ASPECTS TECHNIQUES DE LA TECHNOLOGIE HSDPA

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Le réseau cœur de l’UMTS

Le réseau cœur regroupe l’ensemble des équipements assurant les fonctions de contrôle de la sécurité et de gestion de l’interface avec esl réseaux externes. C’est à ce niveau que l’on peut percevoir la modularité de l’architecture d’un réseau UMTS.
Le domaine du réseau cœur peut se diviser en deux s ous réseaux :
– le domaine à commutation de circuits (CS) qui es t mieux adapté pour la transmission de la voix et pour les services de type temps réel
– le domaine à commutation de paquets (PS) qui ass ure la connexion aux réseaux utilisant le protocole IP et aux réseaux X.25. Il est plus approprié à la transmission de données. [10], [11]

Domaine à commutation de circuits

– MSC « Mobile Services Switching » : Centre de commutation des mobiles qui assure l’interface avec le réseau cœur pour un mobi le accédant aux services à commutation de circuits par l’interface radio. Il gère les procédures d’enregistrement des abonnés, leur authentification, la mise à jour de leur position dans le réseau et la sécurisation de l’accès au système.
– VLR « Visitor Location Register » : enregistre une base de données où est enregistré la position de l’abonné et son déplacement dans une zone de localisation qui lui est associée.
– GMSC « Gateway MSC » : c’est le MSC qui est interconnecté aux réseaux externes à commutation de circuit (RTC, RNIS, etc), il fait donc fonction de passerelle en plus des fonctions classiques du MSC ;
– SGSN « Serving GPRS Support Node » : il a les mêmesfonctions que celles du MSC mais dans le domaine paquet ;
– GGSN : il fait fonction de passerelle entre le réseau UMTS et les réseaux externes à commutation de paquets (Internet, etc)
– HLR : la base de données contenant toutes les informations des abonnées (IMSI, ISMSDN,etc)
– AUC : la base de données contenant les clés, les algorithmes et les procédures utilisés pour l’authentification des clients ;
– EIR : la base de données contenant les identifiantsdes terminaux (IMEI) elle peut être utilisée pour contenir la liste des terminauxvolés ;
– VHE : ce n’est pas une entité physique mais plutôt un concept de portabilité à travers les réseaux. Il permettra à l’utilisateur de retrouver ses servi ces avec la même ergonomie quels que soient sa localisation etle réseau visité, lui donnant ainsi la sensation de garder au cours de ses déplacements le même environnement de communication que dans sa zone de service habituelle. [10],[11]

Domaine à commutation de paquets

Le domaine à commutation de paquets utilise l’archi tecture GPRS et permet de se connecter à des réseaux PDP (Packet Data Protocol) tel Interne. Certaines entités sont communes aux domaines CS et PS.
Le nœud de service GPRS (SGSN pour Serving G PRS Support Node) peut être comparé à l’ensemble MSC/VLR du domaine CS. Le SGSN est en charge de l’acheminement des paquets de données depuis et vers la station mobile situéedans la zone qu’il dessert.
Le nœud passerelle du GPRS (GGSN) joue le rôle d’in terface entre le réseau fédérateur GPRS intra-PLMN et les réseaux à commutation de paquets externes. Il est savoir qu’un PLMN (Public Land Mobile Network) est un réseau UMTS ou GSM appartenant à un opérateur agréé.
Ces 2 nœuds sont interconnectés via un réseau fédérateur fondé sur le protocole IP. Il existe aussi un réseau fédérateur inter-PLMN qui connecteentre eux les SGSN et les GGSN de différents PLMN.
Le protocole utilisé est GTP (GPRS Tunnel Protocol)qui s’appuie sur TCP pour un transport fiable et UDP pour un transport non fiable ainsi que sur le protocole IP pour le routage dans le réseau fédérateur. Pour les échanges de signalisation entre le SGSN et les bases de données HLR, VLR, EIR, c’est les mêmes protocoles utilisés parel MSC dans le domaine CS à savoir MAP et l’architecture de signalisation SS7.

Les protocoles radio

Les protocoles de communication sur l’interface d’a ccès peuvent se distinguer en trois couches :
– La couche physique
– La couche liaison de donnée
– La couche contrôle de ressources radio (RRC)
Un découpage en vertical permet de distinguer le plan de signalisation qui supporte le transfert des messages de signalisation entre le mobile et le réseau et le plan usager qui supporte le transfert des données utilisateurs. [9], [15]

les canaux

Les canaux de transport sont le point d’accès aux services de la couche physique tandis que les canaux logiques sont le point d’accès aux services de la couche MAC. Un troisième type de canal existe, ce sont les canaux physiques qui sont les ressources utilisées sur l’interface radio pour la transmission des informations. [9]

les canaux logiques

Les canaux logiques se divisent en deux :
– les canaux logiques de contrôle utilisés pour le transfert des informations dans le plan de signalisation
– les canaux logiques de trafic utilisés pour le transfert des informations dans le plan usager

les canaux de transports

Les canaux de transport se divisent en trois :
– les canaux de transport communs utilisés pour le transfert d’information d’un ou de plusieurs UE
– les canaux de transport partagés utilisés pour le ransport des données de contrôle ou de trafic uniquement en voie descendante et partagés dynamiquement par différents utilisateurs
– les canaux de transport dédiés qui sont des canauxpoint à point dédiés à un seul UE et qui transportent des données de contrôle ou de trafic

la couche physique

présentation

La couche physique fournit le service de transfert d’information à la couche MAC au travers des canaux de transport. En émission, les donnéesfournies par la couche MAC sont passées dans une chaîne de codage de canal avant d’être transmises sur le médium physique. En réception, les données reçues sur un canal physique sont passées dans une chaîne de décodage de canal avant d’être remises à la couche MAC. [9]

fonctionnalités

La couche physique effectue :
– le codage/décodage canal pour la protection contreles erreurs sur les canaux de transport
– le multiplexage de plusieurs canaux de transport en un bloc composite CCTrCH (Code Composite Transport Channel) et la répartition de ce CCTrCH sur un ou plusieurs canaux physiques ; en réception, le CCTrCH est démultiplexé sur les canaux de transport
– l’adaptation du débit qui consiste à rajouter ou à retirer des bits de protection pour ajuster la taille des données à la capacité du canal physique
– la modulation et l’étalement de spectre ainsi que leur fonction inverse
– la synchronisation en fréquence et en temps
– le contrôle de puissance en boucle fermée
– l’exécution des mesures et l’indication des résultats de mesures aux couches supérieures
– le support de la macro-diversité (un UE peut communiquer avec plusieurs Nœud B en même temps) [9]

Les opérations de la couche physique

contrôles d’erreurs

Le contrôle d’erreurs regroupe les fonctions d’ajou t du CRC et de codage canal. Il permet de protéger les informations contre les erreurs dues à la transmission sur l’interface radio. La détection d’erreurs par CRC (Cycling Redundant Check) est une méthode qui consiste à ajouter à chaque bloc de transport des bits de parité qui permettent de détecter les erreurs à la réception tandis que la technique de codage canal produit des bits redondants qui seront utilisés sur l’entité réceptrice pour corriger les erreurs de transmission.
Il existe deux techniques de codage canal :
– Le codage convolutionnel où le codeur quand il reço it un bit en sort deux ou trois selon le taux de codage.
– le codage Turbo qui peut être vu comme la concaténation de deux codeurs convolutionnels qui opèrent en parallèle. Il permet d’atteindre destaux d’erreurs inférieurs à 10-5. [7], [9]

Concaténation ou segmentation des blocs detransport

La concaténation et la segmentation des blocs de ransport préparent les données pour la phase de codage canal. Lorsque plusieurs blocs de transport d’un même canal de transport sont à émettre sur un même intervalle de temps (TTI), lesdifférents blocs sont concaténés en un bloc unique, fourni ensuite en entrée à la fonction de codage canal.

Egalisation ou adaptation du débit

L’égalisation (ou ajustement) permet d’adapter la taille des blocs, en sortie du codage canal, à la capacité du canal physique, le nombre de bits n’étant pas forcément égal au nombre de bits d’information que peut transporter un canal physique.
L’adaptation du débit consiste à retrancher ou rajouter des bits dans les flots d’information de chaque canal de transport. En effet, le débit dans une trame d’un canal physique est limité. De plus, au cours d’une connexion, un même canal physique peut convoyer des bits d’informations issus de différents canaux de transports. Il faut donc adapter le débit à la sortie de chaque canal de transport. [7], [9]

1er et 2ème entrelacements

Les fonctions d’entrelacement ont pour but de rendre la répartition des erreurs plus aléatoire et d’augmenter ainsi les performances du correcteur d’erreurs. Ce procédé consiste à mélanger une séquence de bits en émission. Il exist2 catégories de techniques d’entrelacement : l’entrelacement par bloc et l’entrelacement conv olutionnel. [7], [9]

Segmentation des trames

Cette fonction a pour but de segmenter la séquence de bits contenue dans un TTI en un nombre entier de trames consécutives.

Multiplexage des canaux de transport

Chaque canal de transport délivre une séquence binaire codée. Ces séquences sont ensuite concaténées les unes après les autres pour ne créerqu’un flot binaire unique en série : le canal de transport composite codé ou CCTrCH. [9]

Segmentation pour le canal physique

Cette fonction est mise en œuvre lorsque plusieurs canaux physiques sont utilisés pour transporter les données d’un CCTrCH particulier. [9]

Etalement et modulation

Ces opérations adaptent les données binaires à la ransmissiont sur l’interface radio. L’étalement de spectre va permettre à plusieurs utilisateurs d’être présents simultanément sur une même bande de fréquence.
La modulation utilisée sera de type QPSK et va permettre la transmission de deux bits par symbole ou, plutôt de deux chips par symbole puisqu e le signal binaire a déjà été étalé. [9]

La couche MAC

La couche MAC gère l’accès au médium de transmissio à travers un ensemble de fonctions :
– l’association des canaux logiques avec les canaux de transport
– la commutation, sur ordre de RRC, du type de canal de transport associé à un canal logique qui permet d’adapter dynamiquement les ressources mobilisées à l’activité de la source du trafic
– le contrôle du volume de trafic sur chaque canal de transport actif
– la gestion des priorités entre les différents fluxde données d’un utilisateur et entre les différents utilisateurs sur les canaux communs et esl canaux partagés par l’agencement de leurs trafics
– le multiplexage en émission des données de plusieur canaux logiques sur un canal de transport
– le démultiplexage en réception de plusieurs canauxlogiques supportés par un seul canal de transport
– l’identification des mobiles lorsqu’ils utilisent l es canaux de transport communs.
La couche RRC gère la connexion de signalisation établie entre l’UTRAN et le mobile, PDCP compresse les en-têtes de protocoles des paquets TCP/IP, BMC assure la diffusion de messages usagers sur l’interface radio pour un service, et RLC assure la transmission fiable d’informations en provenance du plan usager ou du plan de contrôle, sur l’interface radio entre le mobile et l’UTRAN. [9]

Caractéristiques techniques du réseau

Méthode d’accès

Le principe de base des réseaux radio mobiles est de partager un ensemble limité de canaux pour qu’un maximum d’utilisateurs puisse l’utiliser simultanément.
Contrairement au GSM où les utilisateurs sont séparés par la fréquence (FDMA) et en temps (TDMA), l’UMTS utilise le mode d’accès CDMA en identifiant ainsi les utilisateurs par un code.

CDMA

Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une technique d’accès multiple grâce à laquelle les différents utilisateurs peuvent communiquer en même temps dans une même bande de fréquences. Cette méthode augmente donc la capacité du réseau (la fréquence n’est plus une ressources rare puisque nous pouvons utiliser une seule fréquence pour un réseau UMTS). [7], [8] La distinction entre chaque utilisateur se fait par codes connus exclusivement de l’émetteur et du récepteur. C’est ce mode, plus précisément le WCDMA- (Wideband CDMA) qui est retenu pour le réseau d’accès radio de l’UMTS. Il est dit« à large bande » avec une largeur de bande de 5MHz.

Les avantages du CDMA Les avantages sont :

– Gain de traitement plus élevé. En effet, en élargissant la bande, le signal est moins sensible aux interférences. Cela permet aussi d’accroître le nombre d’utilisateurs présents dans une cellule.
– Possibilité de transmettre des services à haut débit. Avec 5MHz de largeur de bande, on peut atteindre du 2Mbps en débit.
– Meilleures performances pour détecter les trajets multiples. En effet, dans un canal de propagation à trajets multiples, des versions décalées du signal transmis parviennent à des intervalles de temps différents. Cette propriété qui était un inconvénient dans d’autres systèmes, va être utilisée dans un système CDMA encombinant les signaux pour diminuer le taux d’erreurs et obtenir ainsi de meilleures performances.
– Possibilité de déploiement dans un spectre de fréquences déjà utilisé. Cela consiste à faire cohabiter un système W-CDMA et un autre système celulaire sur un même spectre de fréquences. [10]

Mode d’accès

Selon l’ETSI, les deux modes d’accès définis pour ‘interfacel radio UTRA de l’UMTS sont :
· Mode W-CDMA : utilisé en FDD (Frequency Division Duplex) pour les bandes UMTS appairées (2´60 MHz).
· Mode TD/CDMA : utilisé en TDD (Time Division Duplex) pour les bandes UMTS non appairées (35 MHz).

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 EVOLUTIONS DU SYSTEMES RADIO MOBILE
1.1 Les différentes phases d’évolution de la technologie mobile
1.1.1 Les organismes de normalisation
1.1.2 Les différentes phases d’évolution du système radio mobile
1.2 Architecture générale du réseau 3G UMTS « Universal mobile for Telécommunications system »
1.2.1 Structure Logique d’un réseau UMTS
1.2.2 Les protocoles radio
1.2.3 Les opérations de la couche physique
1.2.4 La couche MAC
1.2.5 Caractéristiques techniques du réseau
1.3 Le contrôle de puissance
1.4 Les problèmes majeurs de l’UMTS
1.4.1 Interférences intra et extracellulaire
1.4.2 Une couverture insuffisante et terminale peu nombreux
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 ASPECTS TECHNIQUES DE LA TECHNOLOGIE HSDPA
2.1 Introduction
2.1.1 Signification du HSDPA
2.1.2 Présentation générale
2.1.3 Architecture de Protocole
2.2 La technique d’accès W-CDMA
2.2.1 Notions de base
2.2.2 Etalement de spectre par séquences directes
2.2.3 Codes d’étalement
2.3 Aspects Techniques de la Technologie HSDPA
2.3.1 Mécanisme de retransmission hybride HARQ
2.3.2 Modulation et codage adaptatifs
2.3.3 Canaux HSDPA
2.3.4 Ordonnancement rapide (Fast Scheduling)
2.4 Fonctionnement de la couche physique
2.4.1 L’ordonnanceur dans le Node B
2.4.2 Identification des paramètres HS-DSCH
2.4.3 Communication des paramètres au terminal
2.4.4 Décodage des informations de contrôle
2.4.5 Envoi d’un ACK ou NACK
2.5 Spécificité du mobile HSDPA
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 CAPACITE DU HSDPA SELON LA TECHNIQUE DE SEQUENCEMENT ET DIMENSIONNEMENT
3.1 Introduction
3.2 Formulation mathématique du débit selon la technique de séquencement
3.2.1 La technique de séquencement “Fair Time/Resource”
3.2.2 La technique de séquencement « Fair Throughput »
3.2.3 La technique de différentiation des services avec priorité « Prioritized Differentiated Services Scheduling »
3.2.4. La technique de différentiation pondérée des services: “Weighted Differentiated Services Scheduling” ou “Weighted Round Robin (WRR)”
3.3 Cas de trafic uniforme dans la cellule
3.4 Dimensionnment de la technique HSDPA
3.4.1 Détermination de la taille de la cellule en fonction de la technique de séquencement envisagée
3.2 Modélisation mathématique de la distribution du CQI avec effet de masque
3.3 Organigramme proposé pour le dimensionnement du HSDPA
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 SIMULATION D’UN SYSTEME DE TRANSMISSION NUMERIQUE BASE SUR LA TECHNOLOGIE HSDPA
4.1 Chaîne de transmission numérique classique
4.1.1 Introduction
4.1.2 La source
4.1.3 Le codeur de source
4.1.4 Le codeur de canal
4.1.5 Modulateur numérique
4.1.6 Le canal de transmission
4.1.7 Démodulateur numérique
4.1.8 Le décodeur et destinataire
4.2 Modulations numériques
4.2.1 Modulations numériques classiques
4.2.2 Modulation par déplacement de phase en quadrature (QPSK)
4.2.3 Modulation d’amplitude en quadrature (QAM)
4.3 Simulation d’une chaine de transmission numérique basée sur la technologie HSDPA
4.3.1 Schéma bloc de transmission (Simulink)
4.3.2 Initialisation et simplification
4.3.3 Descriptions de chaque bloc
4.3.4 Résultats de la simulation
4.4 Performance SER « Symbole Error Rate » théorique vs pratique
4.4.1 Pour la modulation QPSK
4.4.2 Interprétation
4.4.3 Pour la modulation 16-QAM
4.4.4 Interprétation
4.5 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXES
BIBLIOGRAPHIE

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