers entre le GSM et le WCDMA en tenant compte de la couverture GSM lors de
l’introduction du WCDMA.
2.6
Caractéristiques du WCDMA
Le tableau 2.02 résume les techniques de la couche physique de l’UMTS.
25
Paramètres
Largeur de bande
Méthode d’accès multiple
Mode de duplexage
Synchronisation de la station
de base
Débit des chips
Longueur de trame
Valeurs FDD
Valeurs TDD
5 MHz
5 MHz
DS-CDMA
DS-CDMA
FDD
TDD
Opération asynchrone
Opération asynchrone
3.84 Mcps
3.84 Mcps
10 ms
10 ms
Structure Time Slot
Débit max pour un code
Code par trame
Services
Concept multi débit
Estimation
Multiutilisateur - Antennes
Handover
15 slots par trame
384 kbps
144 kbps
1 code / 10 ms
1 code / 0.667 ms
Bas et moyen débit
Données en mode paquet
Multicode et facteur
Multicode et facteur
d’étalement variable
d’étalement variable
Symboles pilotes ou pilotes
Symboles pilotes ou pilotes
communes
communes
Standard mais optionnel
Standard mais optionnel
Soft handover
Hard handover
Tableau 2.02: Caractéristiques des deux techniques de multiplexage utilisés par le WCDMA
2.7
Principes de l’étalement de spectre et son application en CDMA
Le CDMA qui est l’accès multiple à répartition par code est aussi connu sous le nom d’ « accès
multiple par étalement de spectre » ou SSMA (Spread Spectrum Multiple Access). En effet, la
technique sur laquelle repose le CDMA et qui permet à plusieurs utilisateurs d’être présents
simultanément sur une même bande de fréquence est appelée l’« étalement de spectre » (spread
spectrum).
A tort, CDMA et étalement de spectre sont parfois considérés comme synonymes. En réalité, le
CDMA n’est qu’une des applications de l’étalement de spectre dans les radiocommunications avec
les mobiles. La portée des applications de l’étalement de spectre est plus large.
Définition 2.01 : L’étalement de spectre peut être défini comme une technique qui permet de
transmettre un signal d’information sur une largeur de bande plusieurs fois supérieure à la largeur
de bande minimale que le signal ne le demande. [17] [18] [19]
26
Dans un système à étalement de spectre, le signal transmis est étalé à partir d’un code indépendant
du message d’information. Après s’être synchronisé avec l’émetteur, le récepteur doit utiliser ce
même code pour désétaler le signal et pouvoir par la suite récupérer le message d’information.
Définition 2.02 : La capacité peut être définie comme le débit global écoulé dans le réseau, c'est-àdire la quantité d’information pouvant être échangée simultanément. D’après le théorème de
Claude Shannon, elle est donnée par l’expression ci-dessous :
(2.01)
# = % &'( )1 + , /0
.
où C est la capacité du canal en bits par seconde, B la largeur de bande du signal transmis en Hz, S
la puissance du signal en Watt, N la puissance du bruit en Watt et log la fonction logarithme base
2. En développant en série cette fonction dans l’expression (2.01), on peut démontrer que :
#≈
%
&5628. #
, / ⟹, / ≈
&5628 .
.
%
(2.02)
On voit sur l’expression (2.02) qu’il existe un rapport inverse entre la largeur de bande du signal B
occupée par le signal transmis et le rapport signal à bruit S/N que l’on mesure à la réception. Plus
précisément, on observe que si B augmente, un rapport signal à bruit moins important est
nécessaire pour conserver la même capacité de canal C. C’est ainsi que l’on démontre les vertus
de l’étalement de spectre : la largeur spectrale est accrue afin d’obtenir des bonnes performances à
la réception, le rapport signal à bruit étant réduit au minimum (au point d’admettre que le signal
soit noyé dans le bruit).
2.7.1
Gain de traitement
Définition 2.03 : Le gain de traitement (processing gain), que l’on noteraG , est défini comme le
rapport entre la largeur de bande occupée par le signal binaire d’information après et avant
étalement.
Si l’on note B la largeur de bande occupée par le bit d’information avant étalement et B la
largeur de bande du signal étalé, le gain de traitement satisfait :
= %<
%=>?
(2.03)
La figure 2.05 illustre le principe de l’étalement de spectre et de la définition deG . Dans cette
figure, la puissance du signal est notée S et - = . %< = . %=>? , où et représente la
27
densité spectrale du signal, respectivement avant et après étalement. On voit, en effet, que
l’étalement de spectre réduit la densité spectrale du signal d’un facteur ⁄ = %< ⁄%=>? = .
Figure 2.05 : Principe conceptuel de l’étalement de spectre
2.7.2
Le facteur d’étalement
Définition 2.04 : Si l’on note le débit symbole B = 1/ , on définit le facteur d’étalement
(Spreading Factor), noté SF comme le rapport entre le débit chip et le débit symbole.
-A =
%< 1⁄B =
=
%
1⁄ B
(2.04)
Cette expression est à comparer avec la définition du gain de traitement donnée par l’expression
(2.03). Par ailleurs, le facteur d’étalement dans un système DS-CDMA est égal au nombre de
chips utilisé pour étaler un symbole d’information. Qui plus est, on sait que ce nombre est égal à la
taille du code d’étalement qui se répète tous les M chips, c’est-à-dire :
C. B = ⟹ -A = C
(2.05)
En UTRA/FDD et UTRA/TDD, les valeurs du gain de traitement et du facteur d’étalement sont
différentes. Cette différence vient notamment du fait que l’étalement de spectre est appliqué non
pas sur les bits « utiles » d’informations dont le débit estB , mais sur les symboles qui ont un
débitB . En plus, lorsque les bits sont transformés en symboles par l’effet de la modulation
numérique (par exemple QPSK), le débit binaire est supérieur au débit « utile », car des débits de
redondance (issus de l’encodage correcteur d’erreurs et du codage CRC) et des bits de contrôle ont
été ajoutés. On note généralement queB < B .
28
2.7.3
Propriétés de l’étalement de spectre
Dans la figure 2.05, on a volontairement inclus un signal de bruit de densité spectrale . présent
sur une bande de fréquence assez large. Ce signal de bruit représente toutes les sources
d’interférence et le bruit thermique.
On observe sur la même figure que le signal étalé peut se retrouver noyé dans l’interférence au
point qu’il donne l’illusion d’en faire partie. Un facteur essentiel qui explique le succès de
l’étalement de spectre dans le domaine militaire : sans la connaissance du code d’étalement, il est
quasiment impossible de détecter le signal transmis et de récupérer le message d’information qu’il
convoie. [19]
Dans un canal à trajets multiples, plusieurs copies du signal transmis arrivent au récepteur à des
instants différents. Un système à étalement de spectre présente une robustesse naturelle vis-à-vis
des effets négatifs causés par les trajets multiples sur le signal. Cette propriété du gain de
traitement, car les trajets multiples sont considérés comme de l’interférence large bande.
2.8
DS-CDMA ou Etalement de spectre par séquences directes
Il a été mentionné que l’étalement de spectre est considéré comme une forme de modulation, car
le message d’origine est transformé de telle sorte que la largeur spectrale après transformation est
plusieurs fois supérieure à celle du message original. Cette transformation peut être effectuée de
plusieurs manières différentes. Le DS-CDMA ou CDMA à séquences directes, est la technique la
plus répandue dans les systèmes de radiocommunications mobiles. Elle est à la base du système de
deuxième génération cdmaOne et des technologies d’accès radio cdma2000, UTRA/FDD et
UTRA/TDD dans la troisième génération.
Dans un système DS-CDMA, le signal d’information est directement modulé par une séquence, en
réalité un code qui possède des propriétés statistiques particulières. Les éléments du code
d’étalement ont une durée E et sont généralement des impulsions d’amplitude +1 et -1. Le débit
chip ou chip rate, que l’on notera B = 1/E s’exprime en chips par seconde (cps). D’une manière
similaire, la durée des symboles d’information est et le débit symbole B = 1/ est exprimé en
symboles par seconde (sps). Il est important de souligner que dans un système DS-CDMA, le
débit symbole B est variable et dépend du service (voix, vidéo, données), alors que le débit chip
B est constant.
29
Ainsi, un service à haut débit nécessitera moins de chips pour coder un symbole d’information
qu’un service à faible débit. Pour les modes FDD et TDD de la technologie UTRA, le débit chip
est B = 3,84 Mcps.
Une fois le code généré, l’étalement s’effectue d’une manière très simple : il suffit de multiplier le
message par des chips qui prennent +1 et -1 comme valeur. On passe donc d’un signal bande
étroite à un signal large bande, étant donné que B > B ou, de façon équivalente, > E .
Finalement, le signal ainsi étalé est modulé en fréquence radio et mis sur une porteuse.
Il est important de noter que :
•
L’étalement de spectre est effectué par une fonction qui est indépendante de l’information
à transmettre. Cette fonction est matérialisée par une séquence d'étalement et chaque
élément binaire de cette séquence d'étalement est appelé "chip" représenté par la figure
2.06)
•
Une séquence d'étalement est caractérisée par sa longueur qui n'est autre que le nombre de
chips contenus dans une période toute entière de la séquence.
Figure 2.06 : Principe de l’étalement de spectre par séquence directe
2.9
Les avantages du système WCDMA
Un système WCDMA présente de multiples avantages : [18] [19]
•
gain de traitement plus élevé. L’élargissement de la bande occupée par le signal étalé
permet d’augmenté le gain de traitement et par conséquent, de rendre le signal moins
30
sensible aux interférences et au bruit. Il permet aussi d’accroître le nombre d’utilisateurs
présents dans une cellule ;
•
possibilité de transmettre des services à haut débit. Les systèmes de deuxième génération
(dont font partie le cdmaOne et le GSM) utilisent un grand nombre de techniques de
traitement de signal afin de restituer un service de voix de grande qualité. L’UMTS, pour
sa part, entend offrir aux utilisateurs des services multimédias tels que les données et la
vidéo en temps réel. Or, ces services requièrent des débits plus importants et, par
conséquent, une largeur de bande plus élevée. Aussi a-t-on fait le choix d’une largeur de
bande de 5 MHz pour les technologies UTRA/FDD et UTRA/TDD car elle est suffisante
pour atteindre le débit de 2 Mbps, qui est le débit maximum que compte offrir l’UMTS
dans la première phase de son déploiement ;
•
meilleures performances pour détecter les trajets multiples. Dans un canal de propagation
à trajets multiples, des versions décalées du signal transmis parviennent au récepteur à des
intervalles de temps différents. Alors que, dans d’autres systèmes de radiocommunication,
cette propriété est considérée comme un inconvénient, dans un système fondé sur le
CDMA, elle est considérée comme un avantage, car une forme de diversité
appelée « diversité de trajets multiples » peut être exploitée.
Le revers de la médaille est que, le débit chip étant élevé, un système WCDMA requiert un
support matériel et logiciel plus élaboré qu’un système à bande étroite.
2.10
Les inconvénients du système WCDMA
Par rapport aux systèmes fondés sur le FDMA ou TDMA, un système WCDMA présente les
inconvénients suivants :
•
interférence mutuelle entre les utilisateurs de la cellule. Si dans la voie descendante, en
absence des trajets multiples, on peut garantir l’orthogonalité des signaux étalés (les
signaux codés sont alignés dans le temps), dans la voie montante, toujours en absence de
trajets multiples, les signaux étalés ne sont plus orthogonaux ; les utilisateurs transmettent
de façon non synchronisée et les mobiles créent des interférences entre eux. Ces
interférences désignées sous le nom d’interférence d’accès multiple ou MAI (Multiple
Access Interference) sont beaucoup plus importantes que dans les systèmes fondés sur le
TDMA ou FDMA où l’orthogonalité fréquentielle et/ou temporelle s’avère plus efficace ;
31
•
synchronisation temporelle assez précise. Pour effectuer la corrélation entre le code généré
à la réception et celui qui se trouve dans le signal reçu, une synchronisation temporelle très
précise, de l’ordre d’une fraction de chip, est requise. Une mauvaise synchronisation
temporelle peut être à l’origine d’un bruit de corrélation généré à la réception, ce qui
constituerait une source additionnelle d’interférence. De ce fait, la synchronisation dans un
système CDMA constitue l’une des tâches de traitement numérique qui demande le plus de
ressources tant logicielles que matérielles ;
•
contrôle de puissance rapide. Plus l’utilisateur est proche de la station de base, plus la
puissance reçue par celle-ci est grande. Ainsi, les utilisateurs situés plus loin, transmettant
à la même fréquence auront beau émettre à la même puissance que les utilisateurs proches
de la station, celle-ci risque de ne pas les détecter car ces derniers ayant ébloui la première
ou encore créé une interférence importante. Ce phénomène connu sous le nom
d’effet « proche-lointain » (near-far) peut être évité si l’on met en place un mécanisme de
contrôle de puissance permettant à tous les utilisateurs d’avoir la même puissance au
niveau du récepteur de la station de base. Le contrôle de puissance doit être suffisamment
rapide pour éviter que l’effet « proche-lointain » ne se produise. Or, dans la pratique, on est
confronté à des erreurs dans l’estimation de la puissance ; à des erreurs dans l’estimation
du signal de commande qui ordonne d’augmenter ou de diminuer la puissance ; ou encore
à des retards de propagation qui font que le contrôle de puissance est difficile à ajuster.
[19].
2.11
Contraintes du WCDMA
Des contraintes liées à la propagation des ondes radio sont à prendre en compte dans un système
qui utilise le WCDMA comme technique d’accès multiple à savoir : les trajets multiples, le fastfading, l’effet near-far, les handovers.
2.11.1
Les trajets multiples
La transmission des signaux dans un canal est caractérisée par des multiples réflexions,
diffractions et atténuations du signal. Ces phénomènes sont provoqués par les obstacles rencontrés
par les signaux. C’est pour cette raison que ces derniers empruntent des trajets multiples afin
d’atteindre leur cible. Il en résulte que le signal réalise des temps de trajet variables en fonction du
chemin emprunté ; il en est de même pour la puissance du signal qui peut varier. Le récepteur peut
32
recevoir plusieurs fois le même signal décalé. Ce temps de décalage peut varier de 2 µs en ville à
20 µs dans des zones vallonnées. Il est donc impératif que le récepteur sache identifier et séparer
les différentes composantes dans le but de reconstituer les données.
2.11.2
Le fast-fading
On appelle Fast-Fading l’annulation de deux ondes déphasées d’une demi-longueur et ayant
emprunté plusieurs parcours. Prenons comme exemples deux ondes ayant une différence de
longueur égale à une demi-longueur d’onde ; elles arrivent pratiquement au même moment au
récepteur. Leur déphasage d’une demi-longueur fait qu’elles s’annulent à cet instant. Cela est dû
aux différents parcours empruntés par les ondes. L’autre facteur d’une telle annulation est le fait
que le récepteur soit immobile ou se déplace à faible vitesse. Cependant, il est possible de
remédier à ce problème par l’intermédiaire des protocoles de codage, d’entrelacement et de
retransmission qui ajoutent de la redondance et de la diversité temporelle au signal. Ainsi, malgré
les atténuations des signaux, le récepteur sera apte à récupérer les données envoyées. De plus, il
est possible de recombiner l’énergie du signal en utilisant de multiples récepteurs à corrélation.
Ces derniers corrigent tous les changements de phase ou d’amplitude.
2.11.3
L’effet near-far
Un mobile émettant à une puissance trop élevée peut empêcher tous les autres mobiles de la
cellule car le premier éblouirait le récepteur. C’est ce qu’on appelle effet near-far. Il peut être
constaté par exemple par un émetteur au pied de la station de base et d’autres en périphérie ; ces
derniers, dont la puissance arrive au récepteur érodé par la distance, seront masqués par le signal
du premier. Le mécanisme de contrôle de puissance est conçu pour remédier à l’effet near-far.
De plus, l’effet near-far est réduit par le mécanisme de soft handover qui sera étudié au chapitre 3.
2.11.4
Le contrôle de puissance
Dans le système UMTS, tous les utilisateurs transmettent leurs informations en utilisant la même
bande de fréquence. Les phénomènes de propagation peuvent dans ce cas-ci favoriser les
utilisateurs proches du Node B au dépend de ceux loin du Node B. Ceci constitue le problème
proche/loin (Near/Far problem). La solution à ce type de problème est d’effectuer un contrôle de
puissance judicieux pour favoriser tous les utilisateurs.
En UMTS, le contrôle de puissance se base sur le niveau de qualité c'est-à-dire le rapport signal
sur bruit qui doit être assuré avec un niveau de puissance approprié.
33
Le réseau UMTS nécessite de bons mécanismes de contrôle de puissance et ceci dans le but
d’optimiser l’utilisation des ressources radio et de maintenir la qualité du signal sur le lien radio. Il
existe deux types de contrôle de puissance.
•
Le contrôle de puissance à boucle ouverte OLPC (Open Loop Power Control) : utilisé
pour les canaux communs. Il consiste à mesurer les conditions d’interférence d’un canal
puis ajuster la puissance de transmission.
•
Le contrôle de puissance à boucle fermée CLPC (Closed Loop Power Control) : pour les
canaux dédiés. Il consiste à mesurer le rapport signal à interférence et commander au
transmetteur d’ajuster sa puissance. Ce commandement s’effectue à travers des directives
spécifiques appelées TPC (Transmit Power Control).
Le W-CDMA utilise un contrôle de puissance rapide en boucle fermée dans les sens montant et
descendant. Ceci permet de lutter contre les évanouissements à petite échelle (évanouissement de
Rayleigh). En effet, la station de base estime le SIR à partir du signal reçu et commande la
puissance d’émission du mobile, ceci sur le lien montant. Sur le lien descendant, la mesure de SIR
est effectuée au niveau du récepteur du mobile. De plus, le système W-CDMA utilise un contrôle
de puissance lent sur le lien montant dans le but de lutter contre les effets des évanouissements à
grande échelle (near-far effect).
2.12
2.12.1
Les problèmes majeurs de l’UMTS
Interférences intra et extracellulaire
Le déploiement des réseaux UMTS est fortement conditionné par les capacités techniques du
standard à répondre aux attentes des opérateurs en termes de débit et de capacité. Demande
croissante des utilisateurs sur les services donnés comme l'accès à large bande d'Internet,
streaming, jeu, etc.
La couche radio du standard pose de nombreux problèmes qui restreignent les performances
avancées à l’origine. Sur la liaison descendante, ces problèmes sont principalement liés au canal
de propagation qui, en raison de ses trajets multiples, fait perdre aux utilisateurs transmis
simultanément leur orthogonalité, censée garantir l’absence d’interférence intra cellulaire.
34
D’autre part, le faible nombre des fréquences porteuses disponibles implique que les stations
émettant à la même fréquence sont géographiquement plus proches que dans les réseaux GSM, ce
qui entraîne des problèmes d’interférences extracellulaires.
Ces interférences intra et extracellulaire peuvent affecter sérieusement les performances des
mobiles, ce qui conduit les opérateurs à réduire la capacité de leur réseau afin d’assurer aux
utilisateurs une liaison de qualité suffisante. [20]
2.12.2
Une couverture insuffisante et terminale peu nombreuse
La couverture UMTS est généralement jugée satisfaisante dans les grandes agglomérations. Mais,
il en est autrement dans les zones plus reculées. Le repli vers une connexion GPRS peut dépanner,
mais, selon l'application, le débit moindre n'autorise parfois que des fonctions limitées. Par
ailleurs, le service UMTS semble un peu moins satisfaisant dans les zones où la clientèle est plus
dense.
2.13
Conclusion
Nous avons présenté dans ce chapitre, les caractéristiques du WCDMA en UMTS c’est-à-dire son
principe, ses avantages et ses contraintes, tout en mettant l’accent sur les notions de base et les
outils utiles à la compréhension des chapitres suivants. En outre, nous avons introduit les contrôles
des puissances, un des deux notions critiques, au niveau du réseau UMTS du fait qu’elles influent
sur la qualité et la capacité du réseau. Une autre notion critique qui influe sur la qualité et la
capacité du réseau dans le réseau UMTS est le processus de handover que nous allons présenter
dans le chapitre 3 suivant.
35
CHAPITRE 3
HANDOVER DANS LE RESEAU UMTS
3.1
Introduction
Après sa mise sous tension, l’UE effectue une série de mesures afin de sélectionner la cellule offrant
la meilleure qualité radio, ce qui permettra à l’abonné d’accéder aux services souscris de manière
optimum. Une fois engagé dans une communication, l’UE continue à prélever des mesures sur des
cellules voisines et lorsque l’une d’entre elles s’avère de meilleure qualité, une procédure de
Handover peut être déclenchée. Même lorsque l’UE est en veille, dans l’attente de recevoir ou
d’initier un appel, il ne reste pas inactif, car des cellules sont surveillées en permanence. Et si une
cellule s’avère de la meilleure qualité que la cellule courante, un processus de resélection de cellule
peut avoir lieu. Ce chapitre se focalise ainsi sur le type de mesures et la manière dont l’UE les
effectue dans les états RRC. Les procédures associées à ces mesures sélection et resélection de
cellule et de handover seront analysées en détail. [21] [22] [23]
3.2
Notion de handover en UMTS
Le handover gère la mobilité des usagers. Notons que les terminaux mobiles et les stations de base
utilisent plusieurs récepteurs à corrélation qui forment un récepteur de Rake pour récupérer le
maximum d'énergie du signal sur les différents trajets empruntés et éventuellement sur les
différentes antennes. Différents types de handover existent suivant la position de l'usager mobile
dans la cellule : soft handover, softer handover ou hard handover.
L’utilisation du soft handover et du softer handover permet d'accroître les performances de la
liaison en y ajoutant une forme de diversité. Il est cependant nécessaire de minimiser les situations
de soft handover, sous peine de gaspiller les ressources et diminuer la capacité du système. Le
traitement de handover est défini pour les services de type circuits et les services de types donnés.
Pour le premier cas de figure, les handovers peuvent être implantés comme soft, softer ou hard
handover. Pour les services de types donnés, le seul type de handover défini est la resélection de
cellule. Mais, avant d’entamer le détail sur le handover dans le réseau UMTS, on va parler
d’abord les mesures effectuées par la couche physique en mode veuille, les types des mesures
effectuées et les processus de sélection de cellule. [24]
36
3.3
Mesures effectuées par la couche physique [25]
L’un des rôles principaux de la couche physique est le prélèvement des mesures. Son
déclenchement est contrôlé, côté UE, par RRC et côté nœud B, par NBAP et les frames controles.
Dans l’UTRAN, toutes les mesures ne sont pas effectuées par la couche physique. Certaines
d’entre elles, comme par exemple l’estimation statistique du volume de trafic, sont à la charge de
la couche MAC. Certaines mesures sont obligatoires car elles sont critiques pour le bon
fonctionnement du réseau. D’autres permettent à l’opérateur de réseau d’optimiser certaines
fonctions qui ont pour de gérer aux mieux les ressources radio.
Lorsque l’UE se trouve dans l’état CELL_DCH, les mesures sont initiées par l’UTRAN à l’aide
du message RRC MESUREMENT CONTROL dans lequel on indique au mobile entre autres :
•
Le type de mesure à réaliser (intrafréquence, interfréquence, intersystème) ;
•
Une référence (identité) associé à la mesure ;
•
Une commande (setup, modify ou release)
•
La quantité à mesurer (pathloss, CPICH RSCP, CPICH G /. ) ;
•
La manière dont le rapport de mesure doit s’effectuer : périodique (comme en GSM),
déclenché par un événement ou une combinaison de deux.
En mode veille RRC et dans les états CELL_PCH, URA_PCH, CELL_FACH, les mesures sont
contrôlées par le réseau à partir des informations systèmes contenues dans les SIB 11 et SIB 12.
Dans les états CELL_DCH et CELL_FACH, l’UE envoie les messages RRC MESUREMENT
REPPORT le résultat des mesures accompagné de l’identité associée à la mesure. Dans l’état
CELL_FACH, ce résultat concerne des mesures sur le volume de trafic. Le rapport n’a lieu que
lorsque le critère permettant de déclencher l’évènement est satisfait ou lorsque la fin de la période
pour envoyer le rapport est atteinte. Il faut noter que le rapport périodique peut accroitre le trafic
de signalisation dans la voie montante lors de l’envoi de résultat de mesures.
3.4
Types de mesures
Les types des mesures que l’UE doit effectuer sont classés de la manière suivante :
•
Mesures intraféquence effectuées sur des cellules ayant la même fréquence porteuse que
celle de la cellule ou des cellules actives ;
37
•
Mesures interfrequence effectués sur les canaux physiques de la voie descendante qui se
situent à des fréquences porteuse différentes de celle de la cellule ou des cellules actives ;
•
Mesures intersystème sur les canaux physiques de la voie descendante appartenant à un
autre réseau d’accès radio (GSM par exemple). Elles sont d’ailleurs appelées des mesures
inter-rat (RAT pour radio accès technology)
•
Mesures de volume de trafic dans la voie montante ;
•
Mesures de qualité comme par exemple, le taux d’erreur par bloc de transport (BLER)
dans la voie descendante ;
3.5
Calage sur une cellule [25]
Le calage sur une cellule implique la sélection d’un PLMN et d’une cellule offrant un niveau
minimum de service. On dit que l’UE est « «calé » sur une cellule lorsqu’il est synchronisé avec
celle-ci et est en mesure de lire les informations systèmes qu’y sont diffusés.
3.5.1
Processus de recherche et de sélection de PLMN
La recherche de PLMN est initiée lorsque les couches du non access stratum(NAS) demandent
aux couches radio de l’access stratum (SA) d’entamer une recherche de tous les PLMN présents
dans l’environnement radio où opère l’UE. S’il s’agit de l’UE type 2, la recherche est effectuée
par les bandes radio GSM et UMTS selon la priorité définie par l’opérateur. Le résultat de cette
recherche est remonté à NAS sous forme d’une liste. NAS sélectionne un PLMN dans cette liste
en tenant compte des conditions d’abonnement dans l’USIM et demande à AS de chercher une
cellule « convenable » appartenant au PLMN sélectionné. La sélection de PLMN se fait suivante
des règles spécifiques. Le PLMN à rechercher peut être déjà présélectionné dans certaines
circonstances. Par exemple après sa mise sous tension, l’UE doit chercher par défaut une cellule
appartenant au PLMN auquel il s’est inscrit pour la dernière fois (RPLMN). Une fois qu’une
cellule « convenable », appartenant au PLMN sélectionné est identifiée, AS la sélectionne et
l’indique à NAS.
3.5.2
Phases dans la sélection de cellule
Pour sélectionner une cellule associé à au PLMN indiqué par NAS, il faut d’abord la rechercher
dans l’environnement radio où le mobile opère. Ceci commence par le choix d’une fréquence
38
porteuse dans la bande radio supportée par le terminal. En Europe, les porteuses dans la bande
1920-1980 MHz (Voie montante) et 2110-2170 MHz (Voie descendante) sont repérées par un
numéro appelé UARFCN (UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number). Il peut prendre
près de 300 valeurs différentes en UTRA/FDD et ce sont autant de porteuses potentielles à scruter
par l’UE par pas multiples de 200 KHz.
Une fois que la fréquence porteuse a été sélectionnée, le mobile devra effectuer les opérations
suivantes :
•
La procédure de synchronisation ou procédure de recherche de cellule, l’UE essaiera à
partir du SCH de déterminer la référence temporelle (début d’un slot, d’une trame) et le
code d’embrouillage d’une cellule candidate à la sélection. Une fois qu’une cellule avec un
code d’embrouillage valide est détectée, il est possible de mesurer sa puissance et de tenter
de décoder des informations système contenus dans le BCH ;
•
Le décodage du BCH : en décodant les informations du BCH de la cellule candidate à la
sélection, il sera possible au mobile de déterminer si celle-ci appartient au PLMN
sélectionné et d’évaluer les critères pour savoir s’il s’agit d’une cellule « convenable » ou
non ;
•
L’évaluation des critères pour déterminer si la cellule est « convenable » : pour savoir si la
cellule détectée peut offrir un nouveau de service « convenable », il faut effectue série de
tests.
•
Si la sélection de cellule aboutit sur une cellule « convenable », le mobile rentre
automatiquement dans le mode veille RRC. Il peut alors lire dans la cellule sélectionnée,
les informations nécessaires à l’inscription auprès du réseau.
3.5.3
Caractéristiques d’une cellule convenable et d’une cellule acceptable
Toutes cellules ne peuvent pas être sélectionnées, car le niveau de service auquel l’UE aura accès
en dépendra. Ainsi par exemple, si la cellule est « acceptable », les services sont limités : seuls
des appels d’urgence pourront être passés. Par contre, si la cellule est « convenable » (suitable),
l’UE pourra accéder normalement aux services qu’il a souscrit : passer des appels de voix,
envoyer des messages électroniques, télécharger des images, etc. Dans le cas général, c’est une
cellule « convenable » que l’UE tente de sélectionner et qui doit satisfaire les caractéristiques
suivantes :
39
•
La cellule doit faire partie de la PLMN sélectionné ou d’un PLMN considéré comme
équivalent,
•
La cellule ne doit pas être interdite (barred). Cela arrive, par exemple, lorsque les
ressources radio dans la cellule sont épuisées et le réseau décide de l’interdire ;
•
La cellule ne doit pas faire partie d’une zone de localisation interdite, indiqué dans la liste
du même nom ;
•
La cellule doit satisfaire un critère de qualité radio appelé « critère de sélection de cellule »
ou critère « S » (voir Annexe 1).
Soulignons qu’à la différence d’une cellule « convenable », une cellule « acceptable » ne satisfait
que les critères du deuxième et quatrième point ci- dessus.
3.6
Processus de resélection de cellule [25]
La sélection d’une cellule s’appuie sur des critères de qualité valables à un instant de temps précis.
Il n’est pas dit que ces critères vont évoluer au fur et à mesure que le mobile se déplace et que les
conditions du canal de propagation changeront. Le processus de resélection de cellule vise à
sélectionner une nouvelle cellule parmi les cellules environnantes qui offre une qualité supérieure
à celle de la cellule sélectionnée quelque temps auparavant.
On s’intéresse ici aux états veille, CELL_PCH, URA_PCH et CELL puisque c’est dans ces états
qu’un processus de resélection de cellule peut avoir lieu. En effet, ces états se caractérisent par une
activité non continue de la part du mobile : il ne transmet et/ou il ne reçoit des messages qu’à des
intervalles de temps réguliers avec des périodes de temps d’inactivité. A comparer avec
CELL_DCH où un canal physique est alloué en permanence
3.6.1
Règles de mesure pour la resélection de cellule
Avant de décrire les règles permettant de déclencher un processus de resélection de cellule, il est
important de lister les différents types :
•
La resélection de cellule intrafréquence, qui a lieu lorsque la nouvelle cellule sélectionnée
se situe dans la même fréquence que l’on vient de quitter. Elle requiert que le mobile
effectue des mesures intrafréquences ;
40
•
La resélection de cellule interfréquence, qui a lieu lorsque la nouvelle cellule sélectionnée
se trouve dans une fréquence différente de celle de la cellule que l’on vient de quitter. Elle
requiert que le mobile effectue des mesures interfréquences ;
•
La resélection de cellule intersystème (inter-RAT), qui a lieu lorsque la nouvelle cellule
sélectionnée appartient à un réseau dont la technologie d’accès radio est différente de celle
de la cellule que l’on vient de quitter. Ce cas se produit typiquement lorsque l’on passe
d’une cellule UTRA/FDD ou UTRA/TDD à une cellule GSM et requiert que le mobile
effectue des mesures intersystème ;
Il faut noter également que la resélection intersystème peut être ordonnée explicitement par
l’UTRAN suivant les procédures inter-RAT cell change order from UTRAN qui n’est pas valable
que pour le transfert des connexions en mode paquet (UMTS vers GPRS).
Le réseau indique au mobile via des informations système (SIB 3/4), si des mesures
intrafréquence, interfréquence ou intersystème doivent être effectuées dans la cellule courante. Il
indique également si les cellules concernées font partie d’une structure hiérarchisée (HCS
Hierarchical Cell Structure). Selon qu’il s’agit ou non d’une structure hiérarchisée de cellules, les
règles de mesures sont différentes.
3.6.2
Etapes dans le processus de resélection de cellule
Ci- dessous seront récapitulées les étapes de resélection de cellule. On suppose que l’UE est calé
sur une cellule UTRA/FDD :
•
Evaluation du critère « S » sur les cellules candidatures à la resélection ;
•
Classement des cellules qui satisfont le critère « S » suivant les valeurs estimés de I et
•
I> ;
Si une cellule voisine aux technologies radio UTRA/TDD ou GSM est la mieux classée
(ayant la valeur I> la plus élevée), un processus de resélection de cellule intersystème vers
cette cellule est déclenché par l’UE (pourvu que ce dernier supporte ces technologies) ;
•
Si une cellule UTRA/FDD est la mieux classée, et que la mesure CPICH RSCP est utilisée
comme paramètre de qualité, un processus de resélection de cellule interfréquence ou
intrafréquence est déclenché vers cette cellule par l’UE ;
41
•
Si une cellule UTRA/TDD est la mieux classée, et que la mesure CPICH B /. est utilisée
comme paramètre de qualité, un deuxième classement est effectué. Ce classement applique
à nouveau le critère « R » mais en utilisant la mesure CPICH B /. pour calculer les
paramètres JKLM, et JKLM,> . De plus, les quantités JOP,> et J??L,,> remplacent
respectivement JOP,> et J??L,,> . Après ce deuxième classement, le mobile
sélectionne la cellule qui possède la valeur I ou I> la plus élevée (Voir annexe 2);
•
Dans tous les cas précédents, la cellule est resélectionnée si et seulement si la cellule
voisine cible est mieux classée que la cellule active pendant un intervalle de
temps<LLQLB=> . En plus, il faut qu’une seconde se soit écoulé depuis le moment où le
mobile s’est calé sur la cellule courante. Ceci permet d’empêcher une situation de va et
vient dans laquelle le mobile sélectionne alternativement des cellules dont la qualité est
améliorée uniquement pour des intervalles de temps très ponctuels. Le paramètre
<LLQLB=> est lu par le mobile dans les informations système (SIB 3/4).
3.7
Processus de handover
A la différence du processus de resélection de cellule, le processus de handover se déroule lorsque
le mobile est en cours de communication en se servant d’un canal dédié, c’est-à-dire dans l’état
CELL_DCH.
Le handover concerne le changement du canal radio utilisé par un terminal mobile. Le nouveau
canal alloué peut être dans la même cellule que celle de l’utilisateur ou dans une cellule différente.
Le handover est initié lorsque le mobile traverse la région de Handover formée par l’entrelacement
de deux régions de recouvrement. Dans cette région, un appel peut être traité par deux stations.
Le temps mis par le mobile dans la région de handover est appelé « intervalle de dégradation ».
Le processus du handover est initié lorsque la puissance reçue par le mobile de la station de base
d’une cellule voisine est plus grande que celle reçue par la station de base courante d’une certaine
valeur. Cette valeur est appelée le « handover threshold ».
Pour que le handover s’établisse avec succès, un canal devrait être alloué à la requête handover
avant que le rapport des puissances reçues par le mobile atteigne le « receiver threshold ». Ce
dernier est le seuil du rapport de puissances reçues au dessous duquel une communication
acceptable avec la station de base de la cellule courante n’est plus possible.
42
La région du handover est la région ou le rapport des puissances reçues par la station de base
courante et voisine est entre le « handover threshold » et le « receiver threshold » (figure 3.01). Si
ce rapport de puissance devient inférieur au « receiver threshold » et si aucun canal n’est alloué à
l’appel handover dans la cellule candidate, l’appel en cours est alors forcé à se terminer. Dans ce
cas, le handover a échoué. [25] [26] [27]
Figure 3.01 : Processus du handover
Il y a plusieurs raisons pour lesquelles des handovers doivent être exécutés. D'une façon générale
les handovers sont nécessaires quand le raccordement n’est plus satisfaisant. Dans cette situation,
un handover est initialisé avec certaines règles. Les raisons les plus communes pour qu’un
handover soit exécuté sont en raison de manque de qualité de signal ou du niveau du trafic pour
une station de base.
3.7.2
Qualité de signal
Si la qualité de signal diminue au-dessous d'un certain niveau c’est-à-dire le rapport de signal/bruit
qui est indiqué par le système; handover sera exécuté. La puissance du signal est constamment
mesurée par l'UE et le node B.
De cette façon les ressources radio sont utilisées d'une façon uniforme. Toute la capacité du réseau
augmentera également vu qu’elle s'adapte dynamiquement à la capacité exigée dans une cellule.
43
Handovers sont également adaptés au comportement de l'utilisateur mobile. D'une façon générale
lorsqu’un utilisateur se déplace uniformément, le nombre de handover augmentera avec
l'augmentation de la vitesse. Dans cette situation, un handover r peut être effectué par exemple
d'une micro-cellule à une macro-cellule. Si l'utilisateur mobile ralentit, un handover sera favorable
à une pico-cellule.
3.7.3
Le trafic
Une cellule peut atteindre un certain niveau de charge à un moment donné, en effet quand la
quantité du trafic dépasse le niveau maximum de la capacité d’une cellule, les utilisateurs de cette
cellule sont remis à une autre cellule qui a une capacité plus disponible
3.8
Handover dans le réseau UMTS
Dans le système UMTS, différents types de handover sont introduits pour contrôler la charge du
système, pour remédier aux problèmes de la couverture et pour offrir une qualité de service
satisfaisante.
Un algorithme de handover ne peut être efficace que lorsqu'il est associé avec une bonne fonction
de gestion des ressources radio et une bonne fonction de gestion de mobilité. La gestion des
ressources signifie l'établissement, le maintien, la libération et le contrôle d'une connexion sur
l'interface radio. En UMTS la fonction de signalisation entre le mobile et l'UTRAN est contrôlée
par le protocole RRC (Radio Resource Control).
Lorsqu'on parle de handover, plusieurs fonctions implémentées dans le protocole RRC sont
importantes à savoir les mesures effectuées par l'UE (User Equipment), la relocalisation SRNC
(Serving RNC), le contrôle de la liaison radio et le contrôle des canaux physiques et de transports.
Plusieurs fonctions du protocole RRC sont implémentées dans le RNC (Radio Network
Controller).
La gestion de localisation signifie que le réseau doit connaître la position du mobile à chaque
instant pour une éventuelle recherche. Les informations relatives à ceci sont stockées dans le HSS
(Home Subscriber Server) et le MSC.
Les handovers dans les systèmes WCDMA peuvent être classés suivant plusieurs modes. Nous
distinguons le soft/softer Handover, Handover intra-fréquence, le Handover inter-fréquence. Pour
une autre classification nous distinguons le soft/softer et le Hard Handover.
44
3.9
Types de handover en UTRA
Il existe en UTRA/FDD deux principaux types de handover : le hard-handover et le soft handover.
Dans le premier, les liens radio du service courant sont relâchés avant d’avoir établi un nouveau
lien. A contrario, dans le cas de soft handover, les liens sont ajoutés et relâchés, de telle sorte que
le terminal maintient toujours au moins une liaison avec l’UTRAN. Aussi, dans le soft handover,
un même UE peut communiquer simultanément avec plusieurs Nodes B (macrodiversiité). Un cas
particulier du soft handover est le softer handover où les liens radio sont contrôlés par un même
node B lequel gère plusieurs secteurs.
3.9.1
3.9.1.1
Le Hard Handover
Principe
Le hard handover consiste à libérer l'ancienne connexion avant qu'une nouvelle connexion radio
entre le mobile et le réseau soit établie. Ce type de handover est utilisé dans les réseaux GSM, où
dans chaque cellule on a des fréquences différentes. Un mobile qui passe dans une nouvelle cellule
provoque la rupture de l'ancienne connexion avant qu'une nouvelle connexion utilisant une autre
fréquence soit établie dans la cellule visitée.
Les figures 3.02 et 3.03 représentent les différentes situations de Hard Handover en UMTS.
Figure 3.02 : Handover inter-fréquence
45
Figure 3.03 : Handover inter-PLMN (inter RNC)
Le déroulement de la procédure de Hard handover se compose de trois phases:
•
La préparation : En complément des ressources allouées sur l'interface Iu, le RNC cible
doit allouer un circuit virtuel sur l'interface Iub avec la Node B cible. De plus un nouveau
lien radio est activé dans la cellule cible, au moyen de la procédure de (Radio Link Setup)
du protocole NBAP (NodeB Application Part).
•
L'exécution : Durant cette phase, le SRNC doit commander au mobile de changer de
cellule. La phase d'exécution est terminée lorsque le mobile a basculé avec succès sur la
nouvelle cellule et qu'un nouveau lien radio a été alloué.
•
La libération des anciennes ressources inutilisées : L'ancien lien radio et le circuit virtuel
sont libérés par l'ancien SRNC.
Comme récapitulation, le hard handover peut être causé par:
•
Manque de couverture dans une zone donnée ;
•
La dégradation de la qualité de communication.
•
La charge de la cellule.
46
•
Regroupement des services.
•
Equilibrage des charges entre réseaux.
3.9.1.2
Problème du Hard handover dans le réseau UMTS
Le problème majeur du Hard Handover dans les réseaux UMTS c'est la coupure de
communication causée par la non disponibilité des ressources dans la cellule cible. Ce problème
peut être résolu par l'introduction d'un critère de priorité concernant l'allocation des ressources.
Dans une cellule donnée, la demande des ressources pour handover est prioritaire par rapport aux
nouvelles demandes. Cette idée mène à une mauvaise efficacité spectrale puisque, pour une cellule
donnée, on aura des ressources non utilisées lorsqu'il n’y a pas de demandes de handover vers
cette cellule ce qui implique un blocage pour les nouvelles demandes. Ces implications ainsi que
d'autre ont provoqué, pour les réseaux WCDMA, l'introduction de nouveaux types de handover tel
que le soft et le softer handover. [25] [26] [27]
Typiquement, le hard handover est utilisé pour des raisons de couverture et de charge. Par contre
le soft et le softer handover sont liés à la mobilité. Dans les réseaux UMTS, le Hard Handover est
employé lorsqu'un mobile passe entre deux cellules utilisant deux fréquences différentes ou
employant des modes différents (TDD et FDD).
3.9.2
3.9.2.1
Le soft/softer Handover
Principe
Soft/softer Handover sont deux types de Handover implémentés dans le système UMTS et qui sont
spécifiques à la technologie WCDMA.
Le soft handover se produit lorsque le mobile est dans la zone de chevauchement de deux cellules.
Il permet à un mobile d'utiliser plus qu'un lien radio pour communiquer avec le réseau fixe. Cette
procédure permet de diminuer le taux d'échec de handover aux bords des cellules et améliore
significativement la qualité de signal. Le déclenchement de ce type de handover se fait en se
basant sur les mesures effectuées par le mobile sur les canaux pilotes des différentes stations de
base.
Le soft Handover correspond au cas où les deux liens radio sont contrôlés par des stations de base
différentes ; le softer Handover est la situation dans laquelle une seule station de base reçoit les
signaux d'un seul utilisateur à partir de deux secteurs qu'ils desservent.
47
La figure 3.04 illustre la procédure de soft Handover.
Figure 3.04 : Le Mécanisme de soft Handover dans l’UMTS
3.9.2.2
Exemple d’algorithme de soft handover
Dans l’état CELL_DCH, l’UE reçoit, via des messages de signalisation RRC, une liste sur les
cellules voisines à scruter dans la fréquence porteuse courante ainsi que les critères associés pour
le rapport des mesures intrafréquence. Ces mesures seront envoyées au RNC lorsque les
conditions pour déclencher un événement sont satisfaites. On dit alors que le soft handover est de
type MEHO (Mobile Evaluated HandOver), car c’est le mobile qui évalue la nécessité de le
déclencher ou non. Soulignons que la décision finale est toujours prise par RNC.
On considère les événements suivants dans l’algorithme décrit ici à titre d’exemple :
•
Evénement 1A : Adjoint un nouveau lien radio ;
•
Evénements 1B : Relâche un lien radio ;
•
Evénement 1C : Remplace un lien radio lorsque l’active set est plein.
Les conditions pour déclencher un événement sont fonction des mesures effectuées par la couche
physique sur le CPICH primaire. Les différents paramètres qui interviennent dans cet exemple
sont :
•
As_th : seuil établi lorsque l’UE est en état de macrodiversiité ;
48
•
As_Th_Hyst : marge pour le seuil As_th, dite d’ « hystérésis » ;
•
As_Rep_hyst : marge à partir laquelle on procède au remplacement d’une cellule dans
l’active set.
•
∆ : temps attendu avant de déclencher une action ou un événement ;
•
Meas_sign : mesure filtré sur plusieurs échantillons du CPICH B /. ;
•
Best_Ss : cellule dont la qualité mesurée est meilleur dans l’active set.
Le but de l’algorithme est de retirer, au cours du temps, les cellules dans l’active set dont la qualité
n’est plus jugée acceptable pour en faire partie. De plus, il doit être capable d’évaluer la qualité
des cellules dans le monitored set déterminer si elles peuvent être incluses ou non dans l’active
set.
Figure 3.05 : Exemple d’algorithme de soft handover
Dans la figure 3.05, on suppose que la cellule 1 fait partie de l’active set et que les cellules 2 et 3
appartiennent, quant à elles, au monitored set. On suppose également que le nombre maximum de
49
cellules tolérées dans l’active set est de deux. Au cours du temps, l’UE effectue la mesure
Meas_Sign sur le CPICH 2 de la cellule 2. Si Meas_Sign est supérieure à (Best_SsAs_Th+As_Th_hyst) sur une durée∆, on retire la cellule 3 de l’active set (événement 1A).
La qualité du lien avec la cellule 1 se dégrade progressivement. Et, à un moment donné, une
mesure effectuée sur le CPICH 3 qui fait partie du monitored set que la qualité est meilleure que
l’on mesure sur le CPICH 1. Enfin, au bout d’un certain temps, l’UE constate que la quantité
Meas_Sign mesurée sur le CPICH 3 se situe en dessous de (Best_Ss-As_Th-As_Th_Hyst). Si cette
mesure persiste pendant une période de ∆, on retire la cellule 3 de l’active set en ne laissant que
la cellule 2.
3.9.2.3
Différence de temps entre les cellules candidates et la cellule active
Dans une procédure de soft handover, le caractère asynchrone des stations de base peut rendre
nécessaire un ajustement de leur temps de transmission. Une différence de temps trop importante
empêcherait l’UE de combiner, à l’aide d’un RAKE, les copies des signaux provenant des stations
de base appartenant à l’active set. Aussi, l’UE doit effectuer des mesures additionnelles pour
estimer cette différence de temps. Cette mesure concerne la différence de temps observée par l’UE
entre la valeur SFN de cellule courante et la valeur de CFN de la cellule candidate.
Le résultat de ces mesures est envoyé au RNC par l’intermédiaire du node B courant. Si la
différence de temps est jugée trop importante par le RNC (typiquement supérieure à 256 chips),
celui-ci envoie une commande au node B concerné pour qu’il règle le temps de transmission du
DPCH dans la voie descendante à adjoindre à l’active set. Le réglage s’effectue par pas de 256
chips.
3.9.2.4
Contrôle de puissance pendant le soft handover
L’utilisation du soft handover dans le réseau fondé sur le CDMA répond essentiellement à la
nécessité de réduire au minimum le niveau d’interférence provoqué par un UE lorsqu’il pénètre
dans une zone couverte par plusieurs stations de base qui reçoivent sur une même fréquence
porteuse. En l’absence de cette procédure, les terminaux mobiles desservis par les cellules
voisines pourraient être éblouis par l’UE entrant dont la puissance de transmission n’est pas connu
a priori par les cellules qui l’accueillent (effet « proche-lointain »). Aussi, les procédures de
contrôle de puissance et le soft handover sont étroitement liées. [25] [26] [27]
50
a. Contrôle de puissance dans la voie montante lors d’un soft handover
Pendant le soft handover, chacune des cellules dans l’active set estime individuellement le rapport
-IL sur les copies du DPCCH de la voie montante émis par le terminal. Puis, elles génèrent
individuellement des commandes TPC pour indiquer à l’UE concerné d’accroître ou de diminuer
sa puissance de transmission. L’UE reçoit donc des multiples commandes TPC au cours d’un slot.
Puisque ces commandes ne sont pas codées pour éviter des retards inhérents dans le processus de
codage, leur estimation peut être fausse en raison des dégradations causées par le canal radio.
Comme il s’agit d’une boucle, le niveau global d’interférence peut ainsi augmenter et la capacité
de la cellule diminuer. L’UE ne peut donc pas se connecter d’appliquer une fonction logique
« OU » sur les multiples commandes reçues pour générer et appliquer une commande unique à sa
puissance d’émission. Pour ce faire et décider si la puissance doit être incrémentée ou diminuée,
l’UTRAN indique à l’UE d’appliquer l’un des deux algorithmes proposés dans ce but.
Les commandes de contrôle de puissance TPC_cmd venant de n nodes B dans l’active set sont
pondérées avec des poids dérivés de la qualité radio (S /. ) de leurs liens correspondants. C’est
uniquement dans le cas où la qualité du lien radio est jugée fiable que la commande associée prise
en compte. Il suffit que l’une des commandes reçues soit (jugées fiables) soit elle que
TPC_TUVK =0 pour que la procédure s’arrête et que l’UE prenne la décision de diminuer sa
puissance d’émission. Sinon, il considérera que sa puissance doit être accrue.
b. Contrôle de puissance dans la voie descendante lors d’un soft handover
Dans la voie descendante, l’UE reçoit simultanément plusieurs signaux correspondant aux canaux
physiques dédiés actifs pendant le soft handover. Puis, il combine les différents trajets de ces
signaux et il estime une valeur unique de SIR sur le signal combiné. L’UE génère donc une
commande unique TPC qui sera transmise à tous les nodes B faisant partie de l’active set. En
raison des erreurs survenues lors de la transmission, les nodes B peuvent recevoir cette commande
de manière différente et ajuster leur puissance dans les directions opposées. Pour pallier ce
problème, il est possible que l’UTRAN demande à l’UE de répéter la même commande de
contrôle de puissance sur plusieurs slots. Cela crée une forme de diversité temporelle pouvant
diminuer le taux d’erreur.
Une autre solution consiste à synchroniser la puissance de transmission des stations de base
(power balancing). Le RNC envoie régulièrement à celles-ci une puissance de référence. Chaque
51
cellule calcule la différence entre la puissance de référence et la puissance actuelle de cette cellule
et essaye de compenser cet écart par un processus lent qui peut s’étendre sur plusieurs trames.
La figure 3.06 suivante présente un exemple d’algorithme pour combiner les commandes du
contrôle de puissance de la voie montante pendant un soft handover.
Figure 3.06 : Exemple d’algorithme pour combiner les commandes du contrôle de puissance de la
voie montante pendant un soft handover
c. Contrôle de puissance suivant la technique SSDT
La technique SSDT (Site Selection Transmit Diversity) est une technique de contrôle de puissance
de la voie descendante qui s’applique lors d’un soft ou softer-handover. L’UE sélectionne la
cellule de l’active set ayant la meilleure qualité radio et la considère comme « primaire ».
52
L’objectif est de désactiver la transmission des données des cellules dont la qualité n’est pas très
bonne et de diminuer ainsi l’interférence générée entre elles. SSDT intervient typiquement pour
pallier le problème dit « corner effect » où l’UE reçoit un signal de bonne qualité d’une cellule et
un signal affaibli des autres cellules impliquées dans la macrodiversité. Cela se traduit par une
limitation de gain de macrodiversité. Mais le niveau des signaux reçus par l’UE peut changer très
rapidement. Aussi, SSDT permet de maintenir toutes les cellules dans l’active set et de pouvoir
commuter très rapidement de l’une à l’autre, tout en économisant de la puissance dans les cellules
qui ne sont pas « primaires ».
Les cellules se voient assigner une identité temporaire par l’UE de manière à ce qu’elle sache
quelle est la cellule « primaire » et quelle est celle qui ne l’est pas. Cette identité est mise à jour
de façon périodique et elle est communiquée aux cellules concernées par les bits FBI du DPCCH
dans la voie montante. Les cellules qui ne sont pas « primaires » arrêtent la transmission du
DPCCH dans la voie descendante sachant que seul le DPCCH est transmis.
3.10
Soft handover et couverture [28]
En raison des effets de masque, la puissance du signal dans la zone de couverture chutera sous
des valeurs désirées. Afin de surmonter ceci, l’UE devrait augmenter sa puissance de transmission
à une certaine quantité. La
quantité par laquelle la puissance de transmission devrait être
augmentée est appelée marge de fading (fade margin). Nous analyserons la marge de fading dans
le cas de softhandover.
Nous commençons par l’atténuation du modèle de propagation standard de la formule 3.01:
W6, 8 = 10log + (3.01)
Le premier composant dans l'équation 3.01 représente la perte de propagation (est l’exposant de
la perte de trajet et r est la distance entre l’UE et le Node B) et le second représente la perte due à
l’effet de masque ( est modélisé comme une variable aléatoire gaussienne de moyenne 0 et
d'écart type
). La performance désirée ne peut pas être réalisée si l'atténuation due à la
propagation est plus grande que la marge de fading . Dans le cas où un seul Node B dessert
l’UE, la probabilité de cet événement est :
= 610log + > 8
(3.02)
Dans le cas où deux Nodes B desservent l’UE, la performance désirée n’est pas réalisée si la plus
petite valeur des deux atténuations est plus grande que la marge de fading . La probabilité de cet
événement est exprimée par :
53
= 6min[10log + , 10log + ] > 8
(3.03)
Le calcul de cette probabilité s’avère très difficile et très complexe. Il est évident que dans le cas
du soft handover, la marge de fading est beaucoup plus petite. D’après les études, cette probabilité
vaut Pout= 0.1 pour σ = 8 dB et = 10.3dB pour le hard handover et = 6.2dB pour le soft
handover.
Cette réduction de la marge de fading pour le soft handover entraîne une augmentation de la zone
de couverture de la cellule. Bref, le softhandover apporte une amélioration sur la capacité de
couverture.
Le soft handover a aussi un impact positif pour les interférences car la macrodiversité offre la
possibilité de transmettre avec une plus petite puissance. La figure 3.07 suivante montre le gain du
softhandover pour une puissance de transmission de l’UE en fonction de la différence du niveau
des signaux des deux Nodes B dans l’active set.
Figure 3.07 : Gain du soft handover en uplink
Nous pouvons voir que les meilleurs résultats sont réalisés quand les niveaux de signal des deux
Nodes B ont la même valeur. Quand la différence monte, le gain diminue. Pour la grande
différence des valeurs des signaux, nous pouvons voir que la puissance de transmission augmente
de même, en raison de la signalisation des erreurs sur le downlink (commandes du contrôle de
puissance). Dans l'algorithme du hard handover, le handover se produit avec un retard en raison de
l'hystérésis, ce qui agrandit en plus l'interférence.
54
3.11
Soft handover et capacité sur le lien descendant [28]
La réalisation du soft handover sur le downlink est différente comparée à celle de l'uplink. La
différence principale est que, sans dispositif du soft handover, seulement un Node B transmet le
signal à l’UE.
Le gain du soft handover doit être régulé en transmettant des signaux sur plusieurs Nodes B. La
capacité du système en downlink est limitée par la puissance de transmission du Node B.
D' autre part, afin de maintenir le soft handover, des signalisations additionnelles en downlink
sont nécessaires, ce qui augmente en plus la
puissance consommée par le Node B. Nous
essaierons de modéliser l'impact des paramètres du soft handover sur la puissance consommée.
Si on ignore le bruit thermique, le SIR pour un UE sans soft handover est exprimé par :
`
. =
∗
a. I 61 − d8 + ∑ > . >
(3.04)
Où W est le débit de chip, v le facteur d’activité, R le débit binaire, Ps la puissance du canal
DPCCH (Puissance de transmission dans le node B), PTn est la puissance totale de transmission du
n-ième Node B, Ln est l’atténuation de propagation du n-ième Node B vers l’UE.
La puissance de transmission requise par le Node B est exprimée par :
a. I
>
= , /
g61 − d8 + h i
M<fL `
(3.05)
>
Cette formule peut être écrite comme suit :
= ,
Où
a. I
/
M<fL ` = g61 − d8 + h
>
(3.06)
>
i
Le facteur β1 dépend des conditions de propagation et le reste dépend du type de service.
Considérons l’événement quand l’UE communique avec deux Nodes B durant le soft handover.
Nous avons alors un maximum de rapport combiné au niveau du récepteur, alors le SIR reçu est :
, /
=, / +, /
MQ
55
(3.07)
a. I
. . , /
=
j
+
k
MQ
` 61 − d8 + ∑ > . > 61 − d8 + ∑ > . >
(3.08)
Selon les recommandations du 3GPP, l'algorithme de contrôle de puissance essayera d'éviter la
dérivation de puissance et de maintenir la puissance égale sur les Nodes B pour un UE en état de
soft handover, alors on peut supposer que PS1= PS2. Aussi, on suppose que les mobiles sont
uniformément distribués et que toutes les cellules ont la même charge, ce qui veut dire qu’on a la
même puissance totale de transmission PT1 = PT2 = PTn. Dans ce cas, on a :
l = l =
mn qr
o
ps u
t
}
6{M8|h ~
~ }
vwxyzv
+
6{M8|h
(3.9)
}~
~ }€
La puissance du canal DPCCH est alors :
= ,
a. I
/
M<fL ` Où
=
1
2
61−d8+ 5
1
5
+
1
(3.10)
(3.11)
61−d8+
5
2
5
Dans le cas de trois Nodes B durant le soft handover, le facteur β3 est :
=
1
61−d8+
5
1
5
+
3
1
61−d8+
5
2
5
+
1
61−d8+
(3.12)
5
3
5
Les facteurs β1, β2 et β3 indiquent les puissances consommées et elles dépendent des conditions de
propagation (perte de trajets) du Node B courant (qui dessert le mobile) et des Nodes B voisins.
3.12
Exemple [28]
Cet exemple est un cas réel du réseau 3G de la ville de Belgrade. Les mesures sont effectuées à
l’aide de l’outil « Drive Test ». La figure 3.08 représente les zones de soft handover pour
As_Th=3 dB et le nombre maximal de cellules dans l’active set vaut 3 (As_Max_Size= 3).
56
Figure 3.08 : Zones de soft handover pour As_Th=3 dB
Au début, nous avons comparé la puissance consommée dans le cas où l'UE est relié au meilleur
serveur seulement, et celle de l’UE en soft handover pour les différents paramètres du soft
handover. Si n=1 est le meilleur Node B serveur, alors nous avons:
h
>
>
>
≤h
(3.13)
>
Si nous appliquons la formule 3.09 dans les calculs de β1 et β2, il n’est pas difficile de prouver que
β2 > β1. Par conséquent, nous avons une augmentation de la puissance consommée. La figure 3.09
montre l’augmentation de la puissance consommée en fonction d’As_Th et As_Max_Size.
57
Figure 3.09 : Croissance de la puissance consommée en fonction de As_Th et As_Max_Size
On peut voir l’augmentation est plus grande pour As_Max_Size = 3 comparé à As_Max_Size = 2.
De même qu’elle est plus grande pour les valeurs élevées d’As_Th.
La croissance de la puissance consommée présentée dans la figure 3.09 précédente est dérivée en
comparant la situation quand l’UE est relié au meilleur serveur. Mais en cas du hard handover,
l’UE ne sera pas toujours relié au meilleur serveur car :
•
Le procédé de Handover n'est pas immédiat, il nécessite un certain temps.
•
Quand As_Max_Size = 1, le fait que les signaux des cellules voisines sont plus forts n'est
pas assez. La différence doit être plus grande qu'As_Th.
Si on se focalise sur As_Th, nous pouvons supposer qu'en cas où la différence entre le niveau de
signal de la cellule courante et celui du meilleur de la cellule voisine est plus petit qu'As_Th, la
probabilité pour qu’un UE soit servi par le meilleur serveur est de 50%, et dans 50% des cas il
n'est pas servi par le meilleur serveur. Avec ces hypothèses :
ƒ„n…
1
>
>
= †61 − d8 + h + 61 − d8 + h ‡
2
>
>
58
(3.14)
Si nous comparons la puissance consommée pour As_Max_Size = 2, 3 (cas du soft handover)
avec le hard handover (As_Max_Size = 1), le soft handover est bénéfique en terme de capacité en
downlink tant que la puissance consommée est petite.
3.12.1
Classement de cellule au sein de l’UE
Du point de vue de l’UE, il existe trois manières de classer les cellules qui sont impliquées dans le
processus de handover:
•
Cellules qui appartiennent à l’active set : ce sont les cellules impliquées dans le soft
handover et qui communiquent avec l’UE dans une même fréquence porteuse. L’active
set peut contenir un total de six cellules. Des mesures intrafréquences sont effectuées sur
les cellules appartenant à l’active set ;
•
Cellules qui appartiennent au monitored set : il s’agit des cellules voisines qui ne font pas
partie de l’active set, mais qui sont surveillés par l’UE suivant une liste transmise par
l’UTRAN. Des mesures intrafréquence, interfréquence et inter-RAT sont effectuées sur les
cellules du monitored set.
•
Cellules qui appartiennent de detected set : ce sont les cellules détectées par l’UE qui ne
sont ni dans l’active set ni dans le monitored set. Seules des mesures intrafréquence sont
effectuées sur les cellules du detected set.
Suivant cette classification des cellules, on distingue trois variantes de handover selon la
fréquence :
3.12.1.1
Le handover intrafréquence
Le handover intrafréquence a lieu lorsque la communication en cours est transférée à ou partagée
par une cellule voisine ayant la même fréquence porteuse que la ou les cellules actives et qui
n’appartiennent pas à l’active set. Le soft handover est un exemple typique de handover
intrafréquence.
3.12.1.2
Le handover interfréquence
Le handover interfréquence a lieu lorsque la communication en cours est transférée à une cellule
voisine qui utilise une fréquence différente de celle utilisée dans l’active set. Le handover
interfréquence est toujours du type hard- handover.
59
3.12.1.3
Le handover intersystème
Le handover intersystème a lieu lorsque la communication en cours est transférée à une cellule
voisine qui appartient à un réseau dont la technologie d’accès radio est différente de celle de la
cellule courante. Typiquement, un processus de handover intersystème est déclenché entre une
cellule à la technologie UTRA/FDD et une cellule GSM. Un handover intersystème est toujours
du type hard-handover.
Notons que le handover intersystème est typiquement déclenché à la suite des mesures effectuées
par l’UE sur des cellules appartenant à l’autre système. La norme permet cependant d’effectuer un
handover intersystème sans mesures préalables. C’est ce que l’on appelle handover aveugle ou
blind handover.
3.12.2
Les différentes phases dans une procédure de handover [28]
On distingue trois phases dans la mise en œuvre du handover : une phase de mesure, une phase de
décision et une phase d’exécution.
Figure 3.10 : Schématisation des différentes étapes dans une procédure de handover
Pendant la phase de mesures, la couche 1 de l’UE et des nodes B correspondants collecte, à la
demande des couches supérieures, des informations concernant la puissance et la qualité du signal
reçu tant dans la cellule courante que des cellules voisines. Elles sont prélevées notamment sur le
CPICH primaire qui fait office de canal balise. Aussi, la charge dans la cellule sous le contrôle de
60
l’UTRAN, peut être équilibrée en ajustant la puissance de ce canal au niveau des nodes B
correspondants. Si, dans une cellule, la puissance du CPICH est réduite, les mobiles des cellules
voisines vont être découragés d’effectuer un handover vers cette cellule. Si à l’inverse, elle est
accrue, les mobiles vont l’interpréter comme une invitation à basculer vers la cellule.
Vient ensuite la phase de décision où le résultat des mesures est comparé avec des seuils de
décision qui détermineront si la procédure de handover doit être déclenchée ou non. Cette
évaluation est effectuée suivant un algorithme spécifique et elle est généralement à la charge du
RNC. Enfin, dans la phase d’exécution, le handover à proprement parler a lieu et de nouvelles
cellules sont ajoutées ou relâchées suivant le type de handover.
3.13
Handover intrafréquence
Le soft handover est la méthode la plus utilisée pour effectuer un handover intrafréquence. Elle est
propre à la technologie l’UTRA/FDD et ne s’applique pas à la technologie UTRA/TDD.
L’utilisation du soft handover permet d’accroître les performances de la liaison en termes de
capacité et de qualité en y ajoutant une forme de diversité.
Il faut noter que le soft handover n’est pas la seule technique à être utilisée lors d’un handover
interfréquence et que le hard-handover est également possible. Par exemple, cette situation se
présente lorsque l’UE doit basculer vers un nobe B appartenant à un RNC différent de celui du
node B et lorsque les deux RNC ne sont pas connectés par l’interface « Iur ». [28]
3.14
Handover interfréquence
Le handover interfréquence est déclenché entre deux cellules ou secteurs contigus utilisant des
fréquences différentes. Une interruption momentanée du service en cours est alors à prévoir. Il a
lieu également entre cellules appartenant à une structure hiérarchisée autrement dit, les cellules
dans les niveaux hiérarchiques utilisent des fréquences différentes. A la différence du soft
handover, la nécessité de déclencher un handover interfréquence est évaluée par un algorithme
résidant dans le RNC et c’est pour cette raison qu’il est du type NEHO (Network Evaluated
Handover).
Comme pour le soft handover, l’implémentation exacte de l’algorithme à utiliser est laissée à la
discrétion de l’équipementier. Par exemple, il peut être déclenché lorsque :
•
Dans la voie descendante, on atteint la valeur maximum de puissance moyenne tolérée
dans la cellule car elle est trop chargée. Autrement dit, lorsque la boucle externe de
61
contrôle de puissance au niveau de l’UE ne peut pas maintenir la valeur cible en termes de
BLER ou BER pour un service temps réel en cours ;
•
Dans la voie montante, on recense une détérioration lors de l’ajustement de la boucle
externe de contrôle de puissance, au niveau de RNC, et ce pour un service temps réel en
cours ;
•
Le soft handover échoue au moment d’ajouter des nouvelles branches dans l’active set en
raison d’une surcharge dans la cellule concernée ;
•
La demande d’allocation radio d’un radio access bearer (RAB) échoue en raison d’une
surcharge dans la cellule active et lorsque dans la cellule voisine la puissance transmet sur
une fréquence porteuse différente. [28]
3.15
Avantages du handover interfréquence
Dans les pays européens, les opérateurs disposent de deux à quatre fréquences pour déployer leur
réseau UMTS. Cela leur procure un degré de flexibilité supplémentaire pour pallier le niveau
d’interférence dans une cellule ou dans un ensemble des cellules qui transmettent sur la même
fréquence. Le handover interfréquence leur permet de répartir la charge sur des cellules de
fréquences différentes. Le résultat est une augmentation de la capacité, de la couverture et de la
qualité de service. L’interférence provoquée par des fréquences porteuses adjacentes d’autres
opérateurs peut également être diminuée.
A la différence du soft handover, le handover interfréquence ne requiert pas l’utilisation des
ressources de plusieurs Nodes B de manière simultanée. Toutefois, le handover interfréquence
présente un inconvénient pour l’UE. Il est en effet obligé d’effectuer des mesures interfréquence
sur les cellules à avoisinantes au cours d’une communication. Pour accomplir cette tâche, l’UE
peut faire appel à la technique de la transmission/réception en mode compressé. Des rapports des
mesures internes de l’UE peuvent également être demandés par l’UTRAN pour optimiser les
temps de déclenchement et d’arrêt du mode compressé. [28]
3.16
Handover intersystème entre UTRA et le GSM
Le handover intersystème permet d’offrir à la fois des services UMTS et GSM/GPRS à des
abonnés munis d’un terminal bimode type 2. L’objectif est de profiter de la couverture existante
des réseaux GSM/GPRS afin de garantir la continuité d’un service en cours (un service de voix
62
par exemple) lors du passage d’un réseau à un autre. Les ressources radio peuvent également être
optimisées en répartissant la charge entre cellules UTRAN et GSM. Par exemple, les appels voix
peuvent être gérés par le réseau GSM alors que les services de transmission de données peuvent
être écoulés via le réseau UTRAN.
Le handover intersystème est en fait un hard handover et il faut s’attendre à des interruptions
temporelles du service une fois déclenché. L’évaluation pour son déclenchement est effectuée par
le réseau et donc, le handover intersystème est du type NEHO. L’un des principaux problèmes
dans la mise en place du handover intersystème réside dans le fait qu’il est nécessaire de recourir
au mode compressé pour effectuer des mesures intersystème. Comme pour le handover
intersystème, des rapports de mesures internes de l’UE peuvent être demandés par l’UTRAN pour
optimiser les temps de déclenchement et d’arrêt du mode compressé.
3.17
Conclusion
Le softhandover améliore la capacité de couverture en uplink. D'autre part, le softhandover peut
causer l’augmentation de la puissance d'énergie utilisée par la station de base ainsi que la
diminution de la capacité en downlink. Le softhandover devrait être encouragé juste après le
lancement de réseau d'UMTS, puisque nous pouvons nous attendre à des problèmes de couverture
au début. Mais, avec la croissance de trafic, des paramètres du softhandover devraient être
optimisés en termes de capacité en downlink. D’après des résultats de recherche, le paramètre
AS_Max_Size devrait être configuré pour deux Nodes B AS_Max_Size = 2, puisque la puissance
d'énergie est plus grande si AS_Max_Size = 3. Le paramètre AS_Th devrait être 3dB ou 4dB.
63
CHAPITRE 4
SIMULATION SUR L’ETUDE ET PERFORMENCE DE SOFT HANDOVER EN UMTS
1.1
Présentation d’OPNET® Modeler
4.1.1
Description d’OPNET
OPNET Modeler est un simulateur permettant de modéliser le fonctionnement d’un réseau
pendant la phase de conception. Conçu et commercialisé par la société OPNET, OPNET Modeler
est utilisé par de nombreuses entreprises d’ingénierie réseau dans le monde entier. L’interface
graphique et la modélisation orientée objet permettent de reproduire la structure réelle du réseau et
de ses composants afin de coller à la réalité de façon intuitive. Pratiquement tous les types de
réseau existants sont représentés. L’avantage du simulateur est de détecter les problèmes qui
surviendront en exploitation dès la conception du réseau, et donc de pouvoir tester les différentes
solutions permettant d’y remédier. [29]
4.1.2
4.1.2.1
La boîte à outils d’OPNET
Les systèmes (devices)
OPNET Modeler fournit une librairie de modèles de matériels disponibles dans le commerce. Ces
matériels peuvent être des routeurs, des commutateurs, des stations de travail, et des générateurs
de trames.
Figure 4.01 : Exemple de matériels réseaux proposés via une palette d’objets sur le réseau UMTS
64
4.1.2.2
Les protocoles
OPNET Modeler fournit des modèles de protocoles des différentes couches ISO, telles que http,
TCP, IP, Ethernet, ATM, 802.11, etc…
4.1.3
Conception du réseau : La logique d’OPNET
La modélisation du réseau se construit de façon hiérarchique. Il existe 4 niveaux hiérarchiques
dans OPNET (du plus général au plus restreint) :
•
Project
•
Network
•
Node
•
Process
Modeler est basé sur une série d’éditeurs hiérarchisés qui parallélisent la structure du réseau réel,
des équipements est des protocoles. [29]
Figure 4.02 : Différents types d’éditeurs d’Opnet modeler
65
4.1.3.1
Project level
C’est le niveau de conception le plus élevé. On peut regrouper plusieurs Network Models dans un
Project. Cela peut être intéressant si on souhaite comparer les avantages et inconvénients de deux
solutions d’ingénierie distinctes.
4.1.3.2
Network level
C’est à ce niveau qu’est représenté le réseau dans son ensemble. Un réseau étant vu comme un
ensemble de noeuds (nodes) éventuellement reliés par des liens (bus).
Figure 4.03 : Exemple de réseau UMTS réalisant un phénomène de Softer Handover modélisé
sous Opnet modeler
4.1.3.3
Node level
Le node level montre l’organisation des différentes machines à état et la façon dont ils
communiquent via des bus. Le Node Level permet de mettre en œuvre divers objets de type «
générateur de paquets », « Queue » , « émetteur point à point », « bus », etc… On peut concevoir
ses propres objets au niveau Process level. [30]
66
Figure 4.04 : Exemple de Node Model sous Opnet (Cas de Node B de l’UMTS en trois secteurs)
4.1.3.4
Process level
Un processus, ou process, est représenté comme une machine à états. Chaque état peut être dans
l’état ouvert (couleur verte) ou fermé (couleur rouge). L’entrée dans un état ouvert est
immédiatement et automatiquement suivie de la sortie de cet état. Par contre on ne sort d’un état
fermé que lorsqu’il advient un événement. Un événement (event) provoque le passage d’un état à
un autre. [30]
Figure 4.05 : Exemple d’un process model
67
4.1.4
Programmer le comportement des processus
Le process de simulation est appelé Simulation Kernel. Il fait appel aux Kernel Procedures. Les
process utilisateurs définis dans le process model font appel aux Kernel Procedures par
l’intermédiaire du langage C ou C++. Ces procédures permettent de définir le comportement des
process, de définir selon quelles lois statistiques les paquets sont émis dans le réseau et de mettre à
jour des statistiques. OPNET Modeler ne comporte pas de compilateur mais utilise celui de
Microsoft Visual Studio. [30]
4.2
Simulation de Hard Handover et Soft Handover
4.2.1
Introduction
Pour la mise en œuvre des différents scénarios, on a utilisé l’OPNET modeler 14.0. Les
utilisateurs peuvent facilement utiliser cet outil en sélectionnant les différentes technologies de
dans la famille modèle et en faisant glisser des différents palettes comme RNC, Node B, SGSN,
GGSN, etc. On fait les interconnections avec les liens souhaités.
4.2.2
4.2.2.1
Scenarios de Handover
Conception du réseau à simuler
Le projet « Handover » comporte deux scénarios de même topologie. Leur différence réside sur le
paramétrage du RNC.
Dans le premier scénario « Softhandover », le RNC est configuré pour supporter le softhandover
dont les paramètres à configurer sont :
•
Une cellule est active set tandis que deux autres sont monitored set. Ceux-ci sont
équivalents à «Active Set Size=3 sous Opnet ;
•
As_th = 6 dB (seuil établi lorsque l’UE est en état de macrodiversité) équivalent à Macro
diversity Threshold sous Opnet.
•
As_th_hyst = 1.5 dB (marge pour le seuil As_th, dite d’ « hystérésis ») c’est -à- dire que
As_th reste tolérable au minimum à 4.5 dB. Ce paramètre correspond à Macro Diversity
Hysteresis sous Opnet.
68
•
As_Rep_hyst = 3dB (marge à partir laquelle on procède au remplacement d’une cellule
dans l’active set). Autrement dit, si As_th≤6-3= 3dB alors il y a remplacement de(s)
cellule(s) dans l’active set. Ceci correspond à Remplacement hysteresis sous Opnet.
4.2.2.2
Paramétrage du RNC
La figure 4.06 illustre le paramétrage du RNC sous OPNET pour le softhandover.
Figure 4.06 : Configuration du RNC pour le softhandover
Pour le second scénario « Hardhandover », le RNC est paramétré pour ne pas supporter le
softhandover. Forcément, les mobiles devront faire alors un hardhandover quand ils se déplacent à
travers le réseau.
Le paramétrage du RNC sous OPNET est représenté par la figure 4.07 suivante.
69
Figure 4.07 : Configuration du RNC pour le hard handover
Notons que les quatre paramètres cités auparavant (Active Set Size, Macro Diversity Threshold,
Macro Diversity Hysteresis, Replacement Hysteresis) ne sont plus valides si la valeur de « Soft
Handover » est « Not Supported ».
Le réseau simulé est représenté par la figure 4.08 suivante.
70
Figure 4.08 : Le projet « Handover »
Les mobiles UE0 et UE1 font des zigzags entre les deux nodes B afin de réaliser des handovers.
La durée de la simulation est de 350 s pour les deux scénarios.
4.3
Résultats et interprétations
Les résultats qu’on va collecter sont :
•
Active set cell count : cette statistique rapporte le nombre de cellules environnantes dans
l’active set de l'UE, qui change pendant les handovers.
Au début, chaque UE est attaché seulement à un seul Node B. Par conséquent, la statistique
commence par une valeur initiale de 1. Puis, dans toute la simulation, toutes les fois qu'une
addition ou un déplacement a lieu sur l’active set, on recompte les cellules après que cette
opération soit enregistrée. Même lorsqu'une opération de remplacement de cellules se produit qui
ne change pas réellement le nombre des cellules dans l'active set, encore la statistique est
enregistrée. Par conséquent, les valeurs de répétition de statistique indiquent des événements
actifs de remplacement de cellules dans l’active set.
•
Cells added to active set : cette statistique rapporte le nombre des cellules qui sont
ajoutées à l’active set environnant l’UE dans toute la simulation au début et pendant les
handovers. Chaque information d'identification de cellules est enregistrée au moment de
simulation.
71
•
Cells removed from active set : cette statistique rapporte le nombre des cellules qui sont
supprimées de l’active set environnant l’UE dans toute la simulation pendant les
handovers. Chaque information d'identification de cellules est enregistrée au moment de
simulation où le handover a lieu.
•
Uplink actual Eb/No : cette statistique représente les valeurs mesurées d'Eb/No des paquets
envoyés en uplink par l’UE au Node B de sa cellule primaire courante. La statistique est
rassemblée séparément pour chaque canal physique cela est établi avec ce Node B.
•
Uplink target : cette statistique représente la valeur cible de Eb/No utilisée par l'UE tout en
calculant sa puissance de transmission pour la prochaine transmission en uplink, qui est
ajusté et est basé sur le succès ou l'échec de la transmission précédente.
•
Uplink transmission power : cette statistique représente la puissance de transmission
utilisée par l'UE. La statistique est rassemblée séparément pour chaque canal physique,
cela est établi avec le Node-B de la cellule primaire courante.
•
Upload response time : temps écoulé entre l’envoi d’une requête et la réception de la
réponse.
Figure 4.09 : Uplink transmission power
72
La courbe en rouge indique la puissance de transmission en uplink pour le mobile UE0 en soft
handover. Sa valeur maximale est de 12.4 dBm. D’après la figure 4.09, cette courbe est en général
continue à chaque fois que l’algorithme de soft handover soit enclenché. En effet, la puissance
transmise au node B_0 par l’UE_0 décroit progressivement jusqu’à un certain seuil quand ce
dernier se rapproche du node B_1, et en même temps que la puissance transmise au Node B_1
augmente petit à petit pour enfin remplacer la cellule du node B_0 par celle du node B_1. (Voir
l’encadré de la figure 4.09). Donc, il n’existe pas de coupure brusque de la transmission.
Bref, la puissance de transmission en soft handover est plus petite par rapport à celle du hard
handover grâce à la combinaison des deux puissances transmises aux deux nodes B.
Cette particularité est une des avantages du soft handover car il y a continuité de transmission sans
arrêt momentané au cours de l’handover intrafréquence (même fréquence porteuse).
Dans notre simulation, le soft handover se répète 4 fois.
La courbe bleue montre les puissances transmises par l’UE_0 aux deux node B au cours du hard
handover. A partir de cette courbe, on en déduit qu’il y a une rupture momentanée de UE_0 et le
node B_0 avant de rejoindre la cellule du node B_1. Cela est dû au non prise en charge simultanée
de l’UE_0 par les deux nodes B. Même si la puissance de transmission de l’UE_0 pour le node
B_1 augmente, elle n’est pas continue car le mobile tâtonne la nouvelle fréquence porteuse à e
connexion du mobile à la nouvelle cellule à laquelle il devrait être associé.
Figure 4.10 : Active Set Cell Count
73
Sur la figure 4.10, la courbe en rouge indique le nombre de cellules dans l’active set au cours du
soft handover. Ses valeurs varient de 1 à 2 car une cellule du monitored set est ajoutée dans
l’active set. En effet, quand la puissance du canal CPICH devient inadmissible dans la cellule
primaire courante (c’est-à-dire le node B dont le mobile est rattaché), le mobile basculera
progressivement vers l’autre cellule dont la puissance de CPICH est tolérable. Dans ce cas, deux
cellules sont dans l’active set. Et puis, la cellule courante sera remplacée par la nouvelle cellule
dont le mobile est à nouveau rattaché (une cellule est dans l’active set).
La courbe bleue indique le nombre de cellules dans l’active set au cours du hardhandover. Sa
valeur reste constante et vaut 1. En effet, le mobile relâche sa cellule courante initiale quand la
puissance du canal CPICH devient trop faible (Active Set Cell Count=1) pour rejoindre une
nouvelle cellule dont la puissance du CPICH est acceptable pour lui (Active Set Cell Count=1).
Figure 4.11 : Upload Response Time
Sur la figure 4.11, la courbe rouge et la courbe bleue indiquent respectivement le temps de réponse
en upload pour le soft et le hard handover. D’après cette figure, il n’y a pas de grande différence
pour ce paramètre dans les deux scénarios car la classe de service utilisé dans cette simulation est
interactive (Ftp=requête/réponse).
74
Figure 4.12 : Uplink Average Interference
Le niveau d’interférence est minime en fonction du temps pour le soft handover (courbe en rouge)
car la puissance de transmission du mobile est faible due à la prise en charge simultanée de ce
dernier par les deux nodes B.
Pour le hard handover (courbe en bleue), le niveau d’interférence est élevé en fonction de temps à
cause de la grande puissance de transmission utilisé par le mobile (effet near-far) pour le
changement interfréquentiel (définition du hard handover lui même).
Figure 4.13 : Cells Added to Active Set
75
Dans les deux cas, le nombre de cellule ajouté dans l’active set vaut « 1 » au cours du handover.
Ce qui est évident car il y a addition de la cellule proche du mobile dans l’active set (cellule du
node B_0 ou du node B_1).
Figure 4.14 : Cells removed from active set
Dans les deux cas, le nombre de cellule supprimé de l’active set vaut « 1 » au cours du handover.
Ce qui est évident car il y a remplacement de la cellule primaire courante à laquelle le mobile est
rattaché initialement par la nouvelle cellule à laquelle il est connecté actuellement (cellule du node
B_0 ou du node B_1).
4.4
Paramétrage du soft handover sous OPNET
Les courbes de la figure 4.15 représentent respectivement les puissances de transmission en uplink
pour As_Th = 2 dB, 6 dB et 14 dB pour un mobile en état de soft handover.
Sur cette figure 4.15, la puissance de transmission de l’UE augmente au fur à mesure que le
niveau d’As_Th augmente. Ces courbes peuvent être interprétées comme suit :
•
Si le paramètre As_Th est trop petit (As_Th = 2 dB), le soft handover serait pareil au hard
handover car il y a rupture brusque de la connexion entre le mobile et le node B courant.
(discontinuité de la courbe)
•
Si As_Th est trop grand (As_Th = 14 dB), le mobile serait toujours en état de soft
handover car la phase 3 du soft handover n’est réalisée. En effet, dans la courbe numéro 3,
76
le signal reste continu donc il n’y a pas de remplacement de la cellule courante par la
cellule voisine.
En résumé, il est préférable d’ajuster le paramètre As_Th (As_Th = 6 dB) pour avoir un meilleur
soft handover. S’il est trop petit, le soft handover serait pareil au hard handover ; s’il est trop
grand, le soft handover dure trop longtemps et des problèmes d’interférences pourraient survenir.
Figure 4.15 : Uplink transmission power pour les différentes valeurs de As_Th
4.5
Conclusion
Dans cette partie de simulation, on a vu les différents types de handovers utilisés dans le réseau
UMTS. En général, le hard handover est utilisé pour des raisons de couverture et de charge. Par
contre le soft handover est lié à la mobilité. Le hard handover présent une coupure de
communication causée par le non disponibilité des ressources dans la cellule cible lors de la
conversation. Et, l’augmentation de puissance d’émission dans le mobile augment l’interférence
77
au sein de station lui-même. Ceux problèmes sont résolus par l’utilisation du soft handover. On a
vu pendant la simulation que le soft handover présente des avantages.
•
Lissage de transmission sans arrêt momentané pendant le transfert (pas de coupure de
communication lors de changement d’une cellule à l’autre) ;
•
Réduction des interférences dans la liaison montante dans l'ensemble, conduit à:
•
La meilleure qualité de communication pour des plusieurs nombres d’utilisateurs ;
•
Plus d'utilisateurs (plus grande capacité) pour la même qualité de service requise.
78
CONCLUSION GENERALE
Dans ce mémoire, nous avons essayé de montrer l’impact de soft handover sur la capacité du
réseau UMTS. Cet impact se manifeste par la diminution des puissances d’émissions de la station
mobile. De plus, grâce à la possibilité de transmettre avec une plus petite puissance, le soft
handover a aussi un impact positif pour les interférences car la macrodiversité offre la possibilité
de transmettre avec une plus petite puissance.
Le processus du soft handover représente une qualité meilleure par rapport à celle de hard
handover dans le réseau UMTS. Pour cela, nous avons commencé par un rappel de l’évolution
jusqu’à l’UMTS des réseaux cellulaires, puis l’étude de ce réseau avec une revue des architectures
de base et les différents types des couches utilisés pendant le processus de soft handover.
Ensuite nous avons présenté la technique de la technologie WCDMA, tels que le principe de
CDMA, les caractéristiques de WCDMA et leurs avantages et contraintes. Nous avons également
passé à l’étude des contrôles des puissances, un des deux notions critiques, au niveau du réseau
UMTS du fait qu’elles influent sur la qualité et la capacité du réseau.
En ce qui concerne le handover dans le réseau UMTS, nous avons exposé les procédures associés
aux mesures de sélections de cellule en mode veuille et le processus de handover. Le phénomène
de handover qu’on a étudié met en évidence l’importance de soft handover dans le réseau UMTS.
Plus particulièrement, nous avons simulé deux scénarios dans la partie simulation. Nous avons
choisi un logiciel de simulation OPNET Modeler 14.0.A pour mettre en évidence ces deux
scénarios. Nous avons montré qu’il n’y pas des différences entre les scénarios de hard et de soft
handovers sauf du point de vue matériels sauf les paramétrages dans le RNC pour le soft
handover. Nous avons aussi présenté les grandes différences entre le hard handover et le soft
handover telles que la puissance de transmission utilisée par l'UE, le niveau d’interférence et
l’active set cell count. De plus, nous avons bien montré aussi les courbes caractéristiques
communes pour les deux types de handovers. Et enfin, nous avons essayé de manipuler les
paramètres du soft handover en augmentant au fur à mesure que le niveau d’As_Th augmente.
Nous concluons dans ce cas que si nous augmentons la valeur de seuil, l’équipement utilisateur
reste dans la région du soft handover pour un temps plus long. Nous voyons aussi que pour une
petite valeur de seuil, le soft handover est violé à savoir l'équipement mobile qui n'est pas
79
connecté à deux stations de base différentes. Dans ce cas, il est plus ou moins similaire à hard
handover.
Au cours de ce mémoire, nous nous sommes focalisés sur l’étude et performance du soft handover
dans le réseau UMTS en manipulant la valeur de seuil du soft handover pour augmenter la
capacité de réseau. Mais face à la grande mobilité des abonnés actuellement, une amélioration de
ces paramètres tenant compte de manipulation des paramètres comme le délai de transit maximum
d’un paquet à travers le réseau (end to end delay) pour une connexion donnée, sera prise en
considération dans le futur afin de garantir une meilleure performance dans le réseau.
80
ANNEXE 1
Le critère « S »
Ce critère a pour mission de répertorier les cellules qui permettraient à l’UE d’établir une
éventuelle communication de bonne qualité avec le réseau. Le critère « S » est évalué selon les
paramètres -ˆMQ et -<‰QLm exprimés en dB et qui satisfont :
-ˆMQ >0 et -<‰QLm >0, pour le UTRA/TDD
(A1.01)
-<‰QLm >0, pour le mode UTRA/FDD
Où :
(A1.02)
-ˆMQ = JˆMQKLM − JˆMQK=>
(A1.03)
-<‰QLm = J<‰QLmKLM − J<‰QLmK=> − BKL>M=>
(A1.04)
La définition des paramètres impliqués dans les expressions A1.01 et A1.02 est affichée dans le
tableau A1.01 . -ˆMQ garantit que la liaison dans la voie descendante est bonne qualité et le
niveau du signal reçu par l’UE JˆMQKL doit en effet être supérieur au minimum exigé JˆMQK=> en
tenant compte du niveau d’interférence dans la cellule. Pour sa part, -<‰QLm permet à l’UE de
déterminer s’il est possible de communiquer avec le réseau en absence d’interférence. Il est
équivalent au critère d’affaiblissement C1 du GSM lequel garantit un certain équilibre dans la
liaison montante et descendante. -<‰QLm évalue le niveau d’affaiblissement du signal reçu
J<‰QLmKLM − J<‰QLmK=> et
le
compare
avec
la
marge
de
puissance
d’émission
de
l’UEBKL>M=> . Ainsi, lorsque le niveau du signal reçu est considérablement faible dans la voie
descendante mais légèrement supérieur au minimum exigéJ<‰QLmKLM > J<‰QLmK=> , il sera toujours
possible d’établir une communication sur la cellule considérée pourvu que le niveau de puissance
d’émission de l’UE reste supérieur ou égale au maximum autorisé (_KM‰ ≥ Œ_Žon_„_n„Gƒ ).
D’après la définition de -<‰QLm , on constate que le nombre de cellules candidates à la sélection
peut varier d’un mobile à un autre selon sa classe de puissance d’émission.
81
Paramètre
Description
JˆMQK=>
valeur moyenne effectuée sur au moins 2 échantillons.
JˆMQKLM
Mesure CPICH B /. propre au mode UTRA/FDD. C’est une
Paramètre qui spécifie au niveau minimum de qualité en
réception exprimé en dB. Il est propre aux cellules UTRA/FDD
J<‰QLmKLM
et il est diffusé dans le BCH
J<‰QLmK=>
moins 2 échantillons.
BKL>M=>
_KM‰ ≥ Œ_Žon_„_n„Gƒ
_„
Mesure CPICH RSCP (mode UTRA/FDD) ou P-CCPCH RSCP
(mode UTRA/TDD). C’est une valeur moyenne effectuée sur au
Paramètre qui spécifie un niveau minimum de qualité en
réception exprimé en dBm. Il est diffusé dans le BCH.
Paramètre en dB qui satisfait : max( Œ_Žon_„_n„Gƒ −
_KM‰ , 08
Paramètre en dBm diffusé dans le BCH qui représente le
puissance d’émission maximale à laquelle l’UE est autorisé à
émettre lors de l’accès au système.
Puissance d’émission maximum en dBm de l’UE suivant sa
classe de puissance
Tableau A1.01 : Paramètres impliqués dans le critère de sélection de cellule « S »
82
ANNEXE 2
Règles associées à une structure non hiérarchisée :
A2.1 Cas des mesures intrafréquence
•
Si -ˆMQ > -=><MLM<BO , le mobile ne doit pas effectuer des mesures intrafréquence car on a
une bonne qualité sur la cellule courante ;
•
•
Si -ˆMQ ≤ -=><MLM<BO , le mobile doit effectuer des mesures intrafréquence ;
Si -=><MLM<BO n’est pas diffusé dans la cellule, le mobile doit effectuer des mesures
intrafréquence
A2.2 Cas des mesures interfréquence
•
Si -ˆMQ > -=>L<LM<BO , le mobile ne doit pas effectuer des mesures interfréquence car on a
une bonne qualité sur la cellule courante ;
•
•
Si -ˆMQ ≤ -=>L<LM<BO , le mobile doit effectuer des mesures interfréquence ;
Si -=>L<LM<BO n’est pas diffusé dans la cellule, le mobile doit effectuer des mesures
intrafréquence ;
A2.3 Cas des mesures intersystème (on suppose que l’UE est calé sur une cellule
UTRA/FDD)
•
Si -ˆMQ > -LM<BOn„,K , le mobile ne doit pas effectuer des mesures sur des cellules
appartenant à la technologie radio (RAT) « m » (GSM ou UTRA/TDD) car on a une bonne
qualité sur la cellule courante ;
•
Si -ˆMQ ≤ -LM<BOn„,K , le mobile doit effectuer des mesures sur des cellules appartenant à
la technologie radio (RAT) « m » (GSM ou UTRA/TDD) ;
•
Si -LM<BOn„,K n’est pas diffusé dans la cellule active, le mobile doit effectuer des mesures
sur des cellules appartenant à la technologie radio (RAT) « m » (GSM ou UTRA/TDD)
83
ANNEXE 3
CLASSEMENT DES CELLULES CANDIDATES A LA RESELECTION : CRITERE « R »
Le processus de resélection de cellule est renforcé à l’aide du critère « R ». Il s’agit d’un critère de
qualité additionnel qui effectue un classement des cellules qui satisfont le critère « S » suivant les
quantités I calculée pour la cellule active, et I> calculée pour chacune des cellules voisines
candidates à la resélection. Ces quantités sont obtenues à partir des expressions suivantes :
I = JKLM, + JOP,
I> = JKLM,> − J??L,,>
(A3.01)
(A3.02)
La description de ces paramètres est donnée dans le tableau 13.3. Dans l’expression 13.5, la valeur
JOP, permet d’empêcher à un UE qui se déplace sur la frontière de deux zones de localisation
de sélectionner alternativement des cellules appartenant à ces deux zones.
Paramètre
JKLM,
JOP,
Description
Mesure CPICH RSCP ou CPICH B /. (mode UTRA/FDD) ou P-CCPCH
RSCP (mode UTRA/TDD). C’est une valeur moyenne effectuée sur au moins 2
échantillons prélevés sur la cellule active.
Paramètre d’hystérésis qui représente une marge par rapport à JKLM, . Il ne
s’applique que lorsque la quantité à mesurer est CPICH RSCP (UTRA/FDD) et
P-CCPCH RSCP (UTRA/TDD). Il fait partie des informations diffusées dans le
JOP,>
JKLM,>
BCH.
Idem que pour JOP, sauf que la quantité à mesurer est CPICH B /. qui est
propre aux cellules UTRA/FDD
Idem que pour JKLM, sauf que les mesures sont effectuées sur l’une des cellules
voisines candidates à la resélection.
J??L,,> Paramètre qui spécifie un écart de qualité entre une cellule active et l’une des
cellules voisines. Il ne s’applique que lorsque la quantité à mesurer est CPICH
RSCP (UTRA/FDD) et P-CCPCH RSCP (UTRA/TDD). Il fait partie des
informations diffusées dans le BCH.
J??L,,> Idem que pour J??L,,> sauf qu’il est utilisé lorsque la quantité à mesurer est
CPICH B /. qui est propre aux cellules UTRA/FDD
Tableau A3.01 : Paramètres impliqués dans le critère de resélection de cellule « R »
84
Il est important de souligner que dans les expressions 13.5 et 13.6 la valeur de JKLM, et JKLM,>
peuvent être estimées soit avec CPICH RSCP, soit avec CPICHB /. . La mesure à effectuer est
indiquée, les paramètres JOP,> et J??L,,> remplacent JOP,> et J??L,,> respectivement.
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FICHE DE RENSEIGNEMENT
Nom : RANDRIANANDRASANA
Prénoms : Marie Emile
Adresse de l’auteur : Bloc 27 Porte 937 CUR Vontovorona
Antananarivo 102 – Madagascar
Tel : +261 3314 487 55
E-mail : [email protected]
Titre du mémoire :
« ETUDE ET PERFORMANCE DU SOFT HANDOVER DANS LE RESEAU UMTS »
Nombre de pages : 93
Nombre de tableaux : 06
Nombre de figures : 35
Mots clés :
UMTS, Handover, active set, monitored set, detected set, threshold, uplink transmission power,
Upload Response Time, Cells Added to Active Set, Cells removed from active set
Directeur de mémoire :
Nom : RAKOTOMALALA
Prénoms : Mamy Alain
Tel : +261 33 12 036 09
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RESUME
L' Universal Mobile Telecommunication systems (UMTS)sont l'une des technologies émergentes
de téléphone cellulaire qui sont connus comme les systèmes 3G. Il supporte la haute vitesse de
transfert de données, de la parole, la navigation web, e-mail, la téléphonie vidéo, le multimédia et
l'audio en streaming. Ces services sont répartis dans les classes en fonction des exigences de
qualité de service. Avec le développement de ces réseaux cellulaires, un problème majeur venu, il
a été le transfert d'appel d'une cellule à l'autre au cours d'une session en cours sans perdre la
connexion avec la station de base. Un grand nombre de techniques ont été développées et utilisées
pour faire face à ce problème majeur. L'utilisateur en mouvement est un processus dynamique
compte tenu de son emplacement. Cela signifie que les utilisateurs mobiles peuvent changer sa
façon tout moment avec n'importe quelle vitesse, donc il devrait y avoir un mécanisme et d'une
manière que le réseau doit être conscient de ce processus. Pour cela, différents types des
techniques des handovers sont utilisées tels que le soft, hard et softer handover.
ABSTRACT
The Universal Mobile Telecommunication systems are one of the emerging cellular phone
technologies which are known as the 3G systems. It support the high speed data transfer, speech,
web browsing, email, video telephony, multimedia and the audio streaming. These services are
divided in to the classes depending upon the QoS requirements. With the development of these
cellular networks, a major problem came up; it was the call handover from one cell to the other
cell during an ongoing session without dropping the connection with the base station. A lot of
techniques were developed and used to cope with this major issue. The user’s movement is a
dynamic process considering its location. This means that the mobile users can change its way any
time with any speed, so there should be a mechanism and a way that the network should be aware
of this process. For this purpose different types of handovers techniques are used which include
soft, hard and softer handovers.
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