Architecture générale d’un réseau de téléphonie cellulaire

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Introduction à la téléphonie cellulaire

Ce chapitre représente une brève introduction à la téléphonie cellulaire, où nous allons présenter les caractéristiques du spectre de fréquences et les différentes techniques d’accès aux systèmes cellulaires. Nous définissons par la suite le cycle de vie, les différentes générations et l’architecture générale des réseaux cellulaires. Les différents types d’interférences, le principe de réutilisation de fréquences ainsi que l’étape de planification dans les réseaux cellulaires sont présentées à la fin du chapitre.

Téléphonie cellulaire

Un système de radiotéléphonie a pour but de permettre à un terminal d’accéder au réseau téléphonique sur un territoire d’une assez grande étendue (par exemple, un pays, voire un continent). Ce service utilise une liaison radioélectrique entre le terminal et le réseau.
La téléphonie cellulaire est un cas particulier de la radiotéléphonie. Un réseau est dit cellulaire s’il comprend une série de stations de base BTS (Base Transceiver Station) qui chacune offre le service sur un petit territoire appelé cellule. Cette architecture se justifie de deux façons.
Elle permet premièrement de limiter la consommation électrique des stations mobiles (MS, Mobile Station) en leur évitant de devoir déployer une grande puissance d’émission. En effet, avec une telle architecture, un terminal est toujours assez proche du point d’accès au réseau avec lequel il dialogue.
Et elle permet deuxièmement d’économiser le spectre hertzien, c.-à-d. permettre un maximum de communications en parallèle dans les bandes de fréquence allouées au système. En effet, s’il n’y avait qu’une seule BTS pour un certain territoire, il n’y aurait moyen d’écouler simultanément qu’un nombre de communications étant le résultat de la division de la bande passante disponible par la bande requise pour une communication. On peut augmenter ce nombre de communication possibles en réutilisant la même fréquence à plusieurs endroits sur le territoire. A cette fin, au lieu de placer une BTS émettant très fort au milieu du territoire, on va en placer une multitude émettant moins fort à intervalles réguliers. Les fréquences utilisées par deux BTS aux cellules contingentes seront différentes pour éviter les interférences.
Les systèmes de téléphonie cellulaire sont adaptés à des environnements variés, zones urbaines ou rurales, peuvent servir des abonnés piétons ou automobilistes, couvrir des rues ou des autoroutes, et dans certaines mesures l’intérieur des immeubles. Dans les zones urbaines denses, l’opérateur utilise des microcellules de quelques centaines de mètres de rayon, pour écouler un trafic important par unité de surface. Alors que dans les zones rurales faiblement peuplées, les cellules sont de tailles importantes, jusqu’à 30 km, et sont appelées des macrocellules.
La forme hexagonale a été universellement adoptée comme représentation théorique du design cellulaire. En effet l’hexagone désigne la forme géométrique la plus proche du cercle (propagation des ondes radio dans un espace sans obstacles) qui permet un pavage régulier du plan en utilisant le moins de cellules (voir figure 2.2). De plus il garantit une uniformité des distances entre les émetteurs, la régularité des schémas d’antennes et de la propagation des ondes radio en espace libre.
En réalité, la forme des cellules dépend des facteurs géographiques tels que la morphologie des terrains à savoir la présence des valets et des collines, la végétation, les constructions, la densité des bâtiments, et des protocoles de gestion du réseau qui conditionnent le passage d’une cellule à l’autre [2].

Spectre de fréquences

Le spectre radio, et par conséquent la capacité disponible pour l’accès radio est généralement limité par la réglementions. En effet, contrairement aux communications filaires où une population et une demande en capacité de plus en plus importantes peuvent être facilement desservies par le déploiement de câbles supplémentaires pour connecter les abonnés aux réseaux, la capacité du spectre radio ne peut être étendue arbitrairement. La technique cellulaire résout partiellement ce problème en partageant la zone de service en cellules radio, chacune équipée par une station de base en réutilisant le spectre radio aussi souvent que possible. Toutefois, la technique cellulaire n’est pas aussi simple à mettre en œuvre.
La limitation du spectre conduit également à la nécessité d’avoir recours à une modulation spectrale efficace et à un codage de compression source permettant d’éliminer la redondance d’informations de manière à réduire le débit à transmettre. L’objectif des concepteurs et d’opérateurs de réseaux mobiles consiste donc à transmettre le maximum d’informations dans des canaux de largeur de bande fixe.

Gestion du spectre et normalisation

Les ondes radio, c’est-à-dire le spectre radio et l’espace qui entourent les ondes radio correspondantes, sont des ressources limitées partagées par de multiples utilisateurs (télévision, radiodiffusion, opérateurs de télécommunications, militaires, gouvernement, entreprises, public, amateurs, etc.). Le partage du spectre entre différents utilisateurs, différents service, sa coordination et son administration sont des tâches permanentes effectuées à des niveaux nationaux et internationaux. Les administrations nationales (La ARPT, Autorité de Régulation de la Poste et des Télécommunications en Algérie par exemple) en coopération avec les utilisateurs et l’industrie, doivent donc établir des règles et procédures pour la planification et l’utilisation des bandes de fréquences. Ces plans et leur utilisation font d’abord l’objet d’une coordination au niveau international [3].

Techniques d’accès aux systèmes cellulaires

Un système cellulaire est un système mobile terrestre à haute capacité dans lequel le spectre de fréquences disponibles est divisé en des canaux discrets affectés en groupe à des cellules géographiques couvrant une région. Ces canaux peuvent être réutilisés dans différentes cellules comprises dans une même région de service. Comme nous l’avons mentionné précédemment, le principe des systèmes cellulaires est divisé une zone géographique en cellules de diamètre généralement compris entre 500 m et 50 km, chacune ayant un certain nombre de canaux radio (RF) alloués. Les émetteurs des cellules adjacentes fonctionnent à des fréquences différentes afin d’éviter les interférences. Cependant, puisque la puissance de transmission et la hauteur des antennes dans chaque cellule sont relativement faibles, les cellules suffisamment éloignées peuvent réutiliser le même jeu de fréquences sans causer d’interférence. Ainsi, on peut dire que la couverture théorique et la capacité d’un système cellulaire sont illimitées.
Généralement, le régulateur national alloue un nombre fixe de bandes de fréquences à un système cellulaire. Des techniques d’accès multiple sont alors déployées pour permettre à plusieurs utilisateurs de partager la bande disponible d’une façon efficace.
Les trois principales techniques d’accès multiple utilisées dans des systèmes cellulaires sont : le FDMA (Frequency Division Multiple Access) ou Accès Multiple à Répartition en Fréquence (AMRF), le TDMA (Time Division Multiple Access) ou Accès Multiple à Réparation dans le Temps (AMRT) et le CDMA (Code Division Multiple Access) ou Accès Multiple à Réparation de Code (AMRC). Les figures 2.5, 2.6 et 2.7 illustrent respectivement ces méthodes d’accès multiple.

FDMA

La technique d’accès FDMA, ou accès multiple à répartition en fréquence, repose sur un multiplexage en fréquences. Le multiplexage fréquentiel divise la bande de fréquences en plusieurs sous-bandes. Chacune est placée sur une fréquence dite porteuse, ou carrier, qui est la fréquence spécifique du canal. Chaque porteuse ne peut transporter que le signal d’un seul utilisateur. La figure 2.4 illustre un multiplexage FDMA de quatre porteuses acceptant quatre utilisateurs sur le même support. Cette méthode nécessite une séparation entre les porteuses pour éviter les
interférences.

TDMA

La technique TDMA, ou accès multiple à réparation dans le temps, offre la totalité de la bande de fréquences à chaque utilisateur pour une fraction de temps donnée, dénommée slot (intervalle). L’émetteur de la station mobile stocke les informations avant de les transmettre sur le slot, autrement dit dans la fenêtre temporelle qui lui a été consacrée. Les différents slots sont regroupés en une trame, le système offrant ainsi plusieurs voies de communication aux différents utilisateurs. La succession des slots dans les trames forme le canal physique de l’utilisateur, comme illustré dans la figure 2.5. Le récepteur enregistre les informations à l’arrivée de chaque slot et reconstitue le signal à la vitesse du support de transmission.

CDMA

Troisième technique, le CDMA, ou accès multiple à réparation de code, autorise l’allocation de la totalité de la bande de fréquences, de manière simultanée, à tous les utilisateurs d’une même cellule. Pour ce faire, un code binaire spécifique est octroyé à chaque utilisateur. L’utilisateur se sert de son code pour transmettre l’information qu’il désire communiquer en format binaire d’une manière orthogonale, c’est-à-dire sans interférence entre les signaux, aux autres communications.
La définition de canaux pour l’attribution des cellules individuelles dans un système cellulaire est assez simple dans le cas de systèmes basés sur des méthodes FDMA et TDMA. En revanche, les systèmes basés sur la technique d’étalement du spectre de CDMA exigent une conception différente du canal radio.

Cycle de vie d’un réseau cellulaire

Un réseau cellulaire peut être considéré comme un organisme vivant et comporte de la même façon plusieurs phases de développement. Le cycle de vie d’un réseau cellulaire peut être décrit par six étapes principales (voir figure 2.7) [4].

Faisabilité technico-économique

La première étape est une étude d’opportunité technique et économique qui consiste à estimer le marché potentiel et à dimensionner le réseau en conséquence. Un plan d’affaires établi permet d’analyser la rentabilité du projet. Cette première phase de gestation est donc celle pendant laquelle la rentabilité du projet et sa réalisation au niveau financier sont évaluées afin de décider de l’opportunité du passage à la phase de déploiement du réseau. Cette étape de dimensionnement est difficile puisqu’à ce moment de la vie du réseau qui n’existe pas encore, il y a un écart entre les estimations de coûts et le coût réel qui sera mesuré à la fin du déploiement du réseau.

Obtention de la licence

L’autorisation d’installer et d’exploiter un réseau cellulaire fait souvent l’objet d’un appel à candidature par l’organisme de régulation ou par son équivalent. Dans le cas où un opérateur est intéressé par le projet, au vu notamment des résultats de l’étape précédente, il soumet un dossier pour l’obtention de la licence d’exploitation d’un réseau. Après obtention de la licence, l’opérateur consulte des fournisseurs d’équipement sur la base d’un cahier des charges reflétant les besoins estimés et les contraintes particulières liées à la licence attribuée, et sélectionne un fournisseur sur la base de critères tels que les prix, la qualité des équipements, etc.

Déploiement

La phase de déploiement initial permet d’atteindre les objectifs à court terme de l’opérateur (en termes de couverture et de capacité). Elle consiste en la mise en place des premières stations de base ainsi que des autres équipements du réseau qui vont permettre la commercialisation des services. Cette phase est donc la naissance du réseau. La première préoccupation d’un opérateur à cette étape de la vie du réseau est de couvrir les zones cibles en assurant des deuils de niveau de champ minimum.

Optimisation, extension et densification

Quand le réseau est opérationnel, c’est-à-dire à la fin de la phase de naissance, l’opérateur va être confronté à deux types de problèmes : il doit tout d’abord contrôler le réseau pour améliorer sa qualité. Il s’agit à cette étape d’optimiser le réseau sans en accroitre la capacité. L’opérateur doit ensuite assurer la croissance du réseau pendant la vie de celui-ci et y intégrer de nouvelles ressources, atteindre de nouveaux objectifs, etc. Cette étape de croissance du réseau commence donc par une phase d’apprentissage dont le but essentiel est d’améliorer la qualité sans ajouter de nouvelles ressources. La croissance du réseau au niveau couverture et capacité va nécessiter de la part de l’opérateur d’étendre et de densifier son réseau. Ceci se fera conjointement avec une phase d’optimisation de réseau.

Evolution des services

Les normes des systèmes cellulaires évoluant, de nouvelles fonctionnalités et de nouveaux services sont définies qui peuvent être intégrées dans le réseau et proposées aux usagers. Ces différentes phases vont nécessiter de la part de l’opérateur de faire évoluer de façon plus ou moins importante la structure de son réseau.

Transition vers une nouvelle technologie

Le changement de technologie peut entrainer un changement radical au niveau des équipements du réseau. C’est le cas des transitions de la première génération (analogique) vers la deuxième génération (voix et données à débit limité), de la deuxième génération vers la troisième génération (services multimédias à haut débit) ou encore de la troisième vers la quatrième génération (très haut débit mobile).

Evolution des systèmes cellulaires

Le terme génération sert à désigner les améliorations incrémentales survenues au cours de l’évolution des systèmes cellulaires. Dans cette section, nous présentons brièvement les différentes générations de systèmes cellulaires et leur architecture générale.
La première génération (1G), apparue au début des années 1970, comprenait des systèmes et des plates-formes de communications analogiques essentiellement dédiés à la transmission de la voix. Même si ces systèmes étaient intrinsèquement analogiques, ils utilisaient la signalisation numérique dans de nombreux aspects de leur réseau, y compris l’interface air. Les concepts clés de cette génération sont la réutilisation de fréquences, la mobilité des abonnés et la relève.
Le terme deuxième génération (2G) décrit de façon générale les systèmes cellulaires mobiles numériques. L’usage de la technologie numérique a en effet permis de résoudre les problèmes de capacité de sécurité inhérent aux systèmes 1G, tout en augmentant le nombre de services avancés disponibles.
Des efforts sont déployés aussi bien au niveau international qu’au niveau régional/national pour concevoir et mettre en œuvre des systèmes de communication mobiles de troisième génération (3G). En fait, cette génération est une génération de systèmes mobiles labellisé IMT 2000 par l’UIT. Ce système permet des services de communications plus rapides notamment pour la voix, la télécopie, l’Internet de n’importe quel endroit et à tout moment.
La quatrième génération (4G) est la génération des standards pour la téléphonie cellulaire. Succédant à la 2G et la 3G, elle permet le « très haut débit mobile », c’est-à-dire des transmissions de données à des débits théoriques supérieurs à 100 Mbit/s, voire supérieurs à 1 Gbit/s (débit minimum défini par l’UIT pour les spécifications IMT-Advanced). En pratique, les débits sont de l’ordre de quelques dizaines de Mbit/s selon le nombre d’utilisateurs, puisque la bande passante est partagée entre les terminaux actifs des utilisateurs présents dans une même cellule radio

Architecture générale d’un réseau de téléphonie cellulaire

Les systèmes cellulaires de deuxième et de troisième génération ont des architectures très proches l’une de l’autre. Cependant, contrairement aux systèmes de deuxièmes génération, les systèmes de troisième génération fournissent des services de types variés et ayant des débits différents : la voix, les données numériques, le multimédia. Chaque utilisateur d’un tel système est identifié au travers d’une carte mémoire, la carte SIM (subscriber Identity Module) qui est lui permet de se connecter au réseau pour bénéficier des services auxquels il est abonné, et ce, quelle que soit sa localisation [5].
L’architecture générale des systèmes cellulaires de la deuxième génération s’étend à des infrastructures existantes comme les réseaux étendues et locaux sans fil de la première génération, les réseaux fixes traditionnels (LAN, MAN, WAN, Internet, etc.), ainsi que les architectures orientées vers des services spécialisés, y compris la radio et les services de satellites.
Une infrastructure de réseau cellulaire typique consiste en un certain nombre de composants (voir figure 2.8).

Table des matières

Chapitre 1 Introduction générale
1.1 Contexte de la Recherche et problématique
1.3 Objectif de la thèse
1.4 Contributions
1.5 Organisation de la thèse
Partie I : Etat de l’art
Partie II : Contributions
Chapitre 2 Introduction à la téléphonie cellulaire
2.1 Téléphonie cellulaire
2.2 Spectre de fréquences
2.3 Gestion du spectre et normalisation
2.4 Techniques d’accès aux systèmes cellulaires
2.4.1 FDMA
2.4.2 TDMA
2.4.3 CDMA
2.5 Cycle de vie d’un réseau cellulaire
2.5.1 Faisabilité technico-économique
2.5.2 Obtention de la licence
2.5.3 Déploiement
2.5.4 Optimisation, extension et densification
2.5.5 Evolution des services
2.5.6 Transition vers une nouvelle technologie
2.6 Evolution des systèmes cellulaires
2.7 Architecture générale d’un réseau de téléphonie cellulaire
2.8 Interférences
2.9 Réutilisation de fréquences
2.10 Planification d’un système de téléphonie cellulaire
2.11 Conclusion
Chapitre 3 Allocation de fréquences dans les réseaux cellulaires
3.1 Introduction
3.2 Schémas d’allocation de fréquences
3.2.1 Allocation fixe des fréquences
3.2.2 Allocation dynamique des fréquences
3.2.3 Allocation hybride des fréquences
3.3 Interférences
3.4 Objectifs d’allocation de fréquences
3.4.1 Minimum Blocking FAP (MB-FAP)
3.4.2 Minimum Order FAP (MO-FAP)
3.4.3 Minimum Span FAP (MS-FAP)
3.4.4 Minimum Interference FAP (MI-FAP)
3.5 Allocation de fréquences et coloration de graphe
3.6 Exemple illustratif
3.7 Méthodes de résolution
3.7.1 Méthodes exactes
3.7.2 Méthodes constructives
3.7.3 Méthodes de recherche métaheuristiques
3.8 Conclusion
Chapitre 4 Intégration de la méthode de recherche tabou dans l’algorithme d’optimisation par essaim particulaire pour la résolution du problème d’affectation de fréquences (MI-FAP)
4.1 Introduction
4.2 Problématique
4.3 Formulation du problème
4.3.1 Format Classique de Stockage de solution et d’Evaluation de solution (FCSE)
4.3.2 Format Proposée de Stockage et d’Evaluation de solution (FPSE)
4.4 Affectation de fréquences par un Algorithme à base d’essaim particulaire
4.4.1 Description générale
4.4.2 Adaptation de l’algorithme d’optimisation par essaim particulaire à l’affectation de fréquences
4.5 Affectation de fréquences par la recherche tabou
4.5.1 Description générale
4.5.2 Adaptation de la méthode de recherche tabou à l’affectation de fréquences
4.6 Intégration de la méthode de recherche tabou dans l’optimisation par essaim particulaire
4.7 Evaluation expérimentale de l’algorithme proposé PSO-TS
4.7.1 Instances de test
4.7.2 Paramétrage de PSO-TS
4.7.2 Résultats
4.7.3 Comparaison avec d’autres approches
4.7.4 Analyse des résultats
4.8 Conclusion
Chapitre 5 Conclusion générale
6.1 Contributions
6.2 Recherches futures
Références bibliographiques
Publication Internationale
Communication Internationale