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La troisième génération des téléphones mobiles 3G (UMTS)
La 3 G correspond au standard UMTS (universal mobile for Telecommunications system) de l’ETSI. Dans la version américaine, elle correspond au CDMA 2000 alors qu’en Japon on parle de FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access). Au niveau de la 3 G, des débits jusqu’à 2 Mb/s sont offerts. Les services possibles sur un réseau 3G sont accès haut débit à l’Internet sans fil, visiophonie, messages vidéo, réception de la télévision sur le téléphone. L’Union internationale des Télécommunications (UIT) a défini les normes de la troisième génération de la téléphonie cellulaire (IMT – 2000) pour faciliter la croissance, augmenter le débit et supporter plus d’applications variées. La 3 G offre un niveau de sécurité plus élevée que ses prédécesseurs de la 2 G. Pour la troisième génération, le GSM offre UMTS WCDMA alors que le CDMA développe les services 1xRTT (One time Radio Transmission Technology) et EVDO (Evolution Data – Optimized) qui offrent respectivement des débits de 144 Kb/s et 2.4 Mb/s. Deux versions améliorées développées plus tard fournissent des débits de 3.1 Mb/s et de 4.9 Mb/s. Et finalement, la version CDMA 2000 développe la version UMB (Ultra Mobile Broadband) avec un débit de 288 Mb/s.
Les applications de la 3 G sont la télévision mobile, la vidéoconférence, les services de localisation, la vidéo à la demande et la télémédecine. 3.5G HSDPA (High – Speed Downlink Packet Access) est un protocole de téléphonie mobile qui offre un débit de téléchargement variant entre 8 et 10 Mb/s dans le sens descendant.
Cette technologie est basée sur la communication WCMDA (Wideband – Code Multiple Division Access). 3.75G HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) est un autre protocole de téléphonie mobile qui permet des débits de 5.6 Mb/s dans le sens montant et permet de réduire la latence.
La quatrième génération des téléphones mobiles 4G (LTE)
La quatrième génération qui fera l’objet de notre sujet de mémoire, est déjà une réalité. Elle est développée en quelque sorte pour fournir la qualité de service et les débits exigés par les applications 3 G existantes. La 4 G peut fournir un débit de téléchargement de 100 Mb/s pour les communications de haute mobilité (à partir des trains et des voitures) et un débit de 1 Gb/s pour les communications de basse mobilité (piétons et utilisateurs fixes). Le système 4 G doit fournir une solution à large bande tout IP sécurisée aux modems sans fil des laptops, aux smartphones et autres dispositifs mobiles. D’autres services seront offerts aux utilisateurs tels que : Accès à Internet à haut débit, téléphonie IP, les services de jeux et autres services multimédias en temps réel.
LTE (Long Term Evolution, 3.9 G) et mobile WiMAX deux technologies proches de la 4 G devraient offrir des débits de l’ordre de 1Gb/s selon les recommandations de l’Union internationale des Télécommunications. Les objectifs de la quatrième génération sont : canal de largeur de bande flexible, entre 5 et 20 MHz, optionnellement jusqu’à 40 MHz, efficacité spectrale, réseau de grande capacité, débit nominal de 100 Mb/s, débit minimal entre deux points dans le monde : 100 Mb/s, transfert intercellulaire imperceptible à travers des réseaux hétérogènes, connectivité sans faille et roaming global à travers des réseaux multiples, qualité de service élevée ( pour audio à temps réel), transmission de données à haut débit, télévision à haute définition, télévision mobile, etc.), interopérabilité avec les normes sans fil existantes, réseau à commutation de paquet IP.
Architecture LTE
La technologie LTE a apporté une efficacité spectrale, amélioration de débit, augmentation de la couverture et du nombre d’appels supporté par la cellule. L’architecture est constituée d’un réseau d’accès tout IP eUTRAN et d’un réseau cœur Evolved Packet Core (EPC).
Réseau d’accès : eUTRAN
Le réseau d’accès eUTRAN est simplifié et comprend un seul type d’entité, la station radioélectrique eNodeB qui intègre les fonctions des contrôleurs de stations BSC des réseaux 2G et RNC des réseaux 3G.
Les eNodeB sont reliés entre eux par une interface X2 : X2 est une interface logique. Son but est de permettre des échanges des informations de signalisation via le protocole X2-AP et de tunnelisation via le protocole GTP-U durant le handover sans faire intervenir le réseau cœur. Ce réseau cœur est relié aux eNodeB par l’interface S1 : S1 est une interface intermédiaire entre le réseau d’accès et le réseau cœur. Elle est divisée en deux interfaces élémentaires :
S1-MME : l’interface entre les entités MME et eNodeB pour la signalisation via le protocole S1-AP (Application Part) échangée lors de l’attachement du mobile, de l’établissement d’une session et du handover intra eUTRAN.
S1-U : l’interface entre les entités eNodeB et SGW pour la tunnelisation via le protocole GTP-U (GPRS Tunnel Protocol User) du trafic du mobile (le paquet IP).
Les eNodeB offrent deux qualités au réseau : la sécurité en cas de problème lors d’un relais et le partage des ressources équitables en cas de saturation du lien principal.
EPC : Evolved Packet Core : Le cœur de réseau EPC comprend l’entité de traitement de la signalisation MME (Mobility Management Entity), les entités des transferts des données SGW (Serving Gateway) et PGW (PDN (Packet Data Network) Gateway), les bases de données du mobile HSS (Home Subscriber Server) et EIR (Equipment Identify Register), et l’entité PCRF (Policy and Charging Rules Function) définissant les règles de qualité et service et de taxation.
EPC est aussi peut communiquer avec le réseau 2G et 3G. Son architecture est simplifié, en la comparant à celle de 2G/3G.
MME (Mobility Manager Entity) : L’entité MME est responsable de la gestion de la mobilité, l’attachement et le détachement et la mise à jour à la zone de localisation TAI (Tracing Area Identity). Elle gère la procédure d’authentification et l’attribution de l’identité temporaire S-TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity). Elle transfert le contexte du mobile au SGSN lors de la mobilité inter système (LTE vers UMTS). SGW (Serving Gateway) : L’entité SGW transfert les données entrant vers l’eNodeB et les données sortantes vers l’entité PGW. Elle initialise le paging vers le MME pour les données entrantes. Elle constitue le point d’encrage pour la mobilité intra E-UTRAN. Lors de la mobilité inter système, elle transfert les données vers le SGSN ou l RNC du réseau UMTS.
PGW (Paging Gateway) : L’entité PGW assure la connexion du réseau LTE au réseau de données PDN (le réseau internet). Elle est équivalente au GGSN du réseau UMTS. Elle est responsable de l’attribution de l’adresse IP au mobile. Elle constitue le point d’encrage pour la mobilité SGW. HSS (Subscriber Home): La base de données HSS est une intégration des fonctions remplies par les bases de données HLR (Home Location Register) et AuC (Authentication Center). PCRF (Policy Charging Rules Function).
Interface Air
Principe de l’OFDM et SC-FDMA : Le principe de l’OFDM consiste à répartir le signal numérique sur un grand nombre de sous-porteuse orthogonaux.
Il est utilisé en voie descendante. L’espacement entre sous porteuse en LTE est fixé f= 15 Khz et 2048 pour IFFT. L’unité de temps dans la structure de trame est Ts = 1 (2048 * 15000) secondes. Dans un canal multi trajets, il y a risque d’interférence entre symboles OFDM. Pour ceci l’ajout d’un préfixe cyclique CP (5.21µsec) demeure nécessaire.
Le sens descendant utilise le mode d’accès multiple OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), utilisant le système OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), constitué de plusieurs sous porteuses orthogonales. Chaque sous porteuse est modulée par une partie des données. L’OFDMA est la combinaison de FDMA et TDMA. Le sens montant utilise le mode d’accès SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access) qui permet d’effectuer un multiplexage fréquentiel de plusieurs utilisateurs.
Le mode SC-FDMA présente l’avantage d’être par rapport au mode OFDMA, d’avoir une puissance crête constante pour un mobile, ce qui permet d’optimiser la conception de l’amplificateur d’émission du mobile.
Structure de la trame : La même structure de trame est utilisée pour les deux sens de transmission. Deux structure de trame sont définies pour le mode FDD ou TDD. Les durées sont exprimées en multiple du facteur Ts(Ts=1/15000*2048).
La structure de type 1 défini pour le mode FDD a une durée de 10 ms (=307200*Ts) et contient 10 sous-trames . Chaque sous trame est constituée de deux intervalles de temps (slot), qui comprend 3 ou 6 ou 7symboles. Ce dernier contient un nombre de sous-porteuses dépendant de la largeur de la bande de fréquence du canal radioélectrique. La structure de la trame de type 2 définie pour le mode TDD a également une durée de 10 ms et contient deux demi-trames de 5 ms chacune . Chaque demi-trame comporte 8 intervalles de temps (slot) et trois particuliers :
un intervalle de temps pour le pilote dans le sens descendant DwPTS (Downlink Pilot Time Slot) ; un intervalle de temps pour le pilote dans le sens montant UpPTS (Uplink Pilot Time Slot) ; un temps de silence GP (Gap Period) entre les deux intervalles précédents.
Pour le sens montant, les signaux transmis doivent être alignés temporellement à l’intérieur d’une sous-trame. Les mobiles doivent être synchronisés par l’entité eNodeB qui leur communique l’avance de temps à appliquer.
Les canaux radio
Selon le type d’information véhiculée , on distingue les canaux communs de contrôle accessibles partout les mobiles, les canaux de signalisation hors communication dédiés à un seul mobile et des canaux de trafic dédiés à un seul mobile.
Les canaux logiques : Un canal logique est associé à un ou plusieurs flux de données (ou de signalisation) qui possède des caractéristiques communes : typologies des données transportées (plan usager ou plan de contrôle), priorité du flux, débit nominal (garanti ou non). Un canal logique est donc caractérisé par ce qu’il transporte, et non par la façon les données sont véhiculées. Les canaux logiques se séparent en canaux de contrôles et canaux de trafics. Les canaux de contrôles transportent uniquement des informations du plan de contrôle, tandis que les canaux de trafics véhiculent exclusivement les données du plan de l’usager.
Canaux de transport : Un canal de transport est caractérisé par la façon dont les données sont transportées sur les ressources physiques notamment :
la méthode d’accès aux ressources (scheduling dynamique, semi-persistant ou statique) ; les formats de transport autorisés, qui définissent les traitements de la couche physique à appliquer (type de codage de canal, schéma de transmission MIMO, etc.) ; la possibilité d’effectuer les retransmissions d’HARQ, et si oui de quel type.
Canaux physique : Les canaux physiques fournissent le moyen de transmettre par audio les données des canaux de transport. Une SDU reçu de la couche MAC via un canal de transport. Un canal physique correspond à un ensemble d’élément de ressource temps-fréquence (un élément de ressource est une sous-porteuse d’un symbole OFDM) dans la sous-trame. De plus, il est associé à des caractéristiques physiques particulières, comme une séquence d’embrouillage, des schémas de codage et modulations, des schémas MIMO (uniquement dans le sens descendant).
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : Différentes Générations de Téléphonie Mobile
1.1 Introduction
1.2 Définition
1.3 Les différentes normes téléphoniques
1.3.1 La première génération des téléphones mobiles (1G)
1.3.3 La troisième génération des téléphones mobiles 3G (UMTS)
1.3.4 La quatrième génération des téléphones mobiles 4G (LTE)
1.4 Conclusion
Chapitre 2 : La quatrième génération du réseau radio mobile LTE
2.1 Introduction
2.2 Évolution UMTS vers LTE
2.2.1 Principe de W-CDMA
2.2.2 La technologie HSDPA
2.2.3 La technologie HSUPA
2.2.4 La technologie de HSPA+
2.3 LTE (Long Term Evolution)
2.3.1 Architecture LTE
2.3.1.1 Réseau d’accès : eUTRAN
2.3.1.2 EPC : Evolved Packet Core
2.4 Interface Air
2.4.1 Principe de l’OFDM et SC-FDMA
2.4.2 Structure de la trame
2.4.3 Concept de bloc de ressources
2.4.3.1 La dimension fréquentielle en LTE
2.5 Les canaux radio
2.5.1 Les canaux logiques
2.5.2 Canaux de transport
2.5.3 Canaux physique
2.6 Principe de la technologie MIMO
2.7 Modulation et codage adaptatifs
2.8 Les exigences LTE
2.8.1 La capacité des utilisateurs simultanés
2.8.2 Les débits
2.8.3 La latence
2.8.4 La mobilité
2.9 Qualité des services
2.9.1 Les services LTE
2.9.2 Efficacité QOS
2.10 La 4G au Sénégal
2.11 Conclusion
Chapitre 3 : Dimensionnement et Planification d’un réseau 4G LTE
3.1 Introduction
3.2 Processus de Dimensionnement
3.3 Dimensionnement par Couverture
3.3.1 Les étapes de dimensionnement de couverture
3.3.2 Le calcul à faire
3.3.2.1. Bilan de liaison Radio RLB
3.3.2.2. Modèle de Propagation
3.3.3 Calcul de la couverture pour les Uplink
3.3.3. 1. Débit requis
3.3.3.2. SINR requis
3.3.3. 3. Sensibilité eNodeB récepteur
3.3.3. 4. Les marges de bruit
3.3.3.5. Puissance par bloc de ressource EIRP (Effective Isotropic RadiatedPower)
3.3.3. 6. Equation bilan de liaison Uplink
3.4 Calcul de la couverture pour les DownLink
3.4.1. Pertes de trajet
3.4.2. Débit binaire requis
3.4.3 Puissance par bloc de ressource
3.4.4. Augmentation du bruit à la bordure de la cellule
3.4.6. La sensibilité du l’équipement utilisateur récepteur
3.4.7. SINR à la bordure de la Cellule
3.4.8. Limite du Bilan de liaison
3.4.9. Les modes de transmission
3.4.10. Rayon de la cellule
3.4.11. Nombre de sites
3.5. Dimensionnement de capacité
3.5.1. Calcul dimensionnement de capacité pour les Uplink
3.5.1.1. Débit de la cellule
3.5.2. Calcul dimensionnement de capacité DownLink
3.5.2.1. SINR
3.5.2.2. Débit de la cellule
3.5.2.3. Nombre de sites demandé
3.6. Conclusion
Chapitre 4 : Résultats et Interprétations
4.1 Introduction
4.2 Choix du simulateur
4.2.1 OPNET
4.2.2 Network Simulation : NS (version2 ou 3)
4.2.3 OPNET (Optimized Network Engineering Tools)
4.2.4. OMNET + +
4.2.5. Matlab
4.2.6 LTE-SIM
4.3 Présentation du logiciel
4.3.1 Présentation générale
4.3.3 Procédure d’installation de logiciel LTE-SIM sous Windows
4.3.4 Procédure d’installation de logiciel LTE-SIM sous Lunix
4.3.5. Structure du logiciel
4.6. Simulation de scenario sur LTE-SIM
4.6.1 Présentation des différentes étapes de création des scenarios
4.6.2. Présentation de l’ensemble des scenarios prédéfinis sur le logiciel
4.6.3. Description des Paramètres pertinents des scenarios
4.4 Zone de déploiement : Keur Massar
4.4.1 Présentation de l’environnement du travail
4.4.2 Dimensionnement par couverture
4.4.2.1 Caractéristique de la zone
4.4.3 Optimisation de la bande passante
4.4.3.1. Modèle système
4.4.3.2 Critères de performance
4.4.3.3 Scenarios de simulation
4.5 Discussion et évaluation des performances
4.6 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
Bibliographie
