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PLANIFICATION DU RESEAU UMTS ET HSDPA
Chapitre I
Généralités sur les réseaux 3éme génération
INTRODUCTIONLes systèmes de troisième génération sont conçus pour fournir des services
multimédias avec une qualité et une couverture meilleures ou comparables à celles offertes
par les réseaux de 2ème génération telle que le GSM. L’idée fondatrice du système 3G est
d’intégrer tous les réseaux de deuxième génération du monde entier en un seul réseau. Le
système doit donc permettre l’acheminement des communications indépendamment de la
localisation de l’abonné, ce chapitre propose une description sur ce réseau de point de vue
principes de base et architecture.
La majorité des opérateurs des réseaux GSM migrent leurs réseaux vers l'UMTS.
Contrairement à l'introduction du GPRS, l'UMTS nécessite une nouvelle infrastructure
(nouveaux équipements) et des nouvelles méthodologies de dimensionnement différentes de
celles utilisées en GSM. Cette technologie permet de faire transiter davantage de données et
va permettre l’apparition de contenus multimédias sur les téléphones mobiles tel la
visiophonie etc... On parlera alors plutôt de terminaux multimédias. Ainsi, en plus de ces
évolutions technologiques, la troisième génération doit répondre à la notion de qualité, de
variété, de capacité et de couverture.
La figure si dessous montre l’importance de l’augmentation du debit ce qui permet
d’ajouter des nouveaux services, et cela implique un accroissement des profits des operateurs.
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I.1 Caractéristiques des réseaux 3G/UMTS
L’UMTS, depuis sa première version sortie en 1999, a connu de nombreuses
améliorations.
En 2001, une interface réseau de type TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code
Division Multiple Access) a été ajoutée, offrant un meilleur débit par rapport au TD-CDMA
(Time Division-CDMA) de la première version.
En 2002, le support de l’IP (Internet Protocol) au niveau du réseau cœur, de même que le
HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), ont été ajoutés.
En 2005, augmentation du débit pour la voie montante (Uplink) grace au mécanisme HSUPA
(High-Speed Uplink Packet Access).
Ces améliorations se rattachent plus précisément au niveau des équipements, de leur
performance et des interfaces d’interconnexion. Mais, dans l’ensemble, l’architecture des
réseaux UMTS garde une structure standard des réseaux mobiles, composée d’un réseau
d’accès et d’un réseau cœur.
I.2. Réseau d’accès 3G/UMTS
L’UTRAN est le nom attribué au réseau d’accès de l’UMTS. Il réalise les transferts de
trafic de données et de signalisation entre l’appareil mobile (UE) et le réseau cœur. Il
comprend principalement deux entités : le Node B et le RNC, représentées à la figure I.1. Le
Node B établit la connexion de l’utilisateur en transmettant des signaux radio et les flux de
données entre l’interface radio et le RNC. Cette opération se réalise au moyen de l’interface
Iub reliant ces deux nœuds. Les RNC, quant à eux, font la gestion des ressources radio et des
phénomènes de relèves. Ils communiquent entre eux via l’interface Iur et sont reliés aux Node
B par l’interface Iub. Ils servent d’intermédiaire entre l’appareil mobile (UE) et le réseau cœur
en transitant les informations de voix et de données, respectivement, au moyen des interfaces
Iu-cs et Iu-ps de la figure I.2.
Figure 1 - Architecture du réseau d’accès de l’UMTS : UTRAN
I.2.1 Réseau cœur 3G/UMTS
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Le réseau cœur de l’UMTS est composé de trois parties dont deux domaines :
Le domaine CS (Circuit Switched) utilisé pour la téléphonie
Le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets.
Les éléments communs aux domaines CS et PS
Ces deux domaines permettent aux équipements usagers de pouvoir gérer
simultanément une communication paquets et circuits. Ces domaines peuvent
être considérés comme des domaines de service. Ce type d’architecture permet
de pouvoir créer ultérieurement
d’autres domaines de service.
Le schéma représente l’architecture du réseau cœur de l’UMTS :
Figure 2 - Architecture du réseau cœur de l’UMTS
I.2.2 Spectre des fréquences Les bandes de fréquences ont été définies en 1992 puis retouchées en 2000. Les
bandes spectrales pour les composantes terrestres et par satellite des systèmes IMT-2000 sont
806-960Mhz, 1710-2020Mhz, 2110-2300Mhz et 2500-2690Mhz.
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Figure 3 - Allocation du spectre pour les systèmes IMT-2000
I.2.3 Les objectifs de l’UMTS Vu les systèmes déjà existants tels que GSM ou GPRS, ils apparaissent deux contraintes
primordiales pour le succès de nouveau système :
Un service de données temps réel
Un service de données à haut débit
Le premier s’accompagnant le plus souvent mais pas toujours du second. Si le GPRS,
véritable système de transport de paquets, permet en théorie des applications du type courrier
électronique, navigation Web ou téléchargement de fichiers, le besoin de services de données
en temps réel VoIP, ou certains services vidéo par exemple, peuvent difficilement se contenter
de ses performances car il estime que plus de 300 ms de retard pour des paquets de voix est
incompatible avec une restitution de qualité de la parole. Un des buts de l’UMTS est de
fournir des services temps réel au moins jusqu’à 144 kbps pour les données et, éventuellement
dans certains cas, de monter le débit pour certains utilisateurs jusqu’à 2 Mbps dans la cellule.
Cela en continuant à fournir des services de voix performants en adaptant par exemple,
comme en GSM, un ensemble de dispositifs de codage de la parole aux conditions radio du
canal (AMR : Adaptive Multi-Rate).
Les classes de services en UMTS
L’UMTS propose 4 classes de qualité de services selon les applications :
Classe Conversational qui permet aux conversations vocales de proposer une
bande passante contrôlée avec échange interactif en temps réel avec un
minimum de délai entre les paquets.
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Classe Streaming : qui permet aux services de streaming de fournir une bande
passante continue et contrôlée afin de pouvoir transférer la vidéo et l’audio
dans les meilleures conditions.
Classe Interactive : destinée à des échanges entre l’équipement usager et le
réseau comme la navigation Internet qui engendre une requête et une réponse
par le serveur distant.
Classe Background : qui affiche la plus faible priorité, permet des transferts
de type traitements par lots qui ne demandent pas de temps réel et un minimum
d’interactivité (envoi et réception de messages électroniques).
I.2.4. Couverture globale de l’UMTS
Tout comme le réseau GSM, l’UMTS est divisé en plusieurs cellules de
tailles variables. Chacune d’entre elles est présente en fonction de la densité de
population à servir et de la vitesse de mobilité. L’accès par satellite est une
extension.
Figure 4 - Hiérarchie des cellules de l’UMTS
Une pico-cellule permet des débits de l’ordre de 2 Mbits/s lors d’un
déplacement de l’ordre de 10 km/h .
Une micro-cellule permet des débits de l’ordre de 384 kbits/s lors d’un
déplacement de l’ordre de 120 km/h .
Une macro-cellule permet des débits de l’ordre de 144 kbits/s lors d’un
déplacement de l’ordre de 500 km/h .
I.3. L’organisation fréquentielleLes bandes de fréquences allouées pour l’IMT 2000 sont 1885 — 2025 MHz et 2110-
2200 MHz. La figure I.5 présente l’allocation de spectre pour L'UMTS :
La division duplex dans les bandes dites "appairées", c’est, à dire 2 x 60 MHz, est
fréquentielle. L’écart, duplex vaut. 190 MHz. Nous utilisons dans ces bandes un accès
W-CDMA.
La division duplex dans les bandes dites "non appairées", c’est, à dire 35 MHz et 15
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MHz, est. temporelle. Nous utilisons dans ces bandes un accès TD-CDMA.
Les deux modes d’accès doivent, être harmonisés pour favoriser la réalisation de terminaux
bi-modes TDD/FDD à bas coûts.
Figure 5 - Allocation de spectre pour L’UMTS
I.3.1 L’organisation temporelle L’organisation temporelle de l’UMTS est basée sur une super trame de 720 ms,
comportant elle-même 72 trames de 10 ms. Chaque trame de 10 ms est divisée en 15 slots de667µs, cette organisation est présentée par la figure I.6.
Figure 6 - Structure de trams de l’UMTS
I.3.2 Architecture Le réseau UMTS est composé de deux sous réseaux comme l’illustre la figure 7 :
Le réseau cœur ‘Core Network’ et le réseau radio ‘UMTS Radio Access Network’.
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Figure 7 - Architecture du réseau UMTS
I.4.1 Architecture de l’UTRAN L’UTRAN est complètement distinct du BSS du GSM. Il est constitué d’un ou
plusieurs RNC (Radio Network Controller), dont dépendent des Node B, et qui jouent un rôle
proche respectivement des BSC et des BTS en GSM. Un UTRAN peut donc être relié au
réseau cœur par plusieurs liens (un par RNC).
I.4.2. Le RNCLe rôle principal du RNC est de router les communications entre le NodeB et le réseau cœur
de l’UMTS. Il travaille au niveau des couches 2 et 3 du modèle OSI .
Le RNC constitue le point d’accès pour l’ensemble des services vis-à-vis du réseau cœur.
Exemple :
Lorsqu’une communication est établie par un équipement usager, une connexion de type RRC
(Radio Resource Control) est établie entre celui-ci et un RNC du réseau d’accès UTRAN.
Dans ce cas de figure, le RNC concerné est appelé SRNC (Serving RNC). Si l’usager se
déplace dans le réseau, il est éventuellement amené à changer de cellule en cours de
communication. Il est d’ailleurs possible que l’usager change de NodeB vers un NodeB ne
dépendant plus de son SRNC. Le RNC en charge de ces cellules distantes est appelé «
controlling RNC ». Le RNC distant est appelé « drift RNC » du point de vue RRC. Le « drift
RNC » a pour fonction de router les données échangées entre le SRNC et l’équipement
usager.
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Figure 9 – Représentation graphique de l’exemple de communication
1.4.3 Le Node BLe rôle principal du NodeB est d’assurer les fonctions de réception et de
transmission radio pour une ou plusieurs cellules du réseau d’accès de l’UMTS
avec un équipement usager. Le NodeB travaille au niveau de la couche physique
du modèle OSI (codage et décodage). Nous pouvons trouver deux types de
NodeB :
Le RNC et le Nœud B peuvent supporter les deux modes de duplexage FDD et/ou TDD.
I.4.4 Le WCDMA (Wideband-CDMA)
L'interface radio de l'UMTS se base sur le W-CDMA (Wideband Code Division Multiple
Access). Cependant, le W-CDMA se base sur une technique plus ancienne qui est le CDMA
(Code Division Multiple Access). Afin de comprendre les concepts du W-CDMA, il est
important de comprendre la technique du CDMA.
I.4.5 Présentation de la méthode d’accès CDMA
Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une technique d’accès multiple grâce à
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laquelle les différents utilisateurs peuvent communiquer en même temps dans une même
bande de fréquences. La distinction entre chaque utilisateur se fait par codes connus
exclusivement de l’émetteur et du récepteur. C’est, ce mode, plus précisément le W-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 5 MHz. Le signal passe du débit Dd au débit Dc et voit ainsi son spectre
élargi dans la mesure où on utilise une séquence proche de l’aléatoire. Cette dernière est
utilisée de manière périodique, (sa période pouvant être de plusieurs symboles). Le rapport L
= Dc/Dd peut être interprété comme un facteur ou un gain d’étalement (figure 11).
Figure 10 - L’accès CDMA
Figure 11 - L'étalement du spectre
En réception, pour récupérer l’information, le récepteur doit effectuer la même
opération : il génère la même séquence d’étalement et la multiplie au signal reçu. Les données
codées par cette séquence sont restaurées (puissance spectrale augmentée) alors que les
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données des autres utilisateurs restent étalés. Ceci permet de diminuer le niveau de bruit
(figure 1.12) pour le signal en bande de base : plus l’étalement est important, plus les
interférences ne sont éliminées.
Figure 12 - Réduction des brouilleurs
Les avantages du W-CDMA sont :
Un gain de traitement (process gain) plus élevé. En effet, en élargissant la bande, le
signal est moins sensible aux interférences. Cela permet aussi d’augmenter le nombre
d’utilisateurs présents dans une cellule.
La possibilité de transmettre des services à haut débit : Avec 5 MHz de largeur de
bande, nous pouvons atteindre un débit de 2 Mbps.
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 en combinant les signaux pour diminuer le taux d’erreurs et
obtenir ainsi de meilleures performances.
La possibilité de déploiement dans un spectre de fréquences déjà utilisé, qui consiste à
faire cohabiter un système W-CDMA et un autre système cellulaire sur un même spectre
de fréquences. L’inconvénient majeur du W-CDMA est qu’il demande un support
matériel et logiciel plus élaboré qu’un système à bande étroite.
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I.4.6 Le mode TDD
Le multiplexage de type TDD n'utilise qu'une seule bande passante de 5 Mhz divisée en
portions de temps (time slot) utilisables aussi bien pour le débit montant que pour le débit
descendant. Elle comprend donc une composante TDMA (Time Division Multiple Access) en
plus de la séparation par code. Cela permet d’obtenir une large gamme de débits de services
en allouant plusieurs codes ou plusieurs intervalles de temps à un utilisateur.
I.4.7 Le mode FDD
Le multiplexage de type FDD utilise une bande passante de 5 Mhz pour le débit descendant, et une bande passante de 5 Mhz pour le débit montant. Le débit maximal supporté par un seul code est de 384 kbit/s. Afin de pouvoir supporter un débit de 2 Mbit/s, plusieurs codes sont nécessaires.
I.5. Les codes utilisés dans l’UTRAN
I.5.1 Codes de canalisation Ce sont des codes OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). ils ont les
propriétés suivantes :
Les séquences sont rigoureusement orthogonales, c’est-à-dire que l’inter-corrélation
entre deux séquences de code est nulle.
Les séquences ne sont pas toutes de même longueur. Le chip rate de l’UTRAN est
fixe, l’utilisation de codes OVSF permet de faire varier le gain de traitement en
fonction du débit usager.
Ces codes sont définis par un arbre OVSF où chaque nœud possède 2 fils. Les codes
des 2 fils sont issus du code de leur père commun, c'est-à-dire que leur code est composé par
le code du père et de son complémentaire. L’arbre des codes OVSF ainsi créé peut être
représenté sous la forme de la matrice de Hadamard.
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Figure 13 - L'arbre des codes OVSF
I.5.2 Codes d’embrouillageLes codes OVSF de l’UTRAN ne peuvent pas être utilisés tels quels car il ne s’agit pas
de séquences pseudo-aléatoires. Il est donc nécessaire d’avoir recours à un deuxième niveau
de codage, les codes utilisés dans ce dernier sont appelés scrambling codes, ou code
d’embrouillage.
Pour le scrambling uplink, on notera essentiellement qu’il existe 224 codes dans ce sens
uplink. Ces "codes" ou "séquences", vont donc séparer les mobiles entre eux. Pour le
scrambling Downlink, il existe 512 x 512 codes, qui vont séparer les cellules entre elles.
I.5.3 Les differents canaux
I.5.3.1. 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 ; et définis la nature de l’information transportée
les canaux logiques de trafic utilisés pour le transfert des informations dans le plan usager.
Définissent les services fournis par la couche MAC aux couches supérieures
Deux types : Trafic et Contrôle
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Figure 14 - Structure des canaux logiques
I.5.3.2 Les canaux de transportLes 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 transport 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 canaux point à point dédiés à un seul UE
et qui transportent des données de contrôle ou de trafic.
Définissent comment les données sont transportées sur l’interface radio (utilisation des
Transport Formats)
Deux type : Commun / partagé & Dédié
Définissent les services fournit par la couche Physique aux couches supérieures
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Figure 15 : structure des canaux de transports
1.5.3.3 Les canaux physiquesDe manière générale, dans la voie montante, la transmission de plusieurs services en
parallèle dotés de débits différents est accomplie en accommodant plusieurs canaux de
transport dédiés (DCH) dans un seul canal physique de données dédié (DPDCH).
Définissent comment les données sont étalées et modulées sur l’interface radio
Deux types : Commun / partagé & Dédié
Transportent un ou plusieurs canaux de transport selon des règles strictes
Utilisent une trame TDMA de 10-ms
Figure 16 - Structure des canaux physiques en sens descendants communs (Downlink)
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Figure 17 - Structure des canaux physiques en sens montant communs (Uplink)
1.6. Le contrôle de puissance
1.6.1 Le contrôle de puissance uplink (contrôle de la puissance de mobile) Trois boucles de contrôle de puissance sont mises en œuvre dans le système : la boucle
ouverte, la boucle fermée intérieure (inner loop) et la boucle fermée extérieure (outer loop).
La boucle ouverte Elle est utilisée lors de l’accès initial du mobile au réseau d’accès. Le mobile mesure le
niveau de puissance sur le canal balise de la BTS sélectionnée (CPICH) et ajuste la puissance
d’émission de sa demande d’accès en fonction de la perte de propagation estimée dans le
canal. Le mobile, en effet, lit dans les informations système transmises par la station de base
la puissance utilisée par le canal balise et déduit les pertes précédentes d’après :
Pertes de propagation = puissance émise sur la balise - Puissance reçue par le mobile sur la
balise.
La boucle fermée intérieure entre la BTS et le mobile (inner loop)
Elle est située entre le Noeud B et le mobile (inner loop). Lorsque le mobile est en phase detransmission, sa puissance d’émission est contrôlée (en WCDMA) à tous les slots, soit à unefréquence F de 1500 Hz par les stations de bases avec lesquelles il est en communication (softhandover). Cette boucle de contrôle de puissance est très rapide, elle doit notamment permettre de compenser au maximum le fading du coté réception station de base. Les stations de bases disposent d’une consigne E qui dépend notamment de la nature de la connexion en cours et envoie des consignes au mobile tous les 1 / F seconde lui demandant d’augmenter ou de diminuer sa puissance en fonction de l’écart entre le E mesuré sur le canal dédié reçu et le de la consigne. Il s’agit d’une mesure énergétique. Les bits de consignes (appelés TPC en UMTS) sont transmis dans la partie de contrôle.
La boucle de puissance extérieure entre le contrôleur de station de base et la BTS (outer
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loop)
La boucle de puissance extérieure entre le contrôleur de station de base et la BTS (outer
loop) :
C’est une boucle plus lente que la précédente. Le contrôleur de station de base fixe la valeur
de la consigne et la transmet aux stations de base pour les besoins de l’inner loop. Cette valeur
de consigne est calculée d’après une mesure de qualité des trames reçues des stations de base
respectives sur une certaine durée (FER : Frame Error Rate,...). Il s’agit d’une mesure de
qualité "numérique". Si la qualité résultante est en effet trop élevée, on peut diminuer la
consigne, ce qui conduira le mobile à transmettre moins fort. Si elle est trop faible, il faudra
au contraire l’augmenter, le mobile transmettant alors plus fort.
I.6.2 Le contrôle de puissance Downlink (contrôle de la puissance des canaux de la
BTS)
Les canaux dédiés uplink comprennent une partie trafic et une partie contrôle. En
WCDMA, Les bits de commande de puissance (TPC) indiquent à la station de base qu’il faut
augmenter ou diminuer par pas l’amplitude des signaux émis sur le
"code"enquestion.Cependant, la station de base dispose d’un "réservoir" de Puissance fixe lié
aux performances de son amplificateur de puissance.
Si la cellule est fortement chargée et qu’un trop grand nombre de mobiles réclament
simultanément et trop souvent une augmentation de puissance, il pourra devenir difficile de
satisfaire cette demande et donc il convient de veiller par exemple à prévoir des mécanismes
de transfert d’un certain nombre de ces mobiles gourmands en puissance sur des cellules
moins chargées que la cellule courante.
I.6.3 Les different types de Handover
Les appareils mobiles permettent de communiquer en mouvement. Cela implique
qu’il arrive que ceux-ci se retrouvent dans une zone de chevauchement de deux
cellules. Il ne faut en aucun cas couper une communication. Il existe plusieurs
types de handovers
I.6.4 Le Soft handover
lorsqu’un appareil mobile se trouve dans une zone de couverture commune à deux stations de
base. Les communications du mobile empruntent simultanément deux canaux différents pour
atteindre les deux stations de base.
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1.6.5 Softer-Handover
lorsqu’un appareil mobile se trouve dans une zone commune de deux secteurs couverts par la
même station de base.
1.6.6 Hard handover inter-fréquences
permet à un appareil mobile de passer d’une fréquence à une autre.
1.6.7 Hard handover inter-systèmes
permet à un appareil mobile de passer d’un système à un autre
1.7 Les limite de l’UMTS
Malgré tous les espoirs mises sur ce nouveau standard de réseaux, l’UMTS présente
plusieurs inconvénients dont principalement le :
• Prix de licence élevé
• Effort de développement important à fournir par les équipementiers
• Effort important à fournir par les opérateurs
• Changement des équipements usagers
• Concurrent du WiMax (30 Mbits/s)
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Nous avons présenté une vue globale du réseau 3G-UMTS en s’intéressant particulièrement
au réseau radio " UTRAN ". Nous avons aussi présenté la technique d’accès multiple
WCDMA. En revanche, cette technique dépend de plusieurs contraintes (conditions radio, la
charge, la mobilité...) qui ont un impact sur la qualité, la capacité et la couverture radio. Ainsi,
dans le chapitre suivant, nous étudierons en détails les HSDPA et HSUPA.
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