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N° d’ordre : 11/ L3/ TCO Année Universitaire : 2015/2016
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
----------------------
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
-----------------------
MENTION TELECOMMUNICATION
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES
En vue de l’obtention
Du DIPLOME DE LICENCE
Domaine : Science de l’Ingénieur
Mention : télécommunications
Parcours : Ingénierie des Radiocommunications (IRC)
Par : RAKOTOJAONA ANDRIANOELISOA NAMBININA
PLANIFICATION D’UN RESEAU WIMAX MOBILE
Soutenu le 17 Février 2017 à 9h30devant la commission d’Examen composée de :
Président : M.RATSIHOARANA Constant
Examinateurs :
M.ANDRIAMIASY Zidora
Mme.RAMAFIARISONA HajasoaMalalatiana
M.RASAMOELINA Jacques Nirina
Directeur de mémoire : M. ANDRIANANDRASANA Boto Jean Espéran
i
REMERCIEMENTS
Tout d’abord, je tiens à remercier DIEU le tout Puissant de m’avoir donné le courage, la volonté,
la force et la patience pour mener à terme ce travail.
Je voudrais très sincèrement remercier Monsieur RAMANOELINA Panja, professeur titulaire et
président de l’Université d’Antananarivo, et aussi Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon
Dieudonné, professeur titulaire et responsable du Domaine Sciences de l’Ingénieur de l’Ecole
Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, qui m’a permis d’approfondir mes études au sein de
l’Ecole.
Nous tenons aussi à adresser nos gratitudes et profondes reconnaissances à :
Monsieur RAKOTOMALALA Mamy Alain, Maitre de Conférence et Responsable de la
Mention Télécommunication à l’Ecole Supérieur Polytechnique d’Antananarivo.
Mes vifs remerciements à Monsieur BOTO ANDRIANANDRASANA Jean Espérant, Assistant
d’Enseignement et de Recherche à l’ESPA, qui nous a encadrés durant la réalisation de ce travail
malgré ses multiples et importantes occupations. Je le remercie très sincèrement pour la qualité
de ses conseils, sa disponibilité sa patience et son aide tout au long de ce mémoire.
Je tiens aussi à remercier Monsieur RATSIHOARANA Constant, Maitre de Conférences, qui
nous a fait l’honneur de présider les membres du Jury de ce mémoire.
Je remercie également les membres de jury ici présents qui ont bien voulu juger la valeur de ce
travail :
- Mme. RAMAFIARISONA HajasoaMalalatiana, Maître de Conférences,
- M. ANDRIAMIASY Zidora, Maître de Conférences,
- M.RASAMOELINA Jacques Nirina, Assistant d’Enseignement et de Recherche.
Tout le corps professoral de l’ESPA qui nous a donné les formations nécessaires pour
l’aboutissement de ce travail.
Nous ne saurions oublier notre famille et nos amis pour leur soutien moral et financier, ainsi qu’à
toutes les personnes qui ont collaboré de près ou de loin avec nous le long de ce mémoire.
ii
Table des matières INTRODUCTION GENERALE ..................................................................................................... 1
CHAPITRE 1 GENERALITE SUR LES RESEAUX SANS FIL .................................................. 2
1.1 Introduction ........................................................................................................................... 2
1.2 Définition des réseaux sans fil .............................................................................................. 2
1.3 Les technologies sans fil ....................................................................................................... 2
1.3.2 Présentation des réseaux personnels sans fil (WPAN) ................................................... 3
1.3.3 Présentation des réseaux locaux sans fil (WLAN) ......................................................... 5
1.3.4 Présentation des réseaux métropolitains sans fil (WMAN) ........................................... 6
1.3.5 Présentation des réseaux étendus sans fil (WMAN) ...................................................... 6
1.3.6 UMTS (Universal Mobile Télécommunication System) ............................................. 10
1.4 Avantages et inconvénients des réseaux sans fil ................................................................. 11
1.5 Conclusion ........................................................................................................................... 12
CHAPITRE 2 ETUDE TECHNIQUE DE LA TECHNOLOGIE WIMAX ................................ 14
2.1 Introduction ......................................................................................................................... 14
2.2 Historique de Wi-max ......................................................................................................... 14
2.2.1 Naissance de Wi-max ................................................................................................... 14
2.2.2 Contribution de Wi-max ............................................................................................... 14
2.3 Types de WIMAX ............................................................................................................... 15
2.3.1 WIMAX fixe ................................................................................................................ 15
2.3.2 WIMAX mobile ........................................................................................................... 16
2.4 Architecture du réseau Wi-max ........................................................................................... 16
2.4.2 Le sous-système radio : Accès service network (ASN) ............................................... 17
2.4.3 Le CSN : Connectivity Service Network ..................................................................... 17
2.5 Architecture en couche ........................................................................................................ 18
2.5.2 La couche MAC ........................................................................................................... 18
iii
2.5.3 La couche physique ...................................................................................................... 19
2.6 Les techniques de multiplexage .......................................................................................... 20
2.6.1 Le multiplexage par répartition orthogonal de fréquence ............................................ 20
2.6.2 Les avantages de l’OFDM ............................................................................................ 22
2.6.3 Les inconvénients de l’OFDM : ................................................................................... 23
2.7 MIMO : Multiple Imput Multipe Output ............................................................................ 25
2.7.2 Modulation adaptive ..................................................................................................... 26
2.8 Techniques de duplexage .................................................................................................... 27
2.9 Gestion de la mobilité ......................................................................................................... 29
2.9.1 Gestion de la puissance ................................................................................................ 29
2.9.2 Procédure handover ...................................................................................................... 29
2.9.3 Handover << break before make >> ............................................................................ 31
2.9.4 Modes optionnels de handover : << MDHO>> ou <<FBSS>> ................................... 31
2.9.5 Décision et début de MDHO/FBSS ............................................................................. 32
2.10 Conclusion ......................................................................................................................... 34
CHAPITRE 3 ETUDE THEORIQUE DE LA DIMENTIONEMENT D’UN RESEAU WIMAX
....................................................................................................................................................... 35
3.1 Introduction ......................................................................................................................... 35
3.2 Dimensionnement d’un réseau WIMAX ............................................................................. 35
3.2.1 Processus de dimensionnement du réseau WIMAX .................................................... 35
3.2.2 Choix de la bande de fréquence ................................................................................... 35
3.3 Modèles de propagation ...................................................................................................... 36
3.3.1 Rôles des modèles de propagation ............................................................................... 36
3.3.2 Types de modèles de propagation ................................................................................ 36
3.4 Bilan de liaison .................................................................................................................... 39
3.4.2 Puissance émise ............................................................................................................ 40
iv
3.4.3 Sensibilité de reception ................................................................................................ 41
3.5 Dimensionnement suivant la portée ou la couverture ......................................................... 42
3.5.1 Détermination de la portée d’une cellule ..................................................................... 42
3.5.2 Dimensionnement suivant la capacité .......................................................................... 42
3.5.3 Détermination du trafic par abonne .............................................................................. 43
3.5.4 Détermination du trafic agrégé pour une zone donnée ................................................ 44
3.5.5 Détermination de la capacité moyenne par secteur ...................................................... 44
3.6 Debit-portée ......................................................................................................................... 45
3.7 Conclusion ........................................................................................................................... 45
CHAPITRE 4 RESULTAT DE LA PLANIFICATION SOUS LOGICIEL ATOLL .................. 46
4.1 Introduction ......................................................................................................................... 46
4.2 Présentation de ATOLL ...................................................................................................... 46
4.3 Prise en main et utilisation de ATOLL ............................................................................... 46
4.3.1 Présentation de l’interface de travaille ATOLL ........................................................... 47
4.3.2 Les démarches à suivre ................................................................................................ 48
4.3.3 Cas de planification de ampitatafika ............................................................................ 48
4.4 Conclusion ........................................................................................................................... 55
CONCLUSION GENERAL……………………………………………………………………..61
ANNEXE 1 SPECIFICITE DES DIFFERENTES NORMES IEEE 802.16X…………………. 62
ANNEXE 2 COMPARAISONS WIMAX ET WIFI…………………………………………….63
ANNEXE 3 COMPARAISONS WIMAX ET LTE…..…………………………………………64
v
NOTATIONS ET ABREVIATIONS
1. Minuscule latine
d Distance entre émetteur et récepteur
d0 Distance entre émetteur et récepteur
dB decibel
f fréquence (en MHz)
hb hauteur de la station de base
hm hauteur du CPE
2. Majuscule latines
W Bande passante du système (MHz)
Rx La sensibilité du récepteur
PL Path loss
C terme constant
A terme correctif
3. Minuscules Grecque
ϒ Coefficient de perte
𝜆 Longueur d’onde
4. Abreviation
3G :Troisième génération
BG:Border Gateway
BSS:Base Sub-System
BTS :BaseTranscever Station
CCI:Carrier to Carrier Interference
CN:Core Network
CS:Circuit Switched domain
FBSS:Fast BS Switching
FDD:Frequency Division Duplexing
FUSC:Full Usage of Subchannels
GGSN: Gateway GPRS Supporte Node
GPRS:General packet Radio Service
vi
GSM:Groupe Special Mobile
IEEE:Institute of Electrical and Electronic Engineers
IFFT:Transformée de Fourier Inverse
IPSec:Internet Protocol Security
MDHO :MacroDiversityHandover
MIMO:MultipleImputMultipe Output
MS :Mobile Station
NSS:Network Sub-System
OFDM:Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
OFDMA:Orthofonal Frequency Division Multiple Access
OSS:Operationsub-system
OSS:Operation sub-system
PCU:Packet Control Unit
PDA :Personnel Digital Assistant
PDA:Perconal Digital Assistant
PIRE :puissance émise
PS:PacketSwithed domain
PSTN:Public Switched Telephone Network
PUSC:Partial Usage of Subchannels
QoS :Quality of service
RNC:Radio Network Controler
RNIS : Réseau Numérique à Intégration de Services
RNS:Radio Network Subsystem
RNS:Radio Network Subsystem
SC:Single Carrier
SGSN:Serving GPRS Support Node
SNR : Rapport signal sur bruit
SS :Subscriber Station
TDM:Time Division Multiplexing
UE:UserEquipement
UMTS:Universal Mobile Telecommunication System
vii
USIM:Universel Subscriber Identity Module
UTRAN:UniverselTerestrial Radio Access Network
WIFI:Wirelless Fidelity at Network
WLAN: Wireless Local Area Network
WMAN:WirelessMetropolitain Area Network
WPAN:Wireless Personal Area Network
WWAN :Wireless Wide Area Network
1
INTRODUCTION GENERALE
Aujourd’hui, l’évolution des réseaux sans fils et des technologies à large bande a captée
l’imagination et l’invention des industriels dans le monde entier.
Parmi les différentes technologies le WIMAX, qui est basé sur les standards IEEE 802.16x.
Cette technologie est caractérisée par les transmissions de données à haut débit par voie
hertzienne. En outre, ces caractéristiques vont aider les opérateurs de télécommunications à
l’amélioration de QoS.
La planification est une phase très importante pour le déploiement des réseaux. En effet, elle sert
à prévoir les ressources nécessaires (équipement, fréquence, bande passante, ……) pour servir
un ensemble des abonnés.
Ce mémoire comporte 4 chapitres. On va l’entamer par « La généralité sur les réseaux sans fil »
en suite, deuxième chapitre « l’étude technique de la technologie WIMAX » et pour letroisième
chapitre « dimensionnement d’un réseau WIMAX »et en fin le dernier chapitre « Le résultat de
la planification sous le logiciel ATOLL »
2
CHAPITRE 1 GENERALITE SUR LES RESEAUX SANS FIL
1.1 Introduction
Les réseaux sans-fil connaissent actuellement un succès très important dont leur nombre croît
très rapidement au sein des entreprises et du grand public. Ils offrent en effet une flexibilité
largement supérieure aux réseaux filaires, en s’affranchissant notamment des problèmes de
câblage et de mobilité des équipements. Il existe plusieurs familles de réseaux sans fil, chacune
étant développée par des organismes différents et donc incompatibles entre elles.
1.2 Définition des réseaux sans fil
Un réseau sans fil (en anglais Wireless network) est un réseau dans le quel au moins deux
terminal peuvent communiquer sans liaison filaire. Grace aux réseaux sans fil, un utilisateur a la
possibilité de rester connecté tout en se déplaçant dans un périmètre géographique plus ou moins
étendu, c’est la raison pour laquelle on entend parfois parler de ‘’mobilité’’. [1]
Les réseaux sans fil sont basés sur une liaison utilisant des ondes radioélectriques (radio et
infrarouges).Il existe plusieurs technologies se distinguant d’une part par la fréquence d’émission
utilisée, ainsi que le débit et la portée des transmissions.
Les réseaux sans fil permettent de relier très facilement des instants d’équipements d’une
dizaine de mètres à quelques kilomètres. De plus l’installation de tels réseaux ne demande pas
de lourds aménagements des infrastructures existantes comme c’est le cas avec les réseaux
filaires(Creusage pour l’acheminement des câbles, équipements des bâtiments en câblage, et
connecteurs), ce qui a valu un développement rapide de ce type de technologies.Ils sont en pleine
expansion du fait de la flexibilité de leur interface.
1.3 Les technologies sans fil
Les technologies dites « sans fil », la norme 802.16 en particulier, facilitent et réduisent le coût
de connexion pour les réseaux de grande taille. Pas besoin de plusieurs matériels et
d’organisation complexe, on peut avoir de grandes quantités d’informationsqui peuvent
maintenant circuler sur plusieurs centaines de mètres, sans avoir recours à une compagnie de
téléphone ou de câblage. Ces technologies peuvent être classées en quatre parties :
Les réseaux personnels sans fil : WPAN (Wireless Personal Area Network)
Les réseaux locaux sans fil : WLAN (Wireless Local Area-Network)
3
Les réseaux métropolitains sans fil : WMAN (Wireless Metropitan Area Network)
Les larges réseaux sans fil : WWAN (Wireless Wide Area Network) [2 ]
Figure 1.01 : Les différentes technologies sans fil
1.3.2 Présentation des réseaux personnels sans fil (WPAN)
Le réseau personnel sans fil (appelé également réseau individuel sans fil ou réseau domestique
sans fil et noté WPAN) concerne les réseaux sans fil d’une faible portée de l’ordre de quelques
dizaines de mètres. Ce type de réseau sert généralement à relier des périphériques (imprimante,
téléphone portable, appareils, ou un assistant personnel (PDA : Personnel Digital Assistant
personnel) à un ordinateur sans liaison filaire ou bien de permettre la liaison sans fil entre deux
machines très peu distantes. La figure 1.02 représente un exemple de réseau personnel sans fil.)
[3]
4
Figure 1.02 : Exemple d’un réseau personnel sans fil
Il existe plusieurs technologies utilisées pour les WPAN
1.3.2.2 Le Bluetooth
Lancé en 1994 par Ericsson, son débit théorique est de 1Mbits/s pour une portée maximale
d’environ 30 mètres. L’avantage est que cette technologie est peu gourmande en énergie, c’est
pourquoi elle est adaptée pour les petits périphériques comme le téléphone portable ou encore
une souris.
1.3.2.3 Le HomeRF
Lancé en 1998, n’a pas su conquérir les utilisateurs malgré le soutien d’Intel. Cette solution a été
abandonnée en 2003. Sa vitesse était d’environ 10Mbits/s avec une portée avoisinant les 100
mètres
1.3.2.4 La technologie ZigBee
Solution très récente.il s’agit d’une variante du Bluetooth qui permet d’obtenir des liaisons sans
fil à très bas prix et avec une consommation d’énergie très faible. L’avenir de cette solution est
garanti. La technologie sans fil s’est toujours heurtée au fait que les appareils sans fil sont
extrêmement consommateurs d’électricité.
C’est pour cela que IEEE(Institute of Electrical and ElectronicEngineers) a développée ZigBee.
Ce dernier permet la communication machine à machine, avec une très faible consommation
électrique et des coûts très bas. Des constructeurs comme Motorola ou Philips le soutiennent
déjà. Sa vitesse maximum est de Kbits/s. contrairement au Wifi ou LAN, ZigBee n’a pas besoin
d’un système centralisé pour coordonner le flux de messages
5
1.3.2.5 Les liaisons infrarouges
Elles sont omniprésentes dans la maison. Par exemple, on peut citer les télécommandes. Cette
solution est très simple et pas cher. Par contre, elles sont très sensibles au positionnement des
appareils (ils doivent être en face l’un de l’autre) et aux perturbations lumineuses. La liaison
fonctionne sur quelques mètres pour une vitesse de quelques Mégabits par secondes.
1.3.3 Présentation des réseaux locaux sans fil (WLAN)
Le LAN sans fil (WLAN) est un système de transmission des données conçu pour assurer une
liaison indépendante de l’emplacement des périphériques informatiques qui composent le réseau
et utilisant les ondes radios plutôt qu’une infrastructure câblée. Il permet de relier entre eux les
terminaux présents dans la zone de couverture. Ce qui est très intéressant c’est sa vitesse de
transfert. Il existe différentes technologies utilisées pour les WLAN :
1.3.3.1 Le WIFI
WIFI est un ensemble de protocoles de communication sans fil régis par les normes du groupe
IEEE 802.11. Grâce aux normes WIFI, il est possible de créer des réseaux locaux sans fil à haut
débit. Dans la pratique, le WIFI permet de relier des ordinateurs portables, des machines de
bureau, des assistants personnels (PDA : Perconal Digital Assistant.), des objets communicants
ou même des périphériques à une liaison haut débit (de 11 Mbits/s théoriques ou 6 Mbits/s réels
en 802.11b a 54 Mbits/sthéoriques ou environ 25Mbits/s réels en 802.11a ou 802.11g sur un
rayon de plusieurs dizaines de mètres en intérieur généralement entre une vingtaine et une
cinquantaine de mètres)
1.3.3.2 Le hyper LAN2
Hiperlan est une norme Européenne. A la base, elle offre un débit de 20Mbits/s, mais la version
Hiperlan2 permet d’atteindre 54 Mbits/s sur un rayon d’action identique à celui du Wifi. Cette
solution exploite la gamme de fréquence de 5GHz alors que le Wifi utilise la fréquence 2.4Ghz.
Cela autorise aujourd’hui son exploitation pour un usage local, sous certaines conditions qui
notamment concernent la puissance des émetteurs.
6
1.3.4 Présentation des réseaux métropolitains sans fil (WMAN)
Le réseau métropolitain sans fil WMAN est connu sous le nom de Boucle Locale Radio (BLR).
Les WMAN sont basés sur la norme IEEE 802.16. La norme 802.16 est généralement appelée
WIMAX. Il permet des débits de l’ordre de 70Mbits/s avec une portée de l’ordre de 50 Km. La
figure 1.3 représente l’architecture de réseau métropolitain sans fil
Figure 1.03 : Architecture du réseau métropolitain sans fil
1.3.5 Présentation des réseaux étendus sans fil (WWAN)
Le réseau étendu sans fil WWAN est également connu sous le nom de réseau cellulaire mobile.
Il s’agit des réseaux sans fil les plus répandus puisque tous les téléphones mobiles sont
connectésà un réseau étendu sans fil. Les principales technologies sont les suivantes :
GSM (Global System for Mobile Communication).
GPRS (General packet Radio Service).
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System).
Nous allons expliquer brièvement les 3 technologies :
7
1.3.5.1 GSM (Global System for Mobile communication)
Le GSM est un système de radiotéléphonie cellulaire numérique, qui offre à ses abonnés des
services qui permettent la communication de station mobile de bout en bout à travers le réseau.
La téléphonie est le service le plus important des services offerts. Ce réseau permet la
communication entre deux postes mobiles ou entre un poste mobile et un poste fixe. Les autres
services proposés sont la transmission de données et la transmission des messages
alphanumériques courts. La figure 1.4 représente l’architecture du réseau GSM
Figure 1.04 : Architecture d’un réseau GSM
BSS(Base Sub-System) : sous-système radio, sa fonction principale est la gestion de l’attribution
des ressources radio, indépendamment des abonnés, de leur identité ou de leur communication.
NSS (Network Sub-System) : le sous-système d’acheminement, il assure principalement les
fonctions de communication et de routage. C’est donc lui qui permet l’accès au réseau public
RTCP (Réseau Téléphonique Commuté Public) ou RNIS (Réseau Numérique à Intégration de
Services). En plus des fonctions indispensables de commutation, on y retrouve la fonction de
gestion de la mobilité, de la sécurité et de la confidentialité qui sont implantées dans la norme
GSM,
8
OSS(Operationsub-system) : le sous-système d’exploitation et maintenance, il assure la gestion et la
supervision du réseau.[4]
1.3.5.2 GPRS (General Packet Radio Service)
Le GPRS est une norme pour la téléphonie mobile dérivé du GSM permettant un débit de
données plus élevé. On le qualifie souvent de 2.5G. Le G est l’abréviation de génération et le 2.5
indique que c’est une technologie à mi-chemin entre le GSM (2eme génération) et l’UMTS (3 eme
génération).
Le GPRS est une extension du protocole GSM : il ajoute par rapport à ce dernier la transmission
par paquets. Cette méthode est plus adaptée à la transmission des données. En effet, les
ressources ne sont allouées que lorsque des données sont échangées, contrairement au
mode « circuit » en GSM ou un circuit est établi- et les ressources associées- pour toute la durée
de la communication.
Le GPRS permet de fournir une connectivité IP constamment disponible à une station
mobile(MS) mais les ressources radio sont allouées uniquement quand des données doivent être
transférées, ce qui permet une économie de la ressource radio. Les utilisateurs ont donc un accès
bon marché, et les opérateurs économisent la ressource radio. De plus, aucun délai de
numérotation n’est nécessaire. Avant le GPRS, l’accès à un réseau se faisait par commutation de
circuits, c’est-à-dire que le canal radio était réservé en continu à la connexion (qu’il y ait des
données à transmettre ou pas). La connexion suit le chemin suivant : MS—BTS—BSC—MSC—
Réseau [5]
9
Figure 1.05 : Architecture du réseau GPRS
PCU : Pour déployer le GPRS dans les réseaux d’accès, on réutilise les infrastructures et les
systèmes existants. Il faut leur rajouter une entité responsable du partage des ressources et de la
retransmission des données erronées, c’est l’unité de contrôle de paquets (PCU : Packet Control
Unit) par une mise à jour matérielle et logicielle dans les BSC
Le SGSN (Serving GPRS Support Node) est une passerelle permettant l’acheminement des
données dans les réseaux mobiles GPRS. Il gère l’interface avec le réseau de paquets externe via
une autre passerelle.
Le GGSN (Gateway GPRS Supporte Node) est une passerelle d’interconnexion entre le réseau
paquet mobile (GPRS ou UMTS) et les réseaux IP externes. Les GGSN transmettent le trafic au
SGSN actif pour la station Mobile (MS) associée à l’adresse du protocole (l’adresse IP par
exemple)
Une BG (Border Gateway) est une fonction qui se termine parl’interface Gp à un PLMN (Public
Land Mobile Network). Cette fonction est généralement un routeur de bordure utilisé
poursoutenir le BGP (Border Gateway Protocol) et les protocoles de sécurité tels qu’IPSec
(Internet Protocol Security).
10
1.3.6 UMTS (Universal Mobile Télécommunication System)
Une technologie de téléphonie mobile, dite de troisième génération, qui succède, en Europe, à la
norme GSM. Exploitant une bande de fréquence plus large et utilisant un protocole de transfert
des données par « paquets »hérite des réseaux informatiques, elle propose un débit bien supérieur
à celui de son aînée puisqu’il atteint 384 Kbit/s dans sa première version qui est sorti du fin
novembre 2004. Une seconde technologie attendue pour 2006 pourrait même pousser jusqu’à
2 Mbit/s à la clé, la possibilité d’utiliser sur son téléphone mobile de nombreux services
multimédias tels qu’Internet, la visiophonie, la télévision, le téléchargement et l’utilisation de
jeux vidéo,………
La technologie UMTS permet de fournir aux utilisateurs une meilleure qualité de service quant
aux télécommunications, notamment en ce qui concerne les services offerts (possibilités) et les
vitesses de transferts
Le réseau UMTS repose sur une architecture flexible et modulaire. Cette architecture n’est
associée ni à une technique d’accès radio, ni à un ensemble de services, ce qui assure sa
compatibilité avec d’autres réseaux mobiles et garantit son évolution. Une telle architecture,
illustrée à la figure 1.6, est composée de trois « domaines »:
Le domaine de l’équipement de l’usager UE (User Equipement)
Le réseau d’accès radio « universel » UTRAN (Universel Terestrial Radio Access
Network)
Le réseau cœur CN (Core Network)
Figure 1.06 : Architecture générale de l’UMTS
11
Chaque domaine réalise une fonction bien précise dans le réseau, tandis que les points d’échange
notés par Uu et Iu, Iub servent d’interfaces permettant les échanges entre les différentes parties
du réseau.
Le domaine de l’équipement utilisateur (UE) comprend l’ensemble des équipements terminaux.
Il comprend à la fois l’équipement terminal et l’USIM (Universel SubscriberIdentity Module).
Ce domaine permet à l’utilisateur d’accéder à l’infrastructure par l’intermédiaire de l’interface
Uu.
L’UTRAN assure le transport des flux entre le terminal mobile et le réseau cœur. Il fournit à
l’UE les ressources radio et les mécanismes nécessaires pour accéder au réseau. Ils assurent
également l’établissement et la libération des connexions radio, l’UTRAN se compose de sous-
systèmes dite RNS (Radio Network Subsystem) reliés au réseau cœur par l’interface Iu.
Chaque RNS contient un RNC (Radio Network Controler) et un ou plusieurs node B.
Le reseau cœur (Core Network) assure la connexion entre les différents réseaux d’accès et entre
le réseau UMTS et les autres réseaux comme le réseau téléphonique PSTN (Public
SwitchedTelephone Network), le réseau GSM, le réseau RNIS ou en anglais ISDN (Integrated
Services Digital Netwok), 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 Switcheddomain) et le domaine à commutation de paquets
PS (PacketSwitheddomain)
1.4 Avantages et inconvénients des réseaux sans fil
La majorité des réseaux sans fil disposent des mêmes avantages, à savoir la mobilité, une facilité
et une rapidité d’installation et d’utilisation.
Mobilité : c’est évidemment le principal avantage qu’offre un WMAN, contrairement au
réseau fixe, un utilisateur peut accéder à des informations partagées ou se connecter à
Internet sans avoir être relié physiquement au réseau.
Simplicité d’installation : l’installation d’un WMAN est relativement simple et rapide,
puisqu’on élimine le besoin de tirer des câbles dans les murs
Topologie : la topologie d’un réseau sans fil est particulièrement flexible, puisqu’elle
peut être modifiée rapidement. Cette topologie n’est pas statique, comme des réseaux
12
locaux filaires, mais dynamiques. Elle s’édifie dans le temps en fonction du nombre
d’utilisateurs qui se connectent et se déconnectent
Coût : l’investissement matériel initial est certes plus élevé que pour un réseau filaire,
mais, à moyen terme, ces couts se réduisent. Par ailleurs, les couts d’installation et de
maintenance sont presque nuls, puisqu’il n’y a pas des câbles à poser et que les
modifications de la topologie du réseau n’entrainent pas de dépenses supplémentaires.
Problèmes liés aux ondes radio (taux d’erreur plus important)
Interférences (provenant d’autres réseaux)
Effets multi-trajets comme il est indiqué dans la figure 1.7
Figure 1.07 : Effets multi-trajets des ondes radio
Effets sur la santé
La sécurité
Typiquement très peu de bande passante (comparer aux réseaux filaires) [6]
1.5 Conclusion
En conclusion, les réseaux sans fil, en particulierle WIMAX sont des technologies intéressantes
et très utilisés dans divers domaines comme l’industrie, la santé et le domaine militaire. Cette
diversification d’utilisation revient aux différents avantages qu’apportent ces technologies,
comme la mobilité, la simplicité d’installation (absence de câblage) c’est à dire dans un réseau
sans fil, les stations ne sont plus reliées entre elles physiquement par un câble mais par
l’intermédiaire d’un support sans fil, la disponibilité (aussi bien commerciale que dans les
expériences). Mais la sécurité dans ce domaine reste un sujet très délicat, car depuis l’utilisation
de ce type de réseaux, plusieurs failles ont été détectées. Finalement, les réseaux sans fil ne
13
visent toutefois pas à remplacer les réseaux filairesmais apportent de nombreux avantages
découlant d’un nouveau service : la mobilité de l’utilisateur
14
CHAPITRE 2 ETUDE TECHNIQUE DE LA TECHNOLOGIE WIMAX
2.1 Introduction
WIMAX est une solution hertzienne pour des réseaux MAN (Metropolitan Area Network) le
WIMAX a pour objectif de fournir un accès internet haut débit dans un rayon de plusieurs
Kilomètres est donc destiné principalement aux réseaux métropolitains. En effet, la portée
prévue des ondes est d’environ 50 à 70 km. Néanmoins, cette portée reste théorique et la portée
réelle devrait se situer aux alentours de 2 à 10 km. Toutefois, c’est déjà largement suffisant pour
proposer une connectivité à l’échelle d’une ville.
2.2 Historique de Wi-max
2.2.1 Naissance de Wi-max
Le Wi-max forum est le nom d’un consortium crée en 2001, notamment par Intel et Alvarion ce
consortium a pour but de permettre la convergence et l’interopérabilité entre les différents
standards de réseaux sans fils : HiperMan qui était proposé en Europe par l’ETSI
(EuropeanTelecommunication Standards Institute) et le standard développé par l’IEEE (Institute
of Electrical and Electronics Engeneer) et dénommé IEE-802.16. Aujourd’hui, le Wi-max forum
rassemble plus de 300 fournisseurs et opérateurs de télécommunication dont des entreprises bien
connues comme AT&T Wireless, Intel, Alcatel, Motorola, Nokia, Siemens, France Telecom,…
Voici un bref aperçu des normes actuelles et des normes obsolètes. La première norme a été
élaborée en 2001 (802.16). Elle définissait des réseaux métropolitains sans fils 10 à 66 GHz dans
les bandes de fréquences. Deux années plus tard, la norme 802.16a, complétait la norme 802.16
pour les fréquences inferieures à 10 GHz.
Ces deux normes ont été ensuite regroupées sous le standard 802.16d, la norme actuelle, et sont
donc devenues obsolètes.
Récemment, on a vu apparaitre de nouveaux standards comme le 802.16e définissant les
possibilités d’utilisation de la technologie pour des applications mobiles. Ce standard utilise des
fréquences de 2 à 6 GHz. On peut également citer le 802.16f qui concerne les réseaux. [7]
2.2.2 Contribution de Wi-max
L’objectif du Wi-max est de fournir une connexion Internet à haut débit sur une zone de
couverture de plusieurs Kilomètres. Le standard WIMAX possède l’avantage de permettre une
15
connexion sans fil entre une station de base et des millions d’abonnés sans nécessiter de ligne
visuelle directe (LOS : Line Of Sight ou NLOS : Non Line Of Sight). Dans la réalité le
WIMAX ne permet de franchir que de petits obstacles tels que des arbres ou une maison mais ne
peut en aucun cas traverser les collines ou les immeubles. Le débit réel lors de la présence
d’obstacle ne pourra ainsi excéder 20Mbit/s.
Les premiers déploiements deWIMAX devraient permettre à des zones isolées, mal desservies
par le DSL ou le câble ou souhaitant tirer profit d’une connexion sans fil, de disposer d’un accès
Internet large bande.
Le débit et la portée présentent les atouts du WIMAX, il fonctionne à 70 Mbit/s au maximum
théoriquement dans des conditions extrêmement favorable, 12 Mbit/s pratiquement et peut
couvrir des zones de rayon allant jusqu’à 50Km[8]
2.3 Types de WIMAX
2.3.1 WIMAX fixe
Le standard IEEE 802.16-2004 est prévu à un usage fixe, c’est-à-dire un usage via une antenne
fixée sur le toit par exemple, semblable aux antennes TV. Le WIMAX opère dans les bandes de
fréquence 2.5 GHz et 3.5 GHz, pour lesquelles une licence d’exploitation est nécessaire, ainsi
que la bande libre des 5.8GHz. Le débit théorique est de 75Mbits par seconde sur une portée de
10Km. Le tableau 2.01 résume les principales propriétés du standard IEEE 802.16d
Tableau 2.01: Paramètres technique d’IEEE 802.16d [9]
16
2.3.2 WIMAX mobile
C’est le standard IEEE 802.16e. il prévoit la possibilité de connecter des clients mobiles au
réseau internet. On peut ainsi imaginer à terme la possibilité pour les téléphones mobiles de se
connecter à ce réseau haut débit. Le débit théorique est plus faible que le WIMAX fixe mais
permettra néanmoins d’atteindre 30Mbits par seconde sur une distance de plus de 3Km
Figure 2.01 : Exemple des réseaux WIMAX avec les deux variantes fixe et mobile
La figure 2.01 illustre un exemple d’un réseau WIMAX avec ses deux variantes, à savoir fixe et
mobile. Tel que le montre la figure, ce réseau se compose principalement d’une station de base,
qui joue les rôles d’un nœud émetteur, et des stations réceptrices qui jouent les rôles de clients
WIMAX. [10]
2.4 Architecture du réseau Wi-max
L’architecture de la technologie WIMAX se compose de stations de base (BS : Base Station), et
des stations d’abonnés (SS : Subscriber Station). La station de base joue les rôles d’une antenne
centrale chargée de communiquer et de desservir les stations mobiles qui servent les clients
utilisant le WIFI ou l’ADSL.
La figure suivante montre l’architecture générale du réseau WIMAX
17
Figure 2.02 : Architecture d’un réseau WIMAX
L’architecture d’un réseau se compose essentiellement d’une station de base, qui joue les rôles
d’un nœud émetteur, et de la station réceptrice qui jouent les rôles des clients WIMAX. Nous
allons ultérieurement présenter le principe de fonctionnement d’un tel type de réseau.
Au départ dans la version 8012.16a et 802.16d il s’agissait de liaison point à multipoints qui
offrent la possibilité de se déplacer dans un secteur donné. Des extensions sont étudiées en
particulier à partir de la naissance de 802.16e pour permettre de se déplacer entre secteurs ou
entre station de base. Ceci correspond à des applications nomades (on est mobile, même lors de
la transmission de données)
2.4.2 Le sous-système radio : Accès service network (ASN)
C’est le réseau d’accès radio du WIMAX, il regroupe un ou plusieurs passerelles et des stations
de base BS. L’ASN assure la couverture radio et la gestion des fonctionnalités d’accès MAC, la
gestion des ressources radio (RRM Radio Ressource Management) et la mobilité entre les BS
(pour la norme 802.16e). Les passerelles ASN-GW assurent l’interconnexion avec le CSN.
2.4.3 Le CSN : Connectivity Service Network
C’est un ensemble de fonctionnalités assurant la connectivité IP aux stations d’abonnes
WIMAX. Le CSN regroupe des passerelles pour l’accès Internet, des routeurs, des serveurs et
18
des <<proxy>> de sécurité ainsi que des bases de données. Il permet également le contrôle
d’admission et gère la mobilité inter-ASNs (pour la norme 802.16e.
2.5 Architecture en couche
La figure2.13 représente l’architecture en couches de la norme IEEE 802.16. Elle est constituée
de deux couches : la couche physique (PHY) et la couche MAC (Media Access Control).
Figure 2.03 : Couches protocolaires d’IEEE 802.16 [13]
2.5.2 La couche MAC
La couche MAC prend en charge le transport des cellules ATM (Asynchronous Transfer Mode)
mais aussi celui des paquets IP et joue un rôle important dans la gestion de la qualité de service
(QoS). Elle est composée principalement de trois sous-couches :
-La sous-couche de convergence spécifique (Service Specific Convergence Sublayer : SSCS)
-La sous-couche commune (MAC Common Part Sublayer : CPS)
19
-La sous-couche sécurité (PrivacySublayer : PS)
La sous-couche SSCS
La SSCS fournit toute transformation de toutes les données externes du réseau, reçues par
la CPS. Pour le raccordement de réseaux externes, la SSCS fournit 2 sous couches de
convergence (CS : Convergence Sublayer).
Pour les réseaux ATM : il s’agit d’une interface qui associe les différents services
ATM avec la couche MAC CPS.
Pour les réseaux à base de paquet : il est utilisé pour le mappage de tout protocole
à base de paquet, tels que Ethernet, et les protocoles Internet tels que IPv4,
IPv6….
En plus de ces fonctions basiques, les sous couches de convergence peuvent aussi
mettre en œuvre des fonctions plus sophistiquées, telles que l’administration de la
charge utile via la suppression des entêtes, puis leurs reconstructions pour
améliorer l’efficacité du lien hertzien.
La sous-couche CPS
Cette sous-couche forme le noyau de la couche MAC, étant donné qu’elle contient les
fonctions clés relatives au contrôle du lien radio. La CPS fournit les règles et les
mécanismes d’accès, l’allocation de la bande passante, l’établissement et la maintenance
des connexions. Elle reçoit les données des sous-couches de convergence. En outre, c’est
la sous couche CPS qui gère les mécanismes de qualité de service (QoS).
La sous-couche PS
La PS est le lien qui réunit la couche MAC à la couche physique (PHY). Elle fournit la
sécurité à travers le réseau sans fil à large bande en cryptant la connexion entre la station
de base et l’abonné au service. De plus, la couche PS est utilisée pour l’authentification et
l’échange de clefs de sécurité.
2.5.3 La couche physique
La couche physique pour la spécification 11-66GHz se base sur une propagation « en ligne de
vue »(LOS) c’est-à-dire les stations qui communiquent ensemble sont visible l’une de l’autre
directement sans obstacles. Pour la spécification 2-11GHz, la couche physique a été
implémentée pour répondre au cas où les stations communiquent « en non ligne de vue
»(NLOS), dans le cas des environnements urbains avec la présence d’obstacles entre deux
20
stations. Pour répondre à ces spécifications, trois types d’interfaces de transmission ont été
définies :
SC (Single Carrier) : elle définit une transmission sur un seul canal de fréquence.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) : cette interface utilise plusieurs
bandes de fréquence qu’elle divise en plusieurs porteuses pour la transmission d’un
signal. Chaque bande est utilisée à des fins différentes.
OFDMA (OrthofonalFrequency Division Multiple Access) : similaire à l’OFDM, cette
interface offre un plus grand nombre de porteuses du fait du multiplexage effectuée sur la
fréquence. Dans ce qui suit, nous allons aborder les différentes techniques du
multiplexage et duplexage qui peuvent être mises en œuvre au niveau de la couche
physique de la norme 802.16.[14]
2.6 Les techniques de multiplexage
2.6.1 Le multiplexage par répartition orthogonal de fréquence
La norme 802.16-2004 utilise le multiplexage par repartions orthogonale de la fréquence
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ou OFDM). C’est une technique de modulation
multi-porteuses à base de transformée de Fourier rapide. Autrement dit, cette modulation
emploie beaucoup de sous porteuses orthogonales.
Figure 2.04 : Le multiplexage par répartition orthogonale de fréquence.
21
D’un point de vue implémentation numérique (figure 2.04), les systèmes OFDM transmettent les
données par blocs. Le flux original de données de débit R est multiplexé en N flux parallèles de
débit R/N. il s’agit bien d’un multiplexage fréquentiel puisque les données sont transmises avec
N canaux différents. Afin d’effectuer cette transmission, au lieu de transmettre les données en
série comme le font les systèmes mono-porteuses (Single Carrier), la technique OFDM consiste
à transmettre les données par bloc, ou un vecteur de N symboles de données est transporté par un
seul symbole OFDM
Figure 2.05 : Transmission des données par bloc dans l’OFDM
Grace à la séparation orthogonale des porteuses, il est plus facile à la réception de faire
l’égalisation des sous-porteuses chacune à part, au lieu de faire l’égalisation d’un signal à une
porteuses unique.
Figure 2.06 : Différence entre les signaux SC et OFDM reçus
22
Le WMAN-OFDM utilise l’OFDM à 256 porteuses. Les symboles sortant de la constellation
attaquent l’IFFT (Transformée de Fourier Inverse) et le premier symbole qui sort de la
modulation numérique doit être porté par la sous porteuse de données ayant le plus petit indice
d’offset.
Chaque sous porteuse est référenciée par un indice d’offset indiquant sa position dans le symbole
(entre -128 et +127). Nous distinguons 3 types de sous porteuses :
Sous porteuses de données (192 sous porteuses)
Sous porteuses pilotes : pour des buts d’estimation (8 sous porteuses).
Sous porteuses nulles : (56 sous porteuses) pas de transmission, pour les bandes de garde (55
sous porteuses), et la sous porteuses DC.
Figure 2.07 : Composants fréquentiels (ou sous porteuses) du symbole OFDM-256
Alors il y en a, en tout, 256 sous porteuses. Le DC est la fréquence du signal portant le symbole
OFDM, d’indice d’offset égale à 0. Les sous porteuses de la bande de garde sont des porteuses
nulles insérées aux 2 côtes du symbole OFDM, pour lutter contre le phénomène CCI (Carrier to
Carrier Interference). [15]
2.6.2 Les avantages de l’OFDM
Les avantages de la technique OFDM sont nombreux :
1. Efficacité de l’utilisation du spectre et de puissance (utilisation de N porteuse
orthogonales très proche l’une de l’autre).
2. Grande immunité contre la propagation multi trajets, ou certains symboles d’une
précédente transmission peuvent arriver en retard.
23
3. Immunité contre l’interférence entre les canaux (insertion des porteuses nulles à chaque
extrémité du symbole) ;
4. Facilite la synchronisation, et l’estimation du canal grâce aux sous porteuses pilotes. La
différence que présente la couche physique de la norme 802.16e par rapport au facilité de
synchronisation, et d’estimation du canal grâce aux sous porteuses pilotes. La différence que
présente la couche physique de la norme 802.16 e par rapport au 802.16-2004, réside dans
l’utilisation de l’OFDMA comme technique de multiplexage. [16]
2.6.3 Les inconvénients de l’OFDM :
Les principaux inconvénients de l’OFDM sont :
Très sensible à la désynchronisation
Facteur de crête
Gestion de la diversité
2.6.3.1 L’OFDMA (Orthogonal Frequecy Division Multiple Access) [17]
Cette technique de modulation-comme l’OFDM- utilise l’IFFT (Transformée de Fourier Inverse)
pour générer un symbole OFDM contenant : des porteuses de données, des porteuses pilotes, et
de la porteuse nulle pour la bande de garde et la fréquence DC.
Dans la technique OFDM, les sous porteuses actives sont divisées en des sous ensembles de sous
porteuses (subchannels). Dans le sens descendant (downlink), subchannel peut être prévu pour
différents groupes de récepteurs ; dans le sens montant (uplink), un émetteur peut attribuer un ou
plusieurs subchannels, et plusieurs émetteurs peuvent transmettre simultanément.
Les sous porteuses formant un seul subchannel, mais n’ont pas besoin d’être adjacents. Le
concept est illustré dans la figure 2.08.
Figure 2.08 : Description fréquentielle de l’OFDMA.
24
Le symbole OFDMA est divisé en des sous canaux (subchannels) logiques afin d’attribuer les
ressources radio aux utilisateurs d’une manière dynamique, de supporter l’accès multiple, et pour
une meilleure adaptation aux techniques avancés des antennes. Pour les downlink, on dispose de
deux modes d’utilisation des subchannels :
FUSC (Full Usage of Subchannels) : tous les subchannels sont attribués à l’émetteur,
dans ce mode on attribue d’abord les porteuses nulles de la bande de garde et les pilotes,
ensuite on fait la partition des porteuses restantes en des subchannels (La partition des
porteuses en des subchannels est nommée permutation), cela signifie qu’on a un seul des
pilotes commun à toutes les porteuses du symbole.
PUSC (Partial Usage of Subchannels) : quelques subchannels sont attribués à l’émetteur.
Ce mode de partition se fait de la façon suivante : d’abord on fait attribuer les porteuses
nulles de la bande de garde, ensuite on fait la partition des sous porteuses restantes en des
subchannels (permutation), et dans chaque subchannel on fait l’attribution des pilotes et
des porteuses de données, cela signifie que chaque subchannels a son propre ensemble de
porteuses pilotes.
Pour l’uplink, on fait la permutation premièrement (partition en des subchannels), ensuite
on fait l’attribution des porteuses pilotes et des porteuses données dans chaque subchanel.
Un slot dans OFDMA est la plus petite unité d’allocation des données possibles. Pour
qu’il soit bien défini, il exige les 2 dimensions : OFDMA, qui varie pour l’uplink et
downlink, pour le FUSC et le PUSC, et pour les permutations des sous porteuses. Par
exemple si on utilise le mode PUSC pour l’uplink avec certaine permutation, le slot
utilisé est égal à 1 subchannel x 3 symboles OFDM.
Un exemple des slots physiques est illustré dans la figure 2.09, cette figure montre 2
types de slots utilisés dans le downlink. Le changement du type du slot correspond au
changement du mode d’utilisation du canal (de PUSC a FUSC).
25
Figure 2.09 : Exemple de slot dans l’OFDMA
Plusieurs slots sont attribués à un même utilisateur pour faire sa transmission des données, et les
modes d’utilisation des subchannels peuvent varier au sein d’une même trame OFDMA. [18]
2.7 MIMO : Multiple Input Multipe Output[19]
MIMO est un type de multiplexage spatial, c’est une technique très puissante pour les systèmes
multiple-antenna. En principe, MIMO augmente le débit des données dans la proportion du
nombre d’antennes de transmission du faite que chaque antenne de transmission est M et le débit
des données par chaque flux est R alors le débit total du système est M*R. MIMO fournit un
accroissement multiplicatif du débit en comparaison avec l’architecture Single Input Single
Output (SISO), tout en codant soigneusement le signal transmit à travers les antennes, les
symboles OFDM, et les fréquences
Il existe plusieurs types de récepteurs pour le MIMO, mais une restriction pour tous ces
récepteurs est que le nombre des antennes de réception doit être plus grand, sinon les données ne
peuvent être décodées correctement au niveau de la réception.
26
Figure 2.10 : Schémasimplifié d’un system MIMO
En voici quelques avantages de l’utilisation de la technologie MIMO dans les systèmes de
transmission:
Array Gain : c’est le gain obtenu en utilisant des antennes multiples, alors le signal
s’additionne d’une façon cohérente.
Diversity Gain : c’est le gain obtenu en utilisant des trajets multiples, alors s’il y en a un
trajet bruite, cela ne va pas limiter la performance du système.
2.7.2 Modulation adaptive
La modulation adaptive est adoptée dans le standard 802.16. Il s’agit d’ajuster la modulation du
signal par rapport au SNR (rapport signal sur bruit) du signal radio. Quand le lien radio est de
très bonne qualité, le plus haut plan de modulation est utilisé. Ce qui augmente la capacité du
système. Si non, on dégrade la qualité de la modulation pour garder la même qualité de
connexion et la stabilité de lien
27
Figure 2.11 : Couche physique adaptive
2.8 Techniques de duplexage
Le duplexage est le processus utilisé pour créer des canaux bidirectionnels pour la transmission
des données en uplink et downlink, sachant que le multiplexage utilisé est du type TDM (Time
Division Multiplexing). Le standard 802.16-2004 supporte 2 techniques de duplexage
TDD (Time Division Duplexing) : les transmissions downlink et uplink se font sur le
même canal (même fréquence porteuse), mais à des périodes temporelles différentes. La
trame utilisée pour le downlink, et l’autre pour l’uplink. Elle est formée d’un nombre
entier de PSs (Physical Slot : unité de temps, dépendant de la spécification PHY, utilisé
pour l’allocation du canal), ce qui facilite la partition du canal. Un système TDD peut
diviser le canal entre les 2 sens downlink et uplink d’une façon adaptive, selon la quantité
du trafic échangé. Ce transfert asymétrique est approprié au trafic Internet où de grandes
qualités de données peuvent être tirées à travers le downlik. La figure2.12 résume le
principe de TDD.
28
Figure 2.12 : Duplexage TDD
FDD (Frequency Division Duplexing) : dans FDD les canaux uplink et downlink sont
localisés dans 2 bandes de fréquence différentes. Une durée fixe de trame est utilisée pour
le downlink et l’uplink, ce qui facilite l’utilisation des différents types de modulation, et
simplifie l’algorithme d’allocation des canaux. Deux types de duplexage FDD sont
prévus dans le standard 802.16.
1. FDD full-duplex : une full-duplex SS (Subscriber Station) est capable d’écouter
continuellement le canal downlink, ce qui lui permet de transmettre et de recevoir
simultanément
2. FDD half-duplex : un half-duplex SS peut écouter le canal downlink seulement
lorsqu’elle ne transmet pas sur le canal uplink, donc elle n’est pas capable de
transmettre et de recevoir simultanément. Une half-duplex SS est moins couteuse,
moins complexe qu’une fullduplex SS, mais elle n’a pas la même efficacité
qu’une full-duplex SS la figure 2.13 représente le duplexage FDD dans 2
variantes.
29
Figure 2.13 : Duplexage FDD, extraite de la norme [20]
2.9 Gestion de la mobilité
Pour le WIMAX 802.16 e supporte le handover d’une façon transparente vis-à-vis de l’utilisateur
et cela en basculant d’une station de base à une autre sans avoir de coupure au niveau de la
communication [21]
2.9.1 Gestion de la puissance
Le WIMAX mobile présente deux modes : Sleep mode et Idle mode
Le mode Sleep est un état durant lesquelles le terminal mobile pré-négocie des périodes
d’absence de l’interface radio de sa station. Durant ces périodes, le mobile n’est pas
disponible. Ce mode vise à minimiser la consommation de la batterie du mobile ainsi
que l’utilisation des ressources de la station de base.
Le mode Idle est un état durant lequel le mobile est disponible d’une façon périodique et
peut recevoir des messages de diffusion provenant de multiple station de base sans
effectuer d’enregistrement. Ce mode présente l’avantage de désactiver le processus de
handover qui consomme en puissance de la part du mobile et encombre de plus
l’interface radio de la station de base tout en conservant la possibilité de pager le mobile
et lui fournir des alertes au cas de provenance de trafic en DL.
2.9.2 Procédure handover
Afin de prendre en compte la mobilité des usagers, le standard met en place une procédure de
handover utilisable dans le cas suivants :
Quand le terminal mobile MS (Mobile Station) peut être pris en compte avec une
meilleure qualité de signal par une station de base (mouvement du terminal,
affaiblissement du signal ou interférence).
Quand le terminal mobile peut être pris en compte avec une meilleure QoS par une autre
station de base (équilibrage de charge, contrôle d’admission, ou attentes en termes de
Qos)
2.9.2.1 Définition handover
Le handover de niveau deux est l’opération effectuée par un terminal qui change de station de
base de service vers une station de base cible. Cela peut se produire quand le terminal se déplace
30
et souhaite conserver un signal de bonne qualité, ou si le terminal voit qu’une autre station de
base peut lui fournir une meilleur QoS. [22]
2.9.2.2 Acquisition de la topologie réseau
a) Les annonces
Une station de base de service diffuse périodiquement des annonces aux terminaux. Il
s’agit d’un ensemble d’informations sur les stations de base voisines : leur nombre, et
pour chacune, son identifiant, ses caractéristiques (liens montants et descendants), etc.
La diffusion périodiquement d’annonces permet au terminal de mettre à jour ses
connaissances sur la topologie de se synchroniser plus facilement avec une station de
base voisine.
b) La scrutation par le terminal de ses stations de base voisine.
Le but d’une scrutation est de tester dans quelle mesure une station de base voisine
pourrait convenir en tant que station de base cible d’un handover, et d’accélérer ce
handover s’il a lieu on distingue deux scrutations :
- une scrutation sans association, dans le quelle le terminal se synchronise sur le lien
descendant de la station de base cible pour estimer la qualité du canal physique.
- une scrutation avec association (appelée association), qui est une scrutation simple à
laquelle s’ajoute une mesure de portée (ranging).
c) Association’
Cette procédure est effectuée en vue de la sélection d’une station de base cible appropriée
pour un handover et/ou pour accélérer un éventuel futur handover. Une association est
une procédure optionnelle de rangining pouvant se produire durant la scrutation sur une
des stations de base voisines. Le but est de permettre au terminal de recueillir et
d’enregistrer des paramètres ainsi que des informations sur la disponibilité de service
d’une station de base voisine. L’association comprend l’ouverture des connexions : de
base, primaire, secondaire, et enfin connexion de transport (véhiculant des données
utilisateur).
On distingue trois types d’association :
- Association de niveau 0 (sans coordination) : la station de base de service ne participe
pas à l’association. La station de base cible ne connait pas le terminal et va lui fournir
un accès en contention le ranging
31
- Association de niveau 1 (avec coordination) : la station de base de service coordonne
l’association entre le terminal et la station de base cible. Ainsi, la station de base de
service fournit au terminal des paramètres liés à l’association : le terminal et la station
de base cible se connaissent mutuellement, donc la station de base cible fournit au
terminal une allocation sans contentons.
- Association du niveau 2 (assistée par le réseau) : la station de base de service
coordonne l’association avec les stations de base cibles. Cependant, un terminal ayant
transmis le code de rangingà la station de base cible ne devra pas attendre la réponse
de ranging.[23]
2.9.3 Handover<< break beforemake>>
C’est la procédure classique de hard handover : le terminal se déconnecte de sa station de base de
service avant de se connecter à la station de base cible. Il y a donc une coupure dans la
communication. Par conséquent, ce mode de handover ne fonctionne que si la mobilité est lente.
La procédure de cette handover comporte plusieurs étapes :
Re-selection de cellule : le terminal utilise les informations recueillies lors des
scrutations, associations, annonces, pour évaluer l’intérêt d’une station de base voisine
comme cible d’un handover. Une telle procédure n’implique pas la terminaison de la
connexion avec de base de service, et n’est pas forcement suivie d’une décision de
handover.
Entrée dans le réseau : l’entrée dans le réseau comprenant la synchronisation avec les
liens
Descendants et montants, le ranging (obtention des paramètres du lien UL et DL), la
négociation des capacités, l’authentification par échange de clés et l’enregistrement du
terminal auprès de la station de base. Si l’enregistrement est réussi, on établit la
connectivité IP et les connexions de transport ; la station de base cible devient la station
de base de service. [24]
2.9.4 Modes optionnels de handover : << MDHO>> ou <<FBSS>>]
En plus de la procédure de hard handover, il existe deux modes optionnels de handover (FBSS :
Fast BS Switching) et (MDHO :MacroDiversityHandover). La prise en charge de ces modes est
paramétrée lors de la phase d’enregistrement. Le jeu de diversité est un ensemble contenant une
liste des stations de base actives pour le terminal. La notion de station de base active surpasse la
32
notion station de base « associée »: en effet, l’enregistrement a eu lieu, et donc l’ouverture des
connexions de gestion secondaires aussi. Une entité prenant en charge le MDHO/FBSS doit
gérer le jeu de diversité, dans lequel une station de base ancrée est désignée. Nous notons que la
coordination de transmission ne s’effectue que dans le mode FBSS, et se déroule de la même
manière que dans le hard handover.
2.9.5 Décision et début de MDHO/FBSS
2.9.5.1 FBSS (commutation rapide de station de base)
Le handover FBSS nécessite plusieurs conditions :
- Les stations de base, qui sont synchronisées sur une référence temporelle commune,
ont une structure de trame synchronisée et utilisent les mêmes fréquences.
- Les trames envoyées par les stations de base à un moment donné doivent parvenir au
terminal pendant l’intervalle de préfixe OFDM
- Les stations de base doivent partager et se transmettre le contexte MAC. Il contient
les informations que le terminal et la station de base s’chargent lors de l’entrée dans
le réseau, par exemple l’état d’authentification, afin qu’un terminal
authentifié/Enregistré auprès d’une station de base du jeu de diversité soit aussi
automatiquement auprès des autres stations de base de l’ensemble.
La FBSS est un genre nouveau de handover. Le terminal est servi par une seule
station de base à un instant donné : la station de base ancre, qui est donc considérée
comme sa station de base de service. Les données du terminal sont reçues par toutes
les stations de base du jeu de diversité mais seule la station de base ancre va les
interpréter.
Le terminal ne communique qu’avec la station de base ancre pour le sens montant et
descendant, mais les autres stations de base actives doivent être prêtes à envoyer des
données au terminal dans n’importe quelle trame. En effet, d’une trame à l’autre, la
station de base ancre peut changer au sein du jeu de diversité. En FBSS, on parle
plutôt de commutation rapide de station de base. C’est un changement de station de
base ancre qui n’induit pas de coupure, car les connexions de gestion sont déjà en
place entre le terminal et les stations de base actives. Il s’agit juste pour le terminal
d’ouvrir les connexions de transport vers la nouvelle station de base ancre.
L’avantage est de ne pas devoir utiliser des messages de signalisation de
33
handoverquand on veut changer de station de base ancre, car la commutation de
station de base ancre est effectuée sans invoquer la procédure de handover classique.
[25]
2.9.5.2 MDHO (soft handover)
Avec un soft handover, le terminal est servi par toutes les stations de bases du jeu de diversité.
Ce mode se fonde sur la capacité du terminal à communiquer simultanément avec plusieurs
stations de base. Au fil du temps et de ses déplacements, le terminal va modifier son jeu de
diversité dans le sens descendant, le terminal reçoit la même trame MAC, au même instant, en
provenance de chacune des stations de base du jeu de diversité. Il effectue ensuite la
combinaison de diversité : en combinant le signal des différentes stations de base, il en fabrique
un seul grâce à un récepteur RAKE. Il y a un gain de diversité car le terminal profite de la
réception de plusieurs PDUs pour limiter les erreurs en combinant les informations. Dans le sens
montant, le trafic provenant du terminal est reçu par toutes les stations de base du jeu de
diversité. Le MDHO requiert les mêmes conditions que le FBSS, mais en plus : les stations de
base utilisent le même ensemble de CIDs (Connection ID) pour les connexions établies avec le
terminal. Les stations de base doivent utiliser le même type de PDU MAC/PHY. Enfin, le
terminal doit pouvoir prendre en charge plusieurs connexions simultanées.
34
2.10 Conclusion
Dans ce chapitre, nous pouvons apercevoir que l’architecture en couche de WIMAX se divise en
deux, la couche MAC et la couche PHY. Enfin, étant une technologie d’accès radio sans fil à
large bande, le WIMAX offre un haut débit sur des zones de couvertures larges, permettent des
usages en situation fixe ou en mobile
35
CHAPITRE 3 ETUDE THEORIQUE DE LA DIMENTIONEMENT D’UN RESEAU
WIMAX
3.1 Introduction
Le dimensionnement d’une zone quelconque nécessite en premier lieu l’analyse du bilan de
liaison afin d’estimer l’affaiblissement maximal du parcours entre abonné et station de base. Ce
chapitre décrit les fondements du dimensionnement des réseaux large bande WIMAX.
3.2 Dimensionnement d’un réseau WIMAX
3.2.1 Processus de dimensionnement du réseau WIMAX
Le but de dimensionnement d’un réseau sans fil est, étant donné une répartition d’abonnés, une
situation géographiques et les données de propagation, d’assurer la minimisation du cout de la
liaison radio et de l’infrastructure du réseau, en tenant compte de la couverture radio, de la taille
des cellules et de la topologie du réseau sous réserve de contrainte de la QoS.
L’étape de dimensionnement constitue une étape primordiale dans la conception d’un tel réseau
cellulaire. Cette phase permet aux concepteurs de trouver une disposition optimale des sites
radio.
Etant donné les caractéristiques de l’environnement à couvrir, les caractéristiques des abonnés à
desservir en termes de densité et de demande en trafic, les spécifications des équipements et la
bande de fréquence [26]
3.2.2 Choix de la bande de fréquence
La sélection de la bande de fréquence à utiliser a une influence capitale sur le dimensionnement
et la planification d’un tel réseau, les caractéristiques de propagation du signal sont meilleures,
seulement la bande passante disponible est limitée par le choix entre les bandes avec et sans
licence. La nature des bandes sous licence 3.5GHz, 10.5GHz et 26GHz protège le réseau des
interférences inter systèmes et limite le nombre d’opérateurs à une certaines zone géographique.
Les bandes sans licence présentent des niveaux d’interférences difficilement prédictibles pouvant
constituer des problèmes dans certaines zones.
36
3.3 Modèles de propagation
3.3.1 Rôles des modèles de propagation
Les modèles de propagation simulent la manière avec laquelle les ondes radio se propagent dans
l’environnement d’un point à l’autre. Afin de modéliser exactement le comportement des ondes
radio, les caractéristiques de l’environnement telles que la topologie du terrain (par exemple,
colline ou appartement) doivent être prises en considération. La couverture au sol telle que des
bâtiments et des arbres doit également être expliquée (connue en tant que « sursol » ou
« clutter ») : un modèle de propagation modélise la manière avec laquelle les ondes radio
réagissent aux changements d’altitude et au sursol (réflexion, diffraction, et dispersion)
3.3.2 Types de modèles de propagation
Dans ce paragraphe, nous commençons par rappeler plusieurs modèles de propagation
applicables à l’architecture multi cellules.
Typiquement, le scenario est le suivant :
- Les cellules< 10 Km de rayon, le différents types de terrains et de densité des arbres.
- Des antennes directionnelles ou omnidirectionnelles sont installées, au-dessous des
toits (2-10m), au récepteur.
- 15- 40m antennes de BS.
- Condition d’une grande couverture de cellule (80-90m)
Le canal sans fil est caractérise par :
Perte due au chemin (effet de masque inclus)
Caractéristiques d’évanouissement.
Interférence Co-canal et entre les canaux adjacents.
A noter que ces paramètres sont arbitraires, et seulement une caractérisation
statistique est possible. Typiquement, la moyenne et la variance des
paramètres sont spécifiées.
Les paramètres des modèles de propagation ci-dessus dépendent de : terrain,
densité des arbres, hauteurs d’antennes et largeur du faisceau, vitesse du vent,
et saison (été ou hiver).
Les modèles de propagation varient selon que l’émetteur et le récepteur
seraient ou non en ligne de vue ou en d’autres termes en environnement LOS
ou NLOS. [27]
37
3.3.2.1 Le modèle de propagation (Espace libre)
Le modèle de l’affaiblissement du parcours espace libre est habituellement le point de référence
duquel tous les modèles de propagation prennent origine, il est employé pour déterminer
l’affaiblissement de parcours en espace libre. Ce modèle se base sur l’équation de Friis qui
montre que la puissance reçue chute beaucoup et elle est calculée comme étant la carrée de la
distance séparent émetteur et récepteur (20dB/decade).
En environnement LOS ; le modèle Free Space ou modèle de Friis est spécifié.
L’équation suivante montre le pathloss en fonction de la distance :
PL(d) = 20 Log10 (4πd/λ) (3.01)
Avec:
d: distance entre deux antennes dans l’espace libre
λ : longueur d’onde (m)Ou encore :
PL(d) = 32.4 + 20log(d) +20log (fc) (3.02)
Avec :
d : distance en Km
fc : fréquence en MHz.
3.3.2.2 Modèle COST 231 Hata
Ce modèle est utilisé pour les macros cellules. Il est essentiellement fait pour les fréquences
inferieures à 2GHz. Dans le but de l’utiliser pour des fréquences supérieurs (jusqu’à 6GHz), on
lui a introduit des corrections. Le résultat est donné par l’équation suivante
LH(dB) = 46.3+33.9log (𝑓𝑐)-13.2log (hbs)-(44.9-6.55log (d)+ 𝐶𝑚(3.03) (3.03)
Avec:
fc : fréquence porteuse du signal en MHz
hbs : hauteur de la BS en mètres
hss : hauteur de la SS en mètres
d : distance entre la BS et SS en Km
C : terme constant (C =0dB pour les zones sous urbaines, C =dB pour les zones urbaines)
A (hss) : est un terme correctif dépendant de la hauteur de l’antenne de SS.
Pour les villes de taille moyenne ou petite :
A (hss) = (1.1*log(fc)-0.7)*hss-(1.56*log(fc)-0.8)dB (3.04)
38
Pour les villes de grande taille :
A(hss) = 3.2*log(11.75*hss)-4.97dB (3.05)
3.3.2.3 Modèled’Erceg[28]
En environnement NLOS, le modèle adéquat pour prédire ce qu’adviendra au signal lors de sa
transmission vers le récepteur au niveau d’un réseau WIMAX mobile est le modèle d’Erceg
connu sous le nom « SUI model ».
Le modèle d’Erceg est utilisé pour les zones urbaines, sous urbaines et rurales. Il représente une
modification du modèle de Hata-Okumura.
Le modèle de Hata-Okumura est valide pour les valeurs des paramètres du tableau suivant :
paramètres Valeurs
Frequencies 500-1500MHz
Distance de l’antenne de la BS >1Km
Hauteur de l’antenne de la BS >30m
Tableau 3.01: ModèleHata-Okumura
La modification proposée au modèle de Hata-Okumura donne un nouveau modèle, souvent avec
des corrections concernant le type de terrain. Trois catégories de terrain sont définies :
Catégorie A : perte de chemin maximal, terrain avec collines, et une densité d’arbres variable
(modérée à grande densité).
Catégorie B : perte de chemin intermédiaire entre A et C.
Catégorie C : perte de chemin minimal, terrain plat, avec une faible densité d’arbres. Pour une
distance proche de do, la perte du chemin est donne par (fréquence = 1.9GHz) :
L = A+10*ƴ*log(d/do)+s (3.06)
Pour d> do, do =100m
A=20log (4π do/λ) (3.7)
Avec:
λ : est la longueur d’onde en m
ƴ : est l’exposant de perte de chemin.
Ƴ = (a-b*hb+c/hb) (3.08)
Avec hb est la hauteur de la BS entre 10 et 80m, a, b et c sont des constants dépendant de la
catégorie du terrain, dont les valeurs sont données dans le tableau suivant:
39
Parameter du modèle Terrain de type A Terrain de type B Terrain de type C
A 4.6 4 3.6
B 0.0075 0.0065 0.005
C 12.6 17.1 20
Tableau 3.02: Valeurs des paramètres en fonction du type de terrain
L’effet de masque est donne par le paramètre s, qui suit une distribution log normale. La valeur
typique de l’écart type de s est entre 802 et 10.6, dépendant du type de terrain et densité d’arbres.
Termes de correction de fréquence et de la hauteur d’antenne réceptrice
Le modèle ci-dessus est valable pour des fréquences proches de 3GHz, et pour des
hauteurs d’antennes réceptrices proche de 1.3m. Dans le but d’utiliser ce modèle pour
autres fréquences plus élevées et pour des hauteurs d’antennes 1 à 10m, on ajoute au
modèle ci-dessus des corrections concernant la fréquence et la hauteur de l’antenne
réceptrice
Le modèle de propagation (en dB), avec les termes de correction, sera :
Lp =L+ΔLf+ΔLh (3.09)
L: est la perte de chemin précédemment donné.
ΔLf: est le terme de correction fréquentielle (en dB) donne par:
ΔLf = 6*log (f/2000) ou f est la fréquence en MHz,
ΔLh=-10.8Log (h/2) pour les catégories A et B,
ΔLh=-20Log (h/2) pour la catégories C,
Avec : h est la hauteur de l’antenne entre 2m et 10m.
3.4 Bilan de liaison[29]
Un équilibrage de puissance est nécessaire pour les liaisons montantes et descendantes, pour cela
un ajustement des paramètres des liaisons est nécessaires pour les équilibrer. Une liaison
équilibrée signifie un fonctionnement symétrique du système en tout point de la couverture,
comme il est illustré dans la figure suivant :
40
Figure 3.01 : Equilibrage des liens montant et descendants
Le but de bilan de liaison est de calculer l’atténuation de parcours maximale permise entre la
station de base et le récepteur pour un service donné. L’atténuation de parcours maximale est
alors employée pour choisir des antennes et des configurations pour les stations de base, et pour
la planification de la puissance de sortie sur les différents canaux des stations de base.
L’atténuation de parcours maximale détermine la portée de chaque BS et ainsi sa couverture et le
nombre requis de station de base pour couvrir une zone donnée.
3.4.2 Puissance émise
L’élément de base qui doit être calculé pour le bilan de liaison du côté de l’émetteur est la
puissance Isotrope Rayonnée Equivalente ou (PIRE), elle dépend de la chaine appareil-câble-
antenne.
Donc, l’appareil émetteur émet le signal avec une certaine puissance notée Pe, le câble reliant
l’appareil à l’antenne en perd une partie notée L, et l’antenne fournit elle aussi une puissance
supplémentaire notée Ge.
En exprimant cette puissance en dB, la PIRE s’obtient par simple addition :
PIRE = Puissance d’émission- Perte de câble + Gain d’antenne émettrice
Soit :
PIRE = Pe-L+Ge (3.10)
Dans des systèmes de radiocommunication, le PIRE est la qualité de puissance qui devrait être
émise par une antenne isotrope (qui distribue de façon égale la puissance dans toutes les
directions) pour produire la densité de puissance maximale observée dans la direction du gain
maximum d’antenne.
41
Pour le décibel c’est une unité exprimant un rapport, autrement dit un gain. Pour des
puissances, le calcule est le suivant :
dB = 20Log10 (P1/P2) (3.11)
Pour l’appareil émetteur, il s’agit de décibel par rapport au milliwatt (dBm): dans la formule
précédente, P2 = 1Mw et P est la puissance d’émission doit être aussi transformée en mW de
l’appareil.
Pour l’antenne, il s’agit de décibel par rapport à un isotrope (dBi). L’isotrope est une antenne
théorique parfaite qui émet de façon homogène dans toutes les directions. Le dBi est donc le gain
de l’antenne par rapport à un isotrope qui émet la même qualité d’énergie. Les pertes câbles sont
exprimées en décibel par mètre (dB/m) donc les pertes totales dues au câbles sont calculées
ainsi :
Pertes câble = longueur câble * perte par mètre (3.12)
3.4.3 Sensibilité de reception[29]
Pour que le signal reçu soit intelligible par le récepteur, il faut que celui-ci ait une sensibilité
suffisante. Là encore, c’est l’ensemble appareil-câble-antenne qu’il faut prendre en compte
La sensibilité effective Rx est une addition de la sensibilité de l’appareil Sx (une autre
caractéristique avec la puissance) et du gain de l’antenne Gs, auxquels on retranche les pertes de
câble L.
Le gain de l’antenne et les pertes de câble sont ceux utilisés dans les calculs de puissance
précédents.
La puissance effective du signal reçue doit être supérieure à la sensibilité de l’ensemble, faute de
quoi le signal ne pourra pas être utilisé.
Donc, l’élément de base qui doit être calculépour le bilan de liaison du côté du récepteur est la
puissance ou la sensibilité minimum reçue de récepteur. La sensibilité du récepteur est définie
comme la qualité de puissance en dBm qu’un détecteur doit recevoir pour réaliser une
performance spécifique en bande de base, comme un taux d’erreurs sur les bits spécifié ou un
radio du signal sur bruit.
Cette sensibilité de récepteur (en dBm) sera calculée en utilisant la formule suivante :
Avec Rx = (Eb/N0)-10Log (W/Rh)+NW+NF (3.13)
Rx: La sensibilité du récepteur.
Eb/N0 : Ratio du signal sur bruit (en dB)
W : Bande passante du système (MHz)
42
Rb : débit symbole (bps)
NW : Puissance de bruit thermique ; et NF : Bruit au niveau du récepteur
3.5 Dimensionnement suivant la portée ou la couverture
3.5.1 Détermination de la portée d’une cellule
Pour couvrir une surface, on doit déterminer le nombre de stations de base requises pour cela le
rayon de couverture ou la portée d’une station de base doit être calculé. Il s’agit en premier
temps d’estimer l’affaiblissement de parcours maximum en utilisant le bilan de liaison. Ensuite,
il est question de calculer la portée maximale ou le rayon de couverture maximale en utilisant les
modelés de propagation conformément au type de terrain d’étude.
L’étape suivante consiste à déterminer le nombre de stations de base donné par la formule
suivante :
Où NBS = 𝐶𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒/ CBS (3.14)
NBS : est le nombre de stations de base requise pour la couverture
Ctotal : est la surface totale à couvrir
CBS : est la couverture d’une station de base basée sur la puissance maximale telle que :
CBS = 2.6R2(3.15)
Remarque
Au final le nombre de stations de base serait le maximum du nombre issu de la méthode orientée
capacité et de celle orientée portée ou bien orientée couverture.
3.5.2 Dimensionnement suivant la capacité
Pour un déploiement limité par la capacité, il est nécessaire de déployer les BS avec un
espacement entre les BS suffisant de servir tous les utilisateurs dans le système. Les services
supposés à être offerts sont
43
3.5.3 Détermination du trafic par abonne
Généralement, les problèmes de capacité sont inhérents à la liaison descendante (DL), vue
l’asymétrie qui domine la plupart des services paquet hauts débits, c’est pour cela que nous nous
intéressons au lien descendant lors de l’évaluation des besoins en trafic. Pour une classe donnée
l’estimation de la bande requise par abonne est donnée par :
𝑇𝐷𝐿 𝑎𝑏𝑜𝑛𝑛𝑒 = ∑ 𝐷𝑆 𝑁𝑆𝑖=1⁄ − 𝐷𝐿 ∗ 𝑇𝐶 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑒⁄ (3.16)
TDL/abonné: trafic moyen par abonné pour le lien descendant (Kb/s)
DS-DL : Débit moyen par service.
TC/service : Taux de contention du service.
Ns : Nombre de services dans la classe.
Remarque
La notion de taux de contention pour un service donné est introduite afin de tenir compte du fait
que certains types de service présentent un trafic en rafale ce qui est le cas de l’internet.
Ce taux dépend des applications et des services demandés par les clients.
Si ces services se limitent à la consultation des emails et la navigation web, un taux de
contention élevé peut être pris et ce à l’encontre des applications gourmandes en bande passante
comme la vidéoconférence. Par exemple, si un service est défini avec TC = 1/10, alors la bande
passante offerte est partagée entre 10 utilisateurs.
44
3.5.4 Détermination du trafic agrégé pour une zone donnée
Soit τple taux de pénétration de la technologie WIMAX pour l’operateur X dans la zone d’étude,
il représente le ratio entre le nombre d’abonnés potentiels et le nombre total d’habitants dans la
zone. Nous pouvons alors déterminer le trafic total sur le lien descendant (DL) comme suit :
𝐷𝐷𝐿 = 𝜏𝑝 ∗ 𝑁 ∗ ∑ 𝜏𝑖(𝑇𝐷𝐿 𝑎𝑏)𝑖⁄𝑁𝐶𝑖=1 (3.17)
Avec: (3.17)
DDL: Débit total requis sur le DL
TDL/ab : Débit total requis par abonné appartenant à la classe de service i.
3.5.5 Détermination de la capacité moyenne par secteur [30]
Vu que chaque modulation se caractérise par une efficacité spectrale différente, la capacité
effective du canal ne peut être déterminée qu’en connaissant le profil (couple modulation
codage) utilisé par chaque client partageant ce canal ce qui est difficile à relever.
La difficulté de prévoir la distribution des abonnés dans la zone surtout avec l’introduction des
concepts de nomadisme et de mobilité nous supposons lors de notre dimensionnement que :
𝑁𝑠𝑒𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟 =𝑁𝑢𝑠𝑎𝑔𝑒𝑟𝑠−𝑡𝑜𝑡
𝑁𝑚𝑎𝑥−𝑢𝑠𝑎𝑔𝑒𝑟𝑠
𝑠𝑒𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟
(3.18)
Les abonnés sont distribués uniformément dans la zone objet d’étude et qu’ils utilisent tous le
même type d’équipement indoor ou outdoor. Si on suppose que :
Le nombre maximum d’usagers pouvant se connecter à un secteur serait calculé de la manière
suivante :
𝑁𝑚𝑎𝑥𝑢𝑠𝑎𝑔𝑒𝑠/𝑠𝑒𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟 =𝐷𝑅𝑚𝑜𝑦/𝑠𝑒𝑐𝑡
𝐷𝐷𝐿 (3.19)
Nmax_usages/ secteur: nombre maximum d’usagers supporte par secteur
DRmoy/sect : Capacité moyenne par secteur
DDL : Besoin en trafic sur DL
Nous pouvons à partir de cette équation déduire le nombre total de secteurs nécessaires grâce à la
formule suivante :
𝑁𝑠𝑒𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟 =𝑁𝑢𝑠𝑎𝑔𝑒𝑟𝑠−𝑡𝑜𝑡
𝑁𝑚𝑎𝑥−𝑢𝑠𝑎𝑔𝑒𝑟𝑠/𝑠𝑒𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟(3.20)
Avec:
Nsecteur: nombre total de secteurs requis
Nusagers- tot : Nombre total d’abonnés dans la zone de service
45
A partir du nombre total de secteurs requis et de la configuration de la BS nous pouvons déduire
le nombre nécessaire de station de base :
𝑁 =𝑁𝑠𝑒𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟
𝑁𝑠𝑒𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟/𝐵𝑆(3.21)
3.6 Debit-portée
Dans cette section on va utiliser les équations définies précédemment à savoir le pathloss et
quelques équations du bilan de liaison pour déterminer une relation reliant le débit et la portée.
L’équation correspondante pour d>do est :
PL = [A + 10ϒLog10 (d/d0)] + Xf+ Xh + S (3.22)
Pour un terrain du type A :
PLA(d) =47.95Log10 (0.01d) + 94.76 (dB)
Pour un terrain type B :
PLB(d) = 43075Log10 (0.01d) + 94.76 (dB)
Pour un terrain du type C :
PLC(d) = 41.16Log10 (0.01d) + 94.76 (dB)
3.7 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons abordé les principes du dimensionnement (modelés de propagation,
bilan de liaison…..), présente les concepts de base d’un trafic d’une zone donnée, d’où nous
déduisons que la prédiction de la couverture et le dimensionnement du trafic sont deux étapes
essentielles et complémentaires pour la détermination du nombre des équipements nécessaires
pour le déploiement d’un réseau WIMAX.
46
CHAPITRE 4 RESULTAT DE LA PLANIFICATION SOUS LOGICIEL ATOLL
4.1 Introduction
Le dimensionnement d’un tel réseau WIMAX permet d’une part, d’assurer la meilleure
couverture possible de la zone de déploiement et d’autre part à répondre aux exigences de
capacité et du trafic pour les différents services
Dans le chapitre précédant, il était question de présenter les étapes générales de
dimensionnement du réseau WIMAX, afin de parvenir à des résultats fiables pouvant être
interprétés.
Donc, après ces phases traitées dans le chapitre précèdent, nous présenterons nos résultats de
simulation avec le simulateur Atoll et analyses en termes de couverture et capacité.
4.2 Présentation de ATOLL[31]
Atoll est un logiciel de planification, basé sur une interface graphique, développe par Forsk. Il
Permet de faire les études préalables au déploiement de presque tous les réseaux sans fil, de la
conception initial et au cours des différentes extensions. Ce logiciel supporte plusieurs
technologies comme GSM, l’UMTS, le LTE et le WIMAX. Son principale caractéristique est
qu’il permet de faire une prédiction de couverture radio selon des conditions spécifiques connue
les modèles de propagations, l’emplacement des antennes et configurations variables des
transmetteurs.
Figure 4.01 : Logos de Forsk et d’Atoll
4.3 Prise en main et utilisation de ATOLL
Avant de commencer un projet de planification :
Quelle que soit la technologie de radio à modéliser, Atoll propose toujours deux façons :
47
A partir d’un modèle : vous pouvez créer un nouveau document de Atoll partir d’un
modèle. Atoll est livré avec un modèle pour chaque technologie choisie mais vous
pouvez également créer votre propre certain donné géographiques ou des antennes.
A partir d’une base de données : lorsque vous créez un nouveau document Atoll d’une
base de données, la base de données àlaquelle vous vous connectez a été créé avec la
technologie et les données dont vous avez besoin.
4.3.1 Présentation de l’interface de travaille ATOLL
Atoll est composé de sept menus pour le traitement des informations et aussi pour d’éventuelle
personnalisation et paramétrage demandée par l’utilisateur. Ces menus sont : Fichier et Help.
Ensuite, il y a, Edit, View, Tools, Windows, il y a aussi les différentes barres d’outils qui sont
des raccourcis pour une action donnée et facilite la manipulation du logiciel. Après, on a la zone
de paramétrages marqué sur la figure par exemple, on peut paramétrer l’antenne, le modèle de
propagation et les paramètres radio, etc. en outre, la zone est utilisée dans le cas où on utilise une
carte, qu’on place les stations de base et d’autre encore.
Dans la figure ci-dessous nous trouverons l’interface de travaille ATOLL :
Figure 4.02 : Interface Atoll
48
4.3.2 Les démarches à suivre
Il y a des étapes à suivre pour configurer le logiciel ATOLL comme suit :
Création d’un projet WIMAX
Importation de la carte à étudier
Choisir un système de coordonnées (WGS84)
Donne les paramètres radio : site, antenne, cellule, transmetteur
4.3.3 Cas de planification de ampitatafika
4.3.3.1 Etude de cas
Maintenant, nous allons étudier le cas de commune Ampitatafika. D’abord, Ampitatafika est une
commune qui se situe dans le district d’Antanarivo dans la région d’Analamanga. Il possède une
surface de 39,77 km2 avec un nombre total de population de 523547 et une densité d’habitant
par kilomètre carré de 5466. Ce choix ont été fait parce qu’elle est ma ville natale et aussi proche
de citéVontovorona.
4.3.3.2 Création de projet
File -> New ->From a document Template
Et on se trouve sur l’interface suivante:
Figure 4.03 : Création de nouveau projet en WIMAX 802.16 e
Puisque notre étude se rapporte sur WIMAX 802.16 e car cette technologie possède plusieurs
avantages comme la mobilité de l’utilisateur.
49
4.3.3.3 Configuration de système de coordonnée adaptée
Un système de coordonnées est un référentiel dans lequel on peut représenter des éléments dans
l’espace. Ce système permet de se situer sur l’ensemble du globe terrestre grâce à un couple de
coordonnées géographiques.
Il est souvent plus pratique d’utiliser des coordonnées planes dans un système de projection
cartographique plutôt que des coordonnées géographiques et comme tout système de projection
déforme soit les angles soit les formes, il est utile de pouvoir choisir le meilleur système de
projection en fonction de ses besoins.
Les coordonnées géographiques sont exprimées en degré sexagésimaux (Degrés Minutes
Secondes), degrés décimaux, grades ou radians et donnent la latitude et la longitude d’un lieu par
rapport à un méridien comme indiqué dans la figure suivante.
Document -> Propriétés
Figure 4.04 : Choix systèmes de coordonnées
50
Pour Madagascar (42o vers 48o hémisphère sud), le système de projection à utiliser dans Atoll est le
WGS/UMT zone 38S. L’affichage des coordonnées que nous allons utiliser tout au long de cette
étude est l’affichage en degrés sexagésimaux (Degrés Minutes Secondes).
4.3.3.4 Importation de la carte Ampitatafika
Comme ATOLL accepte quelques extensions comme *.bil, *.shp, *.shx, *.agd. Nous allons
utiliser le fichier *.shp, ce fichier contient des données relatives à l’attitude du terrain
Pour importer une carte il suffit de faire :
File -> Import -> Choisir la carte qu’on veut utiliser. Ici ampitatafika.shp cochez le box Embled
in document comme montre la figure suivant :
Figure 4.05 : Sceller la carte
Puis clique sur le bouton import et la carte sera importée.
51
Figure 4.06 : Zones sélectionné pour la planification
4.3.3.5 Ajout des sites avec les antennes
Pour ajouter des sites avec les antennes il suffit de cliqué sur cet icone qui se trouve dans la barre
d’accès rapide d’ATOLL.
52
Figure 4.07 : Sites avec les antennes
L’angle formée par deux secteurs de deux sites voisines ne doit pas être égale à 180o ou 0o sous
peine d’avoir plus de risque d’interférence entre les signales. Le choix idéal sera un angle égal à
600
4.3.3.6 Configuration transmitter
Nous allons utiliser l’antenne tri-sectorielle, donc pour un site, nous allons placer trois
transmetteurs, l’angle entre chaque secteur doit être à 120o mais la descente sur terrain nous a
permis de constater que les paramètres de transmetteurs sont présents dans la figure ci-dessous :
53
Figure 4.08 : Paramétrage du transmitteur
4.3.3.7 Prédiction
Apres avoir effectué tous les paramétrages possibles, passons maintenant sur la prédiction c’est-
à-dire regarder la couverture de nos 4 sites.
Network/prédiction -> news prédictions
Ensuite il faut choisir Coverage by signal level comme indique dans la figure suivant :
54
Figure 4.09 : Prédiction couverture
En fin, appuyer sur le bouton calculate et on aura le résultat que montre la figure ci-dessous
Figure 4.10 : Couverture
Le résultat obtenu peut être représenté par un histogramme (en abscisse le niveau du signal et en
ordonnée la surface en pourcentage)
55
Figure 4.11 : Histogramme de niveau de signal
Les récepteur WIMAX peut capter jusqu’à la puissance minimale de -112dBm, or
l’histogrammemontre la valeur minimal du signal d’entrée est de -95dbB. Donc, d’après ces
chiffres on peut dire que l’utilisateur aura forcément de signal n’ importe où sur le terrain avec
même une marge plus ou moins important.
4.4 Conclusion
En somme, dans cette partie du travail nous avons vu les étapes essentielles sur la planification
d’un réseau WIMAX pour satisfaire la QoS et la demande de l’utilisateur.Enfin, il est possible
d’optimiser la simulation en jouant sur l’angle d’inclinaison et l’emplacement du site.
56
CONCLUSION GENERALE
WIMAX « Worldwide Interoperability for Microwave Access » est une technologie innovante
qui peut jouer un rôle important dans le monde des télécommunications. Sur le plan local, la
planification d’un réseau contribue au développement du moyen de communication, l’échange
des informations avec une couverture fiable et n’est pas trop perturbé par un changement de la
météo.
D’où le déploiement de l’infrastructure d’un réseau WIMAX doit gérer les ressources de
fréquence, améliorer la qualité de service.
La planification et le déploiement du réseau WIMAX tels que la configuration des antennes, le
calcul du bilan de liaison et les systèmes de réutilisation des fréquences, doivent être
soigneusement effectuée
La principale concurrence de WiMAX est le réseau LTE qui a plus ou moins la même caractéristique
que lui.
L’étude a montré qu’en optimisant les paramètres du bilan de liaison tels que le nombre
d’antennes émettrices et le nombre de sous-canaux à la fois pour la liaison montante et
descendante, le rayon de la cellule augmente et conduit à la diminutiond’une station de base.
57
ANNEXE 1
SPECIFICITES DES DIFFERENTES NORMES IEEE 802.16X
NORME IEEE 802.16a 802.16d 802.16e
Spectre 10-66 GHz <11 GHz <6,11GHz
Conditions canal LOS NLOS NLOS
Debit 32-134 Mbps à 128
MHz
Jusqu’à 75 Mbps à 20
MHz
Jusqu’à 15 Mbps à 5
MHz
Modulation
QPSK, QAM-16 et
QAM-64
256OFDM, QPSK,
QAM-16, QAM-64
256OFDM, QAM-16,
QAM-64
Bandespassantes
20,25 et 28 MHz
1,25 à 20 MHz
Comme pour 802.16a
avec sous canaux
montants
Rayons de cellule
typique
2-5 Km
5-8 Km, qui prevent
atteindre 50 Km
2-5 Km
Tableau 4.01: Normes IEEE 802.16x
58
ANNEXE 2
COMPARAISONS WIMAX ET WIFI
802.11 802.16 Difference
Portée Environ 300 meters
maximum
Jusqu’à 45Km
cellules de 2 à 10 Km
La couche physique
de 802.16 tolère les
délais d’expiration
(réflexions) grâce à
l’implémentation de
FFT (Fast Fourier
Tranform) contr-64
pour 802.11
Coverture Courte portée
optimisée pour
l’intérieur
Longue portée
optimise pour
l’extérieur
802.16 meilleur
pénétration à travers
des obstacles de plus
longue distance
Adaptabilité Prévu pour le réseau
locaux LAN fait pour
dizaine d’utilisateurs
taille des bande de
fréquence fixes
(20MHz)
Prévu pour supporter
100 utilisateurs taille
des bande de
fréquences variable
de 1.5-20MHz
Le protocole MAC
802.11 utilise un
protocole CSMA/CA
alors que 802.16
utilise le TDMA
Bit rate 2.1bps/Hz soit jusqu’à
54Mbps sur 20MHz
5bps/Hz soit jusqu’à
100Mbps sur 20MHz
Plus haute
fréquencecouplée
avec une correction
d’erreur donnant un
meilleur usage du
spectre
Qualité de service
(QoS)
Pas de support de
qualité de service
intégré dans MAC 802.11 : CSMA/CA
802.16 : mêmes
fréquence TDMA
59
Tableau 4.02: WIMAX vs WIFI
ANNEXE 3
COMPARAISON DU RESEAU WIMAX AVEC LA TECHNOLOGIE LTE
Les tableaux ci-dessous présententles éléments clés d’une comparaison entre le WIMAX mobile et la
LTE. On se focalise dans cette comparaison surtout sur la couche physique
Aspect
WiMAX mobile
(IEEE 802.16e)
3GPP-LTE
(E-UTRAN)
Core network
WiMAX Forum All-IP network
UTRAN moving towards All-
IP Evolved UTRA CN with
IMS
Acces technology :
Downlink (DL)
Uplink (UL)
OFDMA
OFDMA
OFDMA
SC-FDMA
Frequency band
2.3-2.4GHZ, 2.496-2.69GHz,
3.33-3.8GHz
Existing and new frequency
bands
(~2GHz)
Bit-rate/site
DL
UL
75 Mbps (MIMO 2TX 2RX)
25 Mbps
100 Mbps (MIMO 2TX 2RX)
50 Mbps
Cell capacity
100-200 users
>200 users 5MHz
>400 users for larger BW
Channel Bandwidth
5, 8.75, 10MHZ
1.25,20MHz
Mobility :
Up to 120Km/h
Optimized hard handovers
supported
Up to 250Km/h
Inter-cell soft handovers
supported
Tableau 4.03: ComparaisonWiMAX contre LTE
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BIBLIOGRAPHIE
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RESUME
Le WIMAX est une technologie très intéressante car il répond bien la satisfaction de la
couverture des zones isolées, dépourvus de connexion internet ou de difficulté de déploiement de
réseau filaire (XDSL,…). Grace sa distance de propagation élevée qui offre un débit très élevé
semble être une technologie indispensable dans le monde des télécommunications. Dans ce
mémoire, nous essayons de faire une étude de dimensionnement de ce réseau et de le planifier
avec un logiciel approprié ATOLL.
Mots clés : WiMAX, ATOLL, dimensionnement, planification, QoS, déploiement, couverture.
ABSTRACT
The WIMAX is a very interesting technology because it provides the satisfaction on isolated
areas coverage like an internet connecting or difficulty of wired network deployment (xDSL …).
Sparked by his propagation distance offering a very huge rate which makes this technology very
useful in the world of telecommunications. From this memory, we are trying to make the study
of WIMAX planning and dimensioning with the better confident application ATOLL
Key words : WIMAX, ATOLL, dimensionnement, planification, QoS, deploiement, coverage.
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FICHE DE RENSEIGNEMENT
Nom : RAKOTOJAONA
Prénoms : Andrianoelisoa Nambinina
Adresse de l’auteur : 0906 C60 Antsirabe 110
Tel : +261 340291204
E-mail : [email protected]
Titre du mémoire :
« PLANIFICATION D’UN RESEAU WIMAX MOBILE »
Nombre de pages : 63
Nombre de tableaux : 06
Nombre de figures : 33
Directeur de mémoire :
Nom : ANDRIANANDRASANA
Prénoms : Boto Jean Espérant
Grade : Maître Assistant
E-mail : [email protected]
