A NOS FAMILLES - DEDICACE Décongestion des réseaux UMTS : cas d'Akwa - gel-enset
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Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
DEDICACE
A NOS FAMILLES
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
I
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
REMERCIEMENT
Ce mémoire est le fruit de plusieurs mois de travaux, de recherche et d’apprentissage
grâce à la volonté des Enseignants et au soutien de plusieurs personnes. Ces personnes à qui
nous leurs exprimons toute notre gratitude.
Nous remercions particulièrement, le Pr. NNEME NNEME LEANDRE Directeur de
l’ENSET de Douala pour les efforts consentis tout au long de notre formation ;
Nous souhaitons remercier tout particulièrement l’ensemble des membres du jury qui
ont examiné ce mémoire pour leurs observations enrichissantes et leurs conseils, spécialement
à M. Massogue Vincent pour la proximité vis à vis de tous ses étudiants et ses enseignements
remarquable ;
Nous remercions le Pr. EBENEZER NJEUGNA Directeur adjoint de l’ENSET de
Douala pour l’accent mis pour la bonne formation de étudiants ;
Nous remercions tout le corps enseignant du département Génie Electrique de
l’ENSET de Douala pour l’encadrement et leur soutien pédagogique particulièrement au chef
du département Dr SOSSO MAYI OLIVIER THIERRY
En fin nous ne pouvons clore cette page de remerciement sans manifester notre
gratitude à l’égard de nos camarades de classe ainsi que particulièrement aux membres de nos
familles qui nous ont soutenus moralement et financièrement, soutient qui sans doute nous a
permis de tenir jusqu’au bout.
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
II
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
TABLE DE MATIERE
DEDICACE ................................................................................................................................................... I
REMERCIEMENT ...................................................................................................................................... II
TABLE DE MATIERE ............................................................................................................................... III
LISTE DES FIGURES ................................................................................................................................ VI
GLOSSAIRE ............................................................................................................................................. VIII
AVANT PROPOS ........................................................................................................................................ X
RESUME .................................................................................................................................................... XII
ABSTRACT .............................................................................................................................................. XIII
INTRODUCTION GENERALE .................................................................................................................. 1
CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES RESEAUX 3G (UMTS), ET SES AMELIORATIONS
(HSDPA/HSUPA, HSPA+ ET DC-HSPA+) ............................................................................................... 2
INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 2
I. 3G ou UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ........................................................... 3
1. Caractéristiques des réseaux 3G ....................................................................................................... 3
1.1. Les objectifs de l’UMTS .......................................................................................................... 3
1.2. Réseau d’accès 3G.................................................................................................................... 4
1.3. Réseau Cœur 3G ....................................................................................................................... 4
1.4. Spectre de fréquences ............................................................................................................... 5
2. Les classes de service en UMTS ...................................................................................................... 6
2.1. Couverture globale de 3G......................................................................................................... 6
2.2. L’organisation fréquentielle ..................................................................................................... 7
2.3. L’organisation temporelle ........................................................................................................ 8
2.4. Architecture .............................................................................................................................. 8
3. Architecture de l’UTRAN ................................................................................................................ 9
3.1. Le RNC..................................................................................................................................... 9
3.2. Le NODE B ............................................................................................................................ 11
3.3. Le WCDMA (Wideband-CDMA) .......................................................................................... 12
3.4. Présentation de la méthode d’accès CDMA ........................................................................... 12
3.5. Le mode TDD ......................................................................................................................... 14
3.6. Le mode FDD ......................................................................................................................... 14
3.7. Les codes utilisés dans l’UTRAN .......................................................................................... 15
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
III
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
3.8. Code d’embrouillage .............................................................................................................. 16
4. Les canaux ...................................................................................................................................... 16
4.1. Les canaux logiques ............................................................................................................... 16
4.2. Les canaux de transport .......................................................................................................... 17
4.3. Les canaux physiques ............................................................................................................. 17
5. Le contrôle de puissance ................................................................................................................ 18
5.1. Le contrôle de puissance uplink ............................................................................................. 18
5.2. Le contrôle de puissance downlink ........................................................................................ 20
5.3. Le Handover ........................................................................................................................... 20
5.4. Les limites de l’UMTS ........................................................................................................... 21
II. HSDPA/HSUPA, HSPA+ ET DC-HSPA+ ........................................................................................ 22
A- HSDPA ........................................................................................................................................... 22
1. Présentation et débit ....................................................................................................................... 22
2. Amélioration et technologie ........................................................................................................... 22
B- HSUPA ........................................................................................................................................... 23
1. Présentation .................................................................................................................................... 23
2. Amélioration et technologies.......................................................................................................... 23
C- HSPA + ET DC-HSPA+ ................................................................................................................ 24
1. Présentation .................................................................................................................................... 24
2. Amélioration et technologies.......................................................................................................... 24
Conclusion.................................................................................................................................................. 24
CHAPITRE 2: GESTION DE L’EVOLUTION DU TRAFIC .................................................................. 25
DANS UN RESEAU UMTS ...................................................................................................................... 25
INTRODUCTION ...................................................................................................................................... 25
I. DEUX TYPE DE TRAFIC : VOIX ET DATA ................................................................................. 25
1. Trafic voix ...................................................................................................................................... 25
2. Trafic data ...................................................................................................................................... 26
II. GESTION DE L’EVOLUTION DU TRAFIC UMTS ....................................................................... 27
1. Rajout de capacité .......................................................................................................................... 28
2. Extension de couverture ................................................................................................................. 29
3. Nouveau site (densification) ........................................................................................................... 29
4. Logigramme de gestion de l’évolution du trafic ............................................................................ 30
CHAPITRE 3 : DENSIFICATION DES RESEAUX UMTS .................................................................... 32
INTRODUCTION ...................................................................................................................................... 32
I. Survey et planification.................................................................................................................... 32
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
IV
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
1. Survey (population et géographie du site) .................................................................................. 32
2. Panification................................................................................................................................. 35
II. Dimensionnement ........................................................................................................................... 35
1. Interférences ............................................................................................................................... 39
2. Distance de réutilisation ............................................................................................................ 40
III. Densification .............................................................................................................................. 40
A- Modèle des types de cellules .................................................................................................. 40
B- Gestion des appels .................................................................................................................. 41
III. ETUDE DE CAS............................................................................................................................. 41
A- SURVEY ....................................................................................................................................... 41
B- DENSIFICATION........................................................................................................................... 41
Conclusion.................................................................................................................................................. 44
CONCLUSION GENERALE .................................................................................................................... 45
BIBLIOGRAPHIE & WEBOGRAGPHIE ................................................................................................ 46
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V
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Architecture du réseau d’accès de l’UMTS ................................................................................. 4
Figure 2 : Architecture du réseau cœur de l’UMTS ..................................................................................... 5
Figure 3 : Plan de fréquence pour la 3G ....................................................................................................... 5
Figure 4 : Couverture globale de l’UMTS suivant une structure hiérarchique de cellule. ........................... 6
Figure 5 : Allocation de spectre pour L’UMTS ........................................................................................... 7
Figure 6 : Structure de trame de l’UMTS..................................................................................................... 8
Figure 7 : Architecture du réseau UMTS ..................................................................................................... 9
Figure 8 : Architecture de l’UTRAN.......................................................................................................... 10
Figure 9 : Serving et Drift RNC ................................................................................................................. 10
Figure 10: L’accès CDMA ......................................................................................................................... 12
Figure 11: L’étalement du spectre .............................................................................................................. 13
Figure 12 : Réduction des brouilleurs ........................................................................................................ 13
Figure 13 : L’arbre des codes OVSF .......................................................................................................... 15
Figure 14 : Structure des canaux logique ................................................................................................... 16
Figure 15 : Structure des canaux de transport ............................................................................................ 17
Figure 16 : Structure des canaux physique en DownLink et en Uplink. .................................................... 18
Figure 17: nocivité des antennes relais ....................................................................................................... 21
Figure 18 Encapsulation & Décapsulation [6] .......................................................................................... 27
Figure 19: Rajout des capacités sur un site ................................................................................................ 29
Figure 20: Exemple de cellules .................................................................................................................. 29
Figure 21: Logigramme de gestion de l’évolution du trafic ....................................................................... 31
Figure 22: Survey d'optimisation................................................................................................................ 33
Figure 23 Aperçu de Google Earth............................................................................................................. 34
Figure 24 Attribution du spectre de fréquentiel pour l’UMTS ................................................................... 34
Figure 25: Architecture d'une sectorielle ................................................................................................... 35
Figure 26 Bilan de liaison en UpLink ........................................................................................................ 36
Figure 27 Bilan de liaison en DownLink ................................................................................................... 36
Figure 28: zone de congestion ................................................................................................................... 42
Figure 29: Aperçu de la décongestion ........................................................................................................ 43
Figure 30: Application de la décongestion ................................................................................................. 43
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VI
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1: Données GPS des positions ...................................................................................................... 42
Tableau 2: Données GPS de la triangulation.............................................................................................. 43
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VII
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
GLOSSAIRE
GSM : Global System for Mobile Telecommunications
UMTS : Universal Mobile Telecommunications System
3GPP : 3rd Generation Partnership Project
GPRS : General Packet Radio Service
UIT : Union Internationale des Télécommunications
IMT-2000 : International Mobile Telecommunications
UTRA/FDD : Universal Terrestrial Radio Access / Frequency Division Duplex
UTRA/TDD : Universal Terrestrial Radio Access / Time Division Duplex
TD-SCDMA : Time Division Synchronous Code Division Multiple Access
CDMA 2000 : Code Division Multiple Access 2000
W-CDMA : Wideband Code Division Multiple Access
DECT : Digital Enhanced Cordless Telephone
3G : Troisième Génération
Ghz : Gigahertz
Mbps : Megabit par seconde
VoIP : Voix sur Ip
RRC : Radio Ressource Control
ms : Milliseconde
AMR : Adaptive Multi-Rate
UTRAN : Universal Terrestrial Radio Access Network
UE : User Equipment
RNC : Radio Network Controller
PSTN : Public Switched Telephone Network
RNIS : Réseau Numérique à Intégration de Service
ISDN : Integrated Service Digital Network
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
VIII
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
CS : Circuit Switched Domain
PS : Packet Switched Domain
BER : Bit Error Rate
SMS : Short Message Send
SGSN : Serving GPRS Support Node
GGSN : Gateway GRPS Support Node
MAC : Media Access Control
BTS : Base Transceiver Station
QPSK : Quadrature Phase Shift Keying
RMM : Radio Ressources Management
OVSF : Orthogonal Variable Spreading Factor
HARQ : Hybrid Automatic Repeater Quest
HSDPA : High Speed Downlink Packet Access
HSUPA : High Speed Uplink Packet Access
HSPA+ : High Speed Packet Access plus
DC-HSPA : Dual Carrier HSPA
E-DCP : Enhaced Dedicated Channel
TTI : Transmission Time Interval
MIMO : Multiple Input Multiple Output
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
IX
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
AVANT PROPOS
L’École Normale Supérieure d’Enseignement Technique (ENSET) créée au Cameroun par
arrêté présidentiel No 260 / CAB / PR du 10 Août 1979 est un établissement d’enseignement
supérieur situé dans la capitale économique du Cameroun(Douala). Elle a pour missions :
La formation des enseignants destinés aux Lycées et Collèges d’Enseignement
Techniques du Cameroun;
Le recyclage et le perfectionnement du personnel enseignant dans le cadre de la
formation continue ;
La recherche appliquée pédagogique.
Cependant, en tant qu’école technologique et eu égard à sa vocation régionale en matière des
nouvelles technologies, l’ENSET adopte le système LMD (Licence Master Doctorat) en 2007.
Ce système s’articule autour du savoir, du savoir-faire, et du savoir-être, ainsi à l’ENSET de
Douala un accent particulier a été mis une fois de plus sur la professionnalisation et la qualité des
enseignements afin de donner l’opportunité à l’enseignant d’être non seulement un spécialiste de
l’enseignement mais aussi de répondre de manière efficace aux exigences des nouvelles
technologies dans le milieu industriel.
A l’issue de la formation, chaque élève professeur doit présenter conformément à l’arrêté
Ministériel No 03/ BU du 26 Novembre 1985 :
Un projet de mémoire pour la fin de ses études du 1er cycle, étude sanctionnée par
l’obtention du Diplôme de Professeur d’Enseignement Technique premier grade
(DIPETI)
Un mémoire pour la fin de ses études du 2nd cycle sanctionné par l’obtention du
Diplôme de Professeur d’Enseignement Technique deuxième grade (DIPET II).
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
XDécongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
Avec la réforme universitaire de 1993 au Cameroun ayant pour objectif de créer dans les
universités d’Etats, des écoles de formation professionnelles aptes à mettre à la disposition du
marché de l’emploi des jeunes étudiants capables de contribuer au développement de nos
entreprises; des Cours de Promotion Sociale(CPS) ont été créé en 2005 à l’ENSET de Douala
avec pour mission de former des cadres (cycles licence professionnelle et master professionnel)
et agents de maitrise (brevet de technicien supérieur). Ces CPS (Cours de Promotion Sociale)
sont repartis comme suit :
Cycle de licence professionnelle qui contient les filières suivantes : Gestion des projets
Informatiques (GPI), Ingénierie de l’énergie électrique (IEE), Gestion Technico-
commerciale (GTC), Gestion des ressources humaines (GRH), Comptabilité Finance,
Audit (CFA), Banque Micro finance, Génie civil (GCI), Réseaux et télécommunications
(RT), Génie mécanique et productique (GMP).
Cycle master professionnel
Filières niveau 1 et 2: : Gestion des projets Informatiques (GPI), Ingénierie de l’énergie
électrique (IEE), Gestion Technico- commerciale (GTC), Gestion des ressources humaines
(GRH), Comptabilité Finance, Audit (CFA), Banque Micro finance, Génie civil (GCI), Réseaux
et télécommunications (RT), Génie mécanique et productique (GMP).
Les étudiants admis en master professionnel au CPS suivent une formation qui s’étend
sur deux (02) années : master 1 et master 2, quel que soit la filière ; au terme de la deuxième
année, l’étudiant doit présenter un projet de mémoire. C’est dans cette optique que nous
présentons ce mémoire de fin d’étude sous le thème «Densification des réseaux UMTS: cas des
nouveaux sites» en vue de l’obtention de notre diplôme de master professionnel en Réseaux et
Télécommunications
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
XIDécongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
RESUME
La téléphonie mobile repose sur la propagation des ondes radio. Leurs ennemis
naturels sont toutes les barrières physiques (montagnes, collines, la démographie, murs épais
et les immeubles) et l’énorme succès des téléphones multimédia de plus en plus croissant. La
densification est l’une des clés pour améliorer la couverture mobile afin de permettre un
indoor et un outdoor profond. Mais globalement, les opérateurs ne se laissent pas déborder: ils
adaptent leur réseau en permanence. Les solutions ne manquent pas. Densifier le nombre
d’antennes-relais, c’est difficile avec le débat sur leur nocivité supposée. Alors on maximise
l’utilisation des fréquences en rajoutant dans les antennes-relais des fonctionnalités logicielles
fournies par les équipementiers. On déploie ainsi le HSPA qui permet des débits de l’antenne-
relais vers le téléphone d’au moins 14 mégabits par seconde (Mbps) contre 2 Mbps. Les
opérateurs redimensionnent aussi, avec de la fibre optique, la liaison entre les antennes-relais
et le réseau terrestre de collecte, et "boostent" ce dernier en ajoutant des routeurs encore plus
puissants. Or, pour les opérateurs, difficile de se rattraper sur la facture de l'abonné. Dans le
contexte de crise économique, le risque serait d'en perdre ou de casser la croissance de
l'Internet mobile.
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
XIIDécongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
ABSTRACT
Mobile telephony is based on the propagation of radio waves. Their natural enemies
are all physical barriers (mountains, hills, demographics, thick walls and buildings) and the
huge success of increasingly growing multimedia phones. Densification is one of the keys to
improving mobile coverage to allow indoor and outdoor deep. But overall, operators are not
overflowing: they adapt their network permanently. Solutions are not lacking. Densifying the
number of relay antennas is difficult with the debate on their supposed harmfulness. So we
maximize the use of frequencies by adding in relay antennas software features provided by
equipment manufacturers. This deploys the HSPA which allows rates from the relay antenna
to the phone of at least 14 megabits per second (Mbps) against 2 Mbps. Operators also resize
the link between the relay antennas and the terrestrial collection network with optical fiber,
and "boost" it by adding even more powerful routers. However, for operators, difficult to
catch up on the bill of the subscriber. In the context of the economic crisis, the risk would be
to lose or break the growth of the mobile Internet.
Mémoire rédigé et présenté par : NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini
XIIIDécongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
INTRODUCTION GENERALE
Le réseau UMTS vient se combiner aux réseaux déjà existants notamment le GSM et le
GPRS qui apportent des fonctionnalités respectives de Voix et de Data. Le réseau UMTS quant à
lui apporte les fonctionnalités Multimédia. La mise en place d’un réseau UMTS va permettre à un
opérateur de compléter son offre existante par l’apport de nouveaux services en mode paquet
complétant ainsi les réseaux existants et se préparant pour les réseaux futuristes.
L’explosion croissante de l’internet mobile et des multiples services qui fleurissent sur les
téléphones mobiles (smartphones), les tablettes et les dongles pour PC ou netbooks rend les
réseaux mobiles de plus en plus saturés. Cette problématique engendre déjà les premières
congestions sur les réseaux cellulaires d’où la densification (décongestion) de ces réseaux
cellulaires et ainsi la création des nouveaux sites. Par la suite nous décrirons les études techniques
et les enjeux qui sont fait au préalable lorsque le réseau mobile devient saturé afin de satisfaire
une clientèle donnée et bien identifiée.
Le présent mémoire est structuré en quatre axes. Dans le premier, nous présenterons les
généralités sur les réseaux UMTS, puis, nous présenterons la gestion de l’évolution du trafic dans
un réseau UMTS ; pour poursuivre, on se penchera sur la densification des réseaux UMTS, et
nous finirons par une étude de cas.
Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 1Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES RESEAUX 3G
(UMTS), ET SES AMELIORATIONS (HSDPA/HSUPA,
HSPA+ ET DC-HSPA+)
INTRODUCTION
Les systèmes de troisième génération sont conçus pour fournir des services multimédias
avec une qualité et une couverture meilleures comparablement à celles offertes par les réseaux de
2e génération telle que le GPRS. L’idée fondatrice du système 3G est d’intégrer tous les réseaux
de deuxième génération du monde entier en un seul réseau. Le principe du système est souvent
résumé dans la formule anyone, anywhere, anytime, signifiant que chacun doit pouvoir joindre ou
être joint n’importe où et n’importe quand. Ainsi, ce chapitre propose une description sur ce
réseau de point de vue principes de base, architecture et ses évolutions. L'acronyme des systèmes
de troisième génération est l'UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), qui est
standardisé par l'organisation 3GPP (3rd Generation partnership project). La majorité des
opérateurs des réseaux GSM migrent leurs réseaux vers l'UMTS. Contrairement à l'introduction du
GPRS, l'UMTS nécessite une nouvelle infrastructure (nouveaux équipements) et des nouvelles
méthodologies de dimensionnement différentes de celles utilisées en GSM. L’organisme UIT
(Union Internationale des Télécommunications) qui règlemente les différents standards de
télécommunications au niveau mondial avait pour objectif de définir un standard unique et
international pour la troisième génération : l’IMT-2000. Mais cela a échoué puisque pas moins de
quinze technologies d’accès radio lui ont été proposées. Au final, seulement 6 technologies
d’accès radio terrestre auront été gardées : UTRA/FDD, UTRA/TDD, TD-SCDMA, CDMA2000,
UWC-136, DECT. L’UMTS quant à lui regroupe les deux premières technologies.
Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 2Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
I. 3G ou UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)
1. Caractéristiques des réseaux 3G
La technologie retenue pour la 3G est l’UMTS (Universal Mobile Telecommunication
System). Elle présente les caractéristiques suivantes :
- La taille des cellules n’est plus limitée à 0,3-30 Km ;
- Les bandes de fréquence sont centrées sur 2Ghz et non plus sur 900 Mhz ;
- Un multiplexage par code à large bande : W-CDMA (Wideband Code Division Multiple
Access) ;
- Des débits théoriques suivant la taille de la cellule et de la mobilité :
144 Kbit/s pour une utilisation mobile rapide (voiture, train) en zone rurale,
384 Kbit/s pour une utilisation piétonne en zone urbaine
2 Mbit/s pour une utilisation fixe en zone urbaine [1]
1.1. Les objectifs de l’UMTS
Les hypothèses de départ de spécification du système par rapport à l’existant, matérialisé par le
GSM ou GPRS, apparaissent clairement les besoins suivants:
- Un service de données temps réel ;
- un service de données à haut débit,
Le premier s’accompagnant le plus souvent mais pas toujours du second. Si le GPRS, véritable
système de transport de paquets, permet en théorie des applications du type courrier électronique,
navigation Web ou téléchargement de fichiers, le besoin de services de données en temps réel
VoIP, ou certains services vidéo par exemple, peuvent difficilement se contenter de ses
performances car il estime que plus de 300 ms de retard pour des paquets de voix est incompatible
avec une restitution de qualité de la parole. Un des buts de l’UMTS est de fournir des services
temps réel au moins jusqu’à 144 kbps pour les données et, éventuellement dans certains cas, de
monter le débit pour certains utilisateurs jusqu’à 2Mbps dans la cellule. Cela en continuant à
fournir des services de voix performants en adaptant par exemple, comme en GSM, un ensemble
de dispositifs de codage de la parole aux conditions radio du canal (AMR : Adaptive Multi-Rate)
Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 3Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa 1.2. Réseau d’accès 3G L’UTRAN est le nom attribué au réseau d’accès de l’UMTS. Il réalise les transferts de trafic de données et de signalisation entre l’appareil mobile (UE) et le réseau cœur. Il comprend principalement deux entités : le Node B et le RNC, représentées à la figure 1. Le Node B établit la connexion de l’utilisateur en transmettant des signaux radio et les flux de données entre l’interface radio et le RNC. Cette opération se réalise au moyen de l’interface Iub reliant ces deux nœuds. Les RNC, quant à eux, font la gestion des ressources radio et des phénomènes de relèves. Ils communiquent entre eux via l’interface Iur et sont reliés aux Node B par l’interface Iub. Ils servent d’intermédiaire entre l’appareil mobile (UE) et le réseau cœur en transitant les informations de voix et de données, respectivement, au moyen des interfaces Iu-cs et Iu-ps de la figure 1. Figure 1 : Architecture du réseau d’accès de l’UMTS 1.3. Réseau Cœur 3G Le réseau Cœur (Core Network) : il assure la connexion entre les différents réseaux d'accès et entre le réseau UMTS et les autres réseaux comme le réseau téléphonique (PSTN : Public Switched Téléphone Network), le réseau GSM, le réseau RNIS [9] (Réseau Numérique à Intégration de Services ou ISDN : Integrated Services Digital Network), etc. Il fournit le support des services de télécommunications UMTS et gère les informations de localisation des utilisateurs mobiles ainsi qu'il contrôle les services et les caractéristiques du réseau. Le réseau cœur est composé de deux domaines : le domaine à commutation de circuits CS (Circuit Switched domain) et le domaine à commutation de paquets PS (Packet Switched domain). [2] Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 4
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa Figure 2 : Architecture du réseau cœur de l’UMTS 1.4. Spectre de fréquences Les bandes de fréquences ont été définies en 1992 puis retouchées en 2000. Les bandes spectrales pour les composantes terrestres et par satellite des systèmes IMT-2000 sont 806- 960Mhz, 1710-2020Mhz, 2110-2300Mhz et 2500-2690Mhz. Figure 3 : Plan de fréquence pour la 3G Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 5
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
2. Les classes de service en UMTS
Nous définissons quatre classes de services en UMTS, représentées par le vocable anglais
suivant : Conversational, Streaming, Interactive et Background. Nous pouvons différentier ces
classes par leur sensibilité aux retards de transmission; la plus sensible est la classe
Conversational, la moins sensible est la classe Background.
Classe Conversational: Temps réel : voix en mode circuit, voix en mode paquet (VoIP),
services de vidéo-conférence bidirectionnels. Le temps de transmission et les relations
temporelles entre blocs de données doivent être maîtrisés.
Classe Streaming: Ecoute ou visualisation de flux audio ou vidéo unidirectionnels entre
un serveur et un usager. Le retard est moins important car le récepteur réaligne les flux de
données reçus mais les relations de temps entre blocs de données sont importantes.
Classe Interactive: Accès à des serveurs de données : navigation Web, télémesure. Il
s’agit d’échange de données entre un serveur et un usager en fonction des requêtes de ce
dernier. Le temps d’aller et retour est maîtrisé, les données sont fiables : faible BER
(Bit
Classe Background: E-mail, messages courts (SMS), transfert de fichiers. Les exigences
se traduisent en termes de fiabilité : très faible BER. Le temps de transmission est moins
important que celui de la classe Interactive.
2.1. Couverture globale de 3G
La couverture globale de la planète s’organise en une structure cellulaire hiérarchisée (Figure
4) qui assurera le roarning mondiale. Au sommet de la hiérarchie se trouvent les satellites qui
assurent une couverture sur l’ensemble de la planète.
Figure 4 : Couverture globale de l’UMTS suivant une structure hiérarchique de cellule.
Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 6Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
- Une pico-cellule permet des débits de l’ordre de 2 Mbits/s lors d’un déplacement de
l’ordre de 10 km/h (marche à pied, déplacement en intérieur, etc.).
- Une micro-cellule permet des débits de l’ordre de 384 Kbits/s lors d’un déplacement de
l’ordre de 120 km/h (véhicule, transports en commun, etc.).
- Une macro-cellule permet des débits de l’ordre de 144 kbits/s lors d’un déplacement de
l’ordre de 500 km/h (Train à Grande Vitesse, etc.). [3]
2.2. L’organisation fréquentielle
Les bandes de fréquences allouées pour l’IMT 2000 sont 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz.
La figure (5) présente l’allocation de spectre pour L'UMTS :
La division duplex dans les bandes dites "appairées", c’est, à dire 2 x 60 MHz, est
fréquentielle. L’écart, duplex vaut. 190 MHz. Nous utilisons dans ces bandes un accès W-CDMA.
La division duplex dans les bandes dites "non appairées", c’est, à dire 35 MHz et 15MHz, est
temporelle. Nous utilisons dans ces bandes un accès TD-CDMA. Les deux modes d’accès doivent,
être harmonisés pour favoriser la réalisation de terminaux bi-modes TDD/FDD à bas coûts.
Figure 5 : Allocation de spectre pour L’UMTS
Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 7Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa 2.3. L’organisation temporelle L’organisation temporelle de l’UMTS est basée sur une super trame de 720 ms, comportant elle-même 72 trames de 10 ms. Chaque trame de 10 ms est divisée en 15 slots de667µs, cette organisation est présentée par la figure 6. Figure 6 : Structure de trame de l’UMTS 2.4. Architecture La figure ci-dessous présente l’architecture du réseau UMTS avec la partie radio UTRAN (UMTS Terrestorial Radio Access Network) et le cœur du réseau (core Network). Le mobile nommé UE (User Equipment) est connecté via une liaison à 2 Mbit/s à la station de base Node N qui dessert une cellule. Les Nodes B sont contrôlés par une RNC (Radio Network Controller). Les données en mode circuit pour la téléphonie sont transmises vers le réseau GSM. Les données en mode paquet sont envoyées vers un équipement spécifique (souvent Co-localisé avec le MSC): le SGSN (Serving GPRS Support Node) qui connecte les différents RNC et qui est chargé d’enregistrer les usagers d’une zone géographique dans une zone de routage. La liaison vers les réseaux à commutation de paquet extérieurs tels Internet est ensuite réalisée par une passerelle GGSN (Gateway GPRS Support Node). Les services à transmission par paquet du réseau GPRS sont donc en partie réutilisés. Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 8
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
Figure 7 : Architecture du réseau UMTS
3. Architecture de l’UTRAN
L’UTRAN est complètement distinct du BSC du GSM. Il est constitué d’un ou plusieurs RNC
(Radio Network Controller), dont dépendent des Nodes B, et qui jouent un rôle proche
respectivement des BSC et des BTS en GSM. Un UTRAN peut donc être relié au réseau cœur par
plusieurs liens. [4]
3.1. Le RNC
C’est, un organe très important de l’UTRAN, il permet de gérer les ressources radio du réseau
d’accès de façon quasi autonome, déchargeant de cette fonction complexe le cœur de réseau. Il
met en œuvre également les protocoles sur les interfaces lu, Iur et Iub et la connexion avec le
serveur d’opérations et de maintenance. Les fonctions radio gérées par le RNC sont
essentiellement :
- L’admission;
- La gestion de la connexion RRC ;
- Le soft-handover
Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 9Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa Le RNC qui gère la terminaison des couches de protocole RLC/MAC (plan usager), RRC (plan contrôle) est baptisé le RNC de service (Serving RNC). Si un autre RNC est impliqué dans une connexion en soft-handover, on le dénomme RNC de Déport (drift RNC). La figure (8 et 9) illustre ces deux fonctions. Le RNC est donc un nœud de communication particulièrement important dans le réseau UMTS. Ainsi, il réalise au même endroit la fonction de cryptage des données, qu’il s’agisse du mode circuit ou du mode paquet. En GSM, le cryptage du mode circuit (parole et données) était réalisé dans la BTS et celui du mode paquet (GPRS) dans le SGSN. Figure 8 : Architecture de l’UTRAN Figure 9 : Serving et Drift RNC Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 10
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
3.2. Le NODE B
Il peut servir une ou plusieurs cellules en fonction de la configuration du site. Celui-ci peut
en effet être sectorisé,c’est-à-dire qu’il comporte des antennes directionnelles éclairant une portion
de l’espace dit secteur. Chaque secteur représente une cellule entière à part. L’effet directif des
antennes a un effet sur la capacité du système. Le node B peut en principe cohabiter avec une
station de base GSM pour minimiser les coûts d’infrastructure. Il est aussi le point de terminaison
ATM vis-à-vis du RNC et doit mettre en œuvre l’interface radio vis-à-vis du mobile. A ce titre, le
node B assure les fonctions suivantes :
- Mise au format des données en vue de les rayonner,
- Codage correcteur d’erreurs (convolutifs ou turbo-code),
- Adaptation de débit,
- Etalement /désétalement WCDMA,
- Modulation QPSK,
- Amplification, filtrage et rayonnement,
- Mesure de paramètres physiques propres à assurer le bon fonctionnement des
algorithmes de RRM (Radio Ressources Management), soit le contrôle de
puissance pour la boucle intérieure (inner-loop),
- Combinaison des signaux issus de plusieurs secteurs du même Nœud B.
Le RNC et le Node B peuvent supporter les deux modes de duplexage FDD et/ou TDD. Les
interfaces de l’UTRAN. L’UMTS définit six nouvelles interfaces ouvertes:
- Uu : du UE à Node B (UTRA, les interfaces radio de l’UMTS W-CDMA),
- lu : du RNC à l’interface du CN (MSC/VLR ou SGSN),
- Iu-CS pour commutation des circuits de données,
- Iu-PS pour commutation des paquets de données,
- Iub : du RNC à l’interface du Node B,
- Iur : du RNC à une interface RNC, pas comparable à toute interface dans GSM
Les interfaces Iu, Iub, et Iur sont basés sur les principes de transmission ATM.
Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 11Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa 3.3. Le WCDMA (Wideband-CDMA) Dans les différents forums de normalisation, la technique WCDMA s’est révélée êtrecelle qui a été adaptée le plus largement pour l’UMTS. Au sein du GPP (GénérationPartnership Project), le WCDMA est appelé UTRA (UniversalTerrestrial 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 TDD. 3.4. Présentation de la méthode d’accès CDMA Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une technique d’accès multiple grâce à laquelle les différents utilisateurs peuvent communiquer en même temps dans une même bande de fréquences. La distinction entre chaque utilisateur se fait par codes connusexclusi vement de l’émetteur et du récepteur. C’est, ce mode, plus précisément le W-CDMA qui est retenu pour le réseau d’accès radio de l’UMTS. Il est dit "à large bande" avec une largeur de bande de 5 MHz. Le signal passe du débitD4au débit D et voit ainsi son spectre élargi dans la mesure où on utilise une séquence proche de l’aléatoire. Cette dernière est utilisée de manière périodique, (sa période pouvant être de plusieurs symboles). Le rapport L= D/D4peut être interprété comme un facteur ou un gain d’étalement Figure 10: L’accès CDMA Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 12
Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
Figure 11: L’étalement du spectre
En réception, pour récupérer l’information, le récepteur doit effectuer la même opération : il
génère la même séquence d’étalement et la multiplie au signal reçu. Les données codées par cette
séquence sont restaurées (puissance spectrale augmentée) alors que les données des autres
utilisateurs restent étalés. Ceci permet de diminuer le niveau de bruit (figure 12) pour le signal en
bande de base : plus l’étalement est important, plus les interférences ne sont éliminées.
Figure 12 : Réduction des brouilleurs
Les avantages du W-CDMA sont :
Un gain de traitement plus élevé. En effet, en élargissant la bande, le signal est moins
sensible aux interférences. Cela permet aussi d’accroître le nombre d’utilisateurs présents
dans une cellule.
Mémoire rédigé et présenté par NGOUGNI TIOFACK NTSENG et DOUANLA MAFFO Platini Page 13Décongestion des réseaux UMTS : cas d’Akwa
La possibilité de transmettre des services à haut débit : Avec 5 MHz de largeur de bande,
nous pouvons atteindre un débit de 2 Mbps.
Meilleures performances pour détecter les trajets multiples. En effet, dans un canal
de propagation à trajets multiples, des versions décalées du signal transmis parviennent à
des intervalles de temps différents. Cette propriété qui était un inconvénient dans d’autres
systèmes, va être utilisée dans un système CDMA en combinant les signaux pour diminuer
le taux d’erreurs et obtenir ainsi de meilleures performances.
La possibilité de déploiement dans un spectre de fréquences déjà utilisé, qui consiste à
faire cohabiter un système W-CDMA et un autre système cellulaire sur un même spectre
de fréquences.
L’inconvénient majeur du W-CDMA est qu’il requiert un support matériel et logiciel plus
élaboré qu’un système à bande étroite
3.5. Le mode TDD
En TDD, une seule et unique fréquence est utilisée alternativement par les deux voies de
communications. Cette technique est la plus flexible lorsque le spectre n’est disponible qu’en
quantités limitées. Le mode TDD possède des adeptes, notamment en chine ou un certain nombre
de développements le concerne. De plus, des propositions techniques concernant le mode TDD ont
été générées du fait qu’un certain nombre d’autorités nationales allocataires de spectre, ont alloué
pour chaque opérateur candidat à l’achat d’une licence UMTS en mode FDD (par exemple sur
15 MHz), un bout de bande de 5MHz supplémentaire supposé servir le TDD. Les opérateurs
cherchent encore la meilleure façon d’utiliser cette bande passante, nous nous contenterons dans la
suite de décrie le mode FDD, le mode utilisé dans le W-CDMA.
3.6. Le mode FDD
En FDD, chaque sens de communication utilise une fréquence particulière. Le mobile et le
réseau peuvent donc transmettre simultanément. L’un des inconvénients de cette technique réside
dans l’écart duplex entre les deux voies de communication utilisé pour séparer les étages de
transmission et de réception radio. La nécessité de maintenir cet écart appelé bande de garde,
entraîne une sous-utilisation du spectre radio. En FDD, on attribue en général la même bande de
spectre aux deux sens de communication, ce qui est tout à fait adapté aux applications présentant
un débit symétrique comme la téléphonie. En revanche lorsque les débits ne sont pas équilibrés
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