L’architecture du réseau GSM

Le réseau GSM

Le GSM (Global System for Mobile communications), est un système cellulaire et numérique de télécommunication mobile. Il a été rapidement accepté et a vite gagné des parts de marché. L’utilisation du numérique pour transmettre les données permet des services et des possibilités élaborées par rapport à tout ce qui a existé. On peut citer, par exemple, la possibilité de téléphoner depuis n’importe quel réseau GSM dans le monde. Les services avancés et l’architecture du GSM ont fait de lui un modèle pour la troisième génération des systèmes cellulaires, le réseau UMTS. Dans ce chapitre, nous allons présenter les caractéristiques principales du système GSM.

Durant des siècles, l’homme s’est contenté de la parole ou des écrits comme seuls moyens de communication entre deux personnes éloignées d’une distance importante. En 1982, lors de la Conférence Européenne des Postes et Télécommunications (CEPT) que fut créé le Groupe Spécial Mobile (GSM). En 1985, la Commission Européenne annonce l’imposition de la norme issue du GSM. En 1987, le choix est arrêté sur la transmission numérique AMR. En 1989, les travaux du Groupe Spécial Mobile « GSM » sont transférés au comité « SMG » de l’Européen Télécommunication Standards Institute (ETSI), qui poursuit les tâches de normalisations. Notons que c’est cette comité qui mettra au point le module d’identité d’abonné SIM. Le groupe « GSM » change alors de signification : de « Groupe Spécial Mobiles » il devient « Global System for Mobile communications » En 1991 fût réalisé la première communication entre un mobile et un abonné fixe. Les premiers terminaux sont représentés au Salon Télécom à Genève cette même année. Puis on assiste à l’ouverture des systèmes d’essai à Paris. Et c’est en 1992 que fût ouvert le système GSM ITINERIS de France Telecom, rejoint plus tard par SFR du groupe Cegetel et par Bouygues Telecom (1994).

L’explosion du marché des mobiles, sa croissance soutenue et l’apparition de nouveaux services amènent les réseaux GSM actuels à leur limite. Le débit de 9,6 kb/s, défini à l’origine, est insuffisant pour couvrir les nouveaux besoins de transferts de données et constitue un frein à la diffusion de contenus multimédias. Les premières applications WAP (norme permettant l’affichage de pages Web sur les Mobiles) sur réseau sans fil souffrent encore de temps de connexion et de réponse trop long, surtout quand les appels sont facturés à la durée. De plus, la qualité de service est encore insuffisante et la fiabilité des communications doit être améliorée. Les nouvelles normes de téléphonie hauts débits, tels GPRS, EDGE et UMTS devraient résoudre ces problèmes et bouleverser à terme les possibilités.

Le concept cellulaire

Au début de la téléphonie mobile, le but était d’atteindre une grande surface avec une seule antenne puissante, située de préférence sur une grande tour. Avec ce système il était impossible de réutiliser les fréquences sur la surface couverte par l’antenne et par conséquent le nombre d’usagers était limité. Le concept cellulaire a beaucoup apporté dans le design des réseaux pour résoudre le problème de l’encombrement du trafic et pour permettre à l’opérateur d’utiliser les fréquences à disposition avec plus d’efficacité. Avec ce concept nous admettons qu’une cellule sert une surface beaucoup plus petite à l’aide d’une station de base. Le nombre de canaux alloué à une station représente seulement une portion de tous les canaux alloués au système complet. Un canal est en général composé d’une fréquence. Les stations voisines les unes des autres ont droit à des canaux différents pour qu’elles ne s’empiètent pas.

Par contre nous pouvons utiliser des canaux (fréquences) identiques si deux cellules sont suffisamment éloignées l’une de l’autre. Ceci permet ainsi de résoudre le problème de l’encombrement, ou en d’autres termes un plus grand nombre d’utilisateurs pourra faire usage du téléphone cellulaire simultanément. Plus le nombre de cellules est grand pour une surface donnée, plus le nombre d’utilisateurs pourra être grand également. La puissance d’émission doit être adaptée à la dimension de la cellule. A la campagne les cellules sont de dimension plus importante étant donnée le faible nombre d’utilisateurs. La planification des fréquences consiste à attribuer des fréquences (canaux) à des cellules. Nous pouvons utiliser un même ensemble de canaux pour des cellules suffisamment éloignées. On parle alors de « réutilisation de fréquences ».

Dimensionnement du réseau GSM

Le dimensionnement doit prendre en compte les contraintes radio et les contraintes de trafic. Il est possible, dans un premier temps, pour une zone géographique donnée, d’estimer la capacité globale d’un système GSM, en exploitant le modèle hexagonal théorique. Soit un système avec S canaux disponibles. Le nombre de canaux voix disponibles n’est pas égal au nombre de canaux en fréquences. Pour chaque cellule, il faut réserver une voix balise qui contient les canaux de synchronisation (FCH, SCH et BCCH) : ces canaux permettent aux mobiles de détecter la présence des stations de base. Lors de l’attribution d’un certain nombre de fréquences à une station de base, il faut donc éliminer une des fréquences pour compter les ressources radios. D’autre part, chaque canal en fréquence est susceptible de fournir 8 canaux de données TCH (chaque trame contient 8 slots multiplexés) : le nombre total de canaux est donc égal à 8 fois le nombre de canaux en fréquence. Cependant, certains canaux communs, et en particulier la voix balise, nécessitent des ressources. On considère en général, qu’un huitième des ressources est utilisé pour les canaux communs (y compris la voix balise).

Réutilisation des fréquences

Le principe de réutilisation des fréquences est un concept propre aux schémas d’accès radio FDMA et TDMA basés sur la subdivision du spectre radio. Il consiste en l’allocation de canaux physiques de même fréquence à des cellules qui sont suffisamment éloignées pour ne pas générer d’interférences Co-canal. Grâce à ce principe, le réseau parvient à gérer un nombre de communications simultanées beaucoup plus grand que le nombre de fréquences disponibles. Le principe de réutilisation des fréquences a donné lieu à plusieurs stratégies d’allocation. On distingue principalement deux techniques de gestion des ressources radio. La première nommée allocation fixe de fréquences (Fixed Channel Assignment) consiste à allouer un ensemble de fréquences nominales à chaque station d’une manière permanente. Dans la technique d’allocation dynamique des fréquences (Dynamic Channel Assignment) aucune affectation des fréquences aux stations n’est opérée à priori. Les fréquences sont attribuées aux communications à leurs arrivées. Des techniques intermédiaires ont aussi été proposées telles que : l’allocation hybride des fréquences (Hybrid Channel Assignment) et l’allocation par empreint (Channel Borrowing). La figure II.3 représente un exemple de réutilisation des fréquences, où chaque cellule est munie d’une couleur, représentant une fréquence

Conclusion générale

Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressées au problème d’affectation des fréquences dans le réseau cellulaire de deuxième génération. A travers ce projet de fin d’étude, nous avons développé un outil d’optimisation permettant de donné un plan de fréquences optimale dans le réseau GSM basé sur les algorithmes génétiques. Pour évaluer les performances de notre algorithme, nous avons considéré le réseau cellulaire de l’opérateur MOBILIS pour la ville de Maghnia. En effet, nous nous sommes servi des positions des sites et le nombre de fréquence allouées pour chaque cellule du réseau de Maghnia. Les résultats obtenus (zéro Co-BCCH) montrent clairement l’efficacité et la robustesse de l’approche utilisée. Comme perspectives de ce travail, d’autres approches d’affectation des fréquences basées sur différentes heuristiques (algorithme de tabou …) peuvent être développées. Il est aussi envisageable de comparer notre outil développé avec des logiciels spécialisés dans ce type de problème à l’instar du logiciel Atoll (Wireless Network Engineering Software), ceci va nous permettre de valider l’approche utilisée. Enfin ce travail nous a été très enrichissant. Il nous a permis de toucher de prés une partie très importante dans la planification des réseaux GSM. Nous souhaitons que le présent travail satisfasse ses lecteurs.

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Table des matières

RESUME
TABLE DES MATIERE
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
GLOSSAIRE
INTRODUCTION GENERALE
I.1. Introduction
I.2. Historique
I.3. Présentation de la norme GSM
I.4. L’architecture du réseau GSM
I.5. Sous système radio (BSS
I.5.1.1 Station de base (BTS)
I.5.1.2 Contrôleur de station de base (BSC
I.5.2 Sous système réseau (NSS
I.5.2.1 Commutateur (MSC
I.5.2.2 Enregistreur de localisation des visiteurs (VLR)
I.5.2.3 Enregistreur de localisation nominale (HLR
I.5.2.4 Centre d’authentification (AUC)
I.5.2.5 Enregistreur des identités des équipements (EIR)
I.5.3 Le sous système d’exploitation et de maintenance(OSS)
PARTIE I : Architecture générale d’un réseau GSM
I.5.4 La station mobile (MS)
I.6. Les interfaces du réseau GSM
I.7. La Transmission radio
I.7.1 Allocation des fréquences
I.7.2 Les canaux physiques
I.7.2.1 Multiplexage fréquentiel FDMA
I.7.2.2 Multiplexage temporel TDMA
I.7.3 Les canaux logiques
I.8. Le concept cellulaire
I.8.1 Cellule
I.8.2 Déploiement des réseaux cellulaires
I.8.2.1 La macro cellule omnidirectionnelle
I.8.2.2 La macro cellule bi sectorisée
I.8.2.3 La macro cellule tri sectorisée
I.8.2.4 Le modèle hexagonal
I.8.2.5 conclusion
II.1 Introduction
II.2 l’objectif de la planification
II.2.1 L’objectif
II.3 contraintes radio
II.3.1 Rapport signal sur bruit C/N
II.3.2 Rapport signal sur interférences C/I
II.3.2.1 Les interférences
II.3.2.2 le rapport C/I
PARTIE II : Planification radio dans le réseau GSM
II.4 Contraintes de trafic
II.5 Planification du réseau GSM
II.5.1 Dimensionnement du réseau GSM
II.5.2.Analyse du trafic et de la couverture
II.5.2.1 Collecte des données de base
II.5.2.2 Calcul de trafic
II.5.3 Allocation et Réutilisation des fréquences
II.5.3.1 Réutilisation des fréquences
II.5.3.2 Le motif cellulaire
II.5.4 Exemple
II.6 Conclusion
II.1 Introduction
III.2 Algorithme génétique
III.2.1 Présentation général
III.2.2 Principe d’algorithme génétique
III.2.2.1 L’opérateur de sélection
III.2.2.2 L’opérateur de croisement
III.2.2.3 L’opérateur de mutation
III.2.3 Paramètre de la population
III.2.4 Paramètre des conditions d’arrêt
III.2.5 Algorithme
III.3.L’Algorithme génétique implémenté
III.4 Les étapes d’algorithme génétique implémenté
III.5. Résultats obtenus
PARTIE III: Algorithme génétique pour l’affectation des fréquences
III.6 Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques