PFE Technologie MIMO et Femtocells pour l'amélioration de la perfomance du HSPA

Amélioration de la QoS radio indoor dans les réseaux mobiles 3G

BOKRI Ghada

Introduction générale

« C’est l’innovation qui différencie les leaders des suiveurs »

Steve Jobs

L’industrie radio-mobile a connu des développements considérables en termes de technologie

et d’abonnés. En effet cette évolution rapide des technologies sans fil a arrivé à accroitre

considérablement le nombre d’utilisateurs à travers le monde.

Malgré cette évolution, la couverture indoor pose toujours des problèmes dans les zones à

forte densité d’utilisateurs. Pour remédier à cela, il est crucial pour les opérateurs des réseaux

mobiles d’entamer une planification dont les procédures et démarches soient à la fois simples,

peu coûteuses et robustes tenant compte des tendances de la technologie. De ce fait,

l’utilisation d’un outil de simulation de la couverture radio s’avère d’une extrême importance.

C’est dans ce cadre que notre projet de fin d’études déroulé au sein de Tunisie Telecom

s’inscrit. On propose des méthodes de dimensionnement, de planification et de simulation

d’un réseau HSPA+ avec la technologie MIMO comme première solution et avec les

Femtocells comme seconde solution venant s’ajouter sur des connexions existantes pour

améliorer les signaux reçus par les mobiles en indoor.

Le présent rapport s’articule autour de quatre chapitres :

Le premier chapitre rappelle brièvement les différents milieux de couverture ,et présente les

aspects de la nouvelle technologie femtocell et de l’état actuel de réseau HSPA+ de Tunisie

Telecom pour bien expliquer le besoin de dimensionnement et de planification de ce réseau

avec la technologie MIMO.

Le deuxième chapitre sera consacré au dimensionnement du réseau HSPA+ avec la

technologie MIMO et avec les Femtocell et à l’informatisation d’une tâche qui est le calcul du

bilan la liaison et la présentation des principales interfaces de l’application.

Le dernier chapitre met en relief la partie réalisation, il détaille la procédure de planification

du réseau HSPA+ qui contiendra une présentation de l’outil de planification et simulation

‘’Atoll’’, une 1ère densification par MIMO et une 2ème

par les Femtocells.

On achève ce rapport par une conclusion générale tout en évoquant quelques perspectives.

http://www.futura-sciences.com/fr/citation/t/high-tech-2/d/-822036d86c/


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Cadre général du projet

Cette partie est consacrée à la présentation du cadre général du projet de fin d’étude.

Organisme d’accueil

Tunisie Télécom se place aujourd’hui parmi les plus grands opérateurs des

télécommunications de la région. Leader sur le marché des télécommunications en Tunisie,

l’opérateur historique, global, intégré, est présent sur les segments du fixe, du mobile et de

l'internet. Il s'adresse aussi bien au Grand public qu'aux Entreprises et opérateurs tiers.

Avec environ 7 millions d’abonnés, l’opérateur incarne aujourd’hui les valeurs de proximité,

d’accessibilité et d’universalité en visant toujours une meilleure qualité de service et une

satisfaction client de référence au travers de ses 84 agences commerciales, ses nombreux

centres d’appels, et ses 13000 points de vente. Il emploie plus de 8000 agents, dont 42% de

cadres.

Cadre du projet

Le présent projet intitulé " Amélioration de la QoS radio mobile indoor dans le réseau 3G",

s’inscrit dans le cadre de la préparation d’un projet de fin d’études en vue de l’obtention du

diplôme ingénieur en communications et réseaux à l’Ecole Nationale d’Ingénieur de Gabès

pour l’année universitaire 2012/2013.

Il décrit mon travail de quatre mois au sein du service Radio de la société Tunisie Telecom.

Le but de mon projet de fin d’étude est d’étudier la couverture indoor dans les zones Hot Spot

et de proposer des solutions basées sur l’application des femtocells et le dimensionnement et

la planification de réseau HSPA+ de Tunisie Telecom en utilisant la technologie MIMO. Mon

travail est basé sur la manipulation de l’outil de planification radio Atoll et le langage de

programmation WINDEV.


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CHAPITRE 1

Description des technologies MIMO

et Femtocell dans le réseau 3G

« If you have no critics you'll likely have no success »

Malcolm X

1.1.Introduction

Pendant la dernière décennie, les normes relatives à la téléphonie mobile

ont considérablement évolué.

Malgré cette évolution indéniable, la couverture indoor pose toujours des problèmes surtout

dans les zones à forte densité d’utilisateurs. Pour remédier à cela, maintes solutions peuvent

avoir lieu. Les femtocells qui sont de minuscules systèmes radio 3G à faible consommation et

la technologie MIMO constituent une solution très efficace. Ces équipements viennent

s’ajouter sur des connexions existantes pour améliorer les signaux reçus par les mobiles en

indoor.

Dans ce premier chapitre, nous commençons par une étude bibliographique sur les réseaux

cellulaires en commençant par la 3eme génération jusqu’à atteindre le réseau HSPA+ en

mettant l’accent sur les deux nouvelles technologies Femtocell et MIMO

1.2.Le réseau 3G

L'UMTS est une norme de troisième génération de communications radio mobiles dite 3G,

c'est une technologie de transmission de données mobile appelée à succéder la deuxième

génération des réseaux mobiles tels que le GSM, GPRS et EDGE.

Cette technologie est capable d'offrir des services multimédias à l'utilisateur en termes de

capacité, de qualité de service, et de services à valeur ajoutée.

L'évolution 3G se déploie étape par étape en respectant la coexistence de 2G et 3G dans le

réseau. Aucun opérateur ne peut remplacer son réseau 2G par le réseau 3G d’un seul coup.

http://www.linternaute.com/dictionnaire/fr/definition/indeniable/


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1.2.1. Caractéristiques du réseau 3G

Les spécifications IMT-2000 de l'Union Internationale des Téléommunications (UIT),

définissent les caractéristiques de la 3G comme suit :

Amélioration multimédia (voix, données, vidéo …).

Un haut débit de transmission :

144 Kbps avec une couverture totale pour une utilisation mobile.

384 Kbps avec une couverture moyenne pour une utilisation piétonne.

2 Mbps avec une zone de couverture réduite pour une utilisation fixe.

Compatibilité mondiale.

Flexibilité de routage (répéteur, satellite, réseau local).

Compatibilité des services mobiles de 3ème génération avec les réseaux de seconde

génération.

1.2.2. Bande de fréquence et modulation

L’UMTS WCDMA utilise deux bandes appariées (1920-1980MHz et 2110-2170MHz) et

deux bandes non appariées (1900-1920MHz et 2010-2025MHz), par contre la modulation

QPSK est très souvent utilisée au lieu de GMSK.

1.2.3. Technique d’accès

Contrairement au GSM où les utilisateurs sont séparés par la fréquence (FDMA) et en temps

(TDMA), l’UMTS et ses évolutions utilisent la technique d’accès WCDMA pour des raisons

d’efficacité spectrale principalement.

1.2.4. Débit binaire

L'UMTS permet théoriquement des débits de transfert de 1,920 Mb/s.

Le débit est diffèrent suivant le lieu d'utilisation et la vitesse de déplacement de l'utilisateur :

en zone rurale : 144 kb/s pour une utilisation mobile (voiture, train, etc.) ;

en zone urbaine : 384 kb/s pour une utilisation piétonne ;

dans un bâtiment : 2 000 kb/s depuis un point fixe.


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1.3. Evolution de la 3G

De la même façon que les réseaux 2G ont connu une évolution en débits entre le mode GPRS

et l'amélioration EDGE, les réseaux 3G UMTS ont un mode amélioré qualifié de 3,5G (ou

3G+ chez certains opérateurs) connus sous le nom de la technologie « HSPA »

1.3.1. Présentation de la technologie HSPA

La transition vers un modèle de service à commutation de paquets nécessite un changement

fondamental dans l’interface radio par rapport à l’ancienne version. Le changement apporté

consiste à faire varier le débit de données instantanées sur l’interface radio au lieu de fournir

un débit constant quelle que soit les conditions de propagation des ondes radio, un modèle

paquet commuté permet de fournir des taux très élevés de données de pointe, et en réduisant

le débit de données lorsque le « coût » de transmission est plus élevé c'est-à-dire lorsque les

conditions de propagation des ondes radios sont pires de sorte qu’une nécessité en terme de

plus de puissance de transmission ou de largeur de la bande passante soit requise pour

maintenir les mêmes taux de données. Cela permet l’augmentation considérable de l’efficacité

spectrale du système.

1.3.2. Présentation de la technologie HSDPA

HSDPA communément appelée 3,5G ou encore 3G+ est un protocole de téléphonie mobile

visant à accroître les taux de transfert de données et de la capacité des réseaux de troisième

génération par le biais de transfert de données à l'aide d'un téléphone cellulaire et d’offrir des

performances dix fois supérieures à la 3G (UMTS Release 99) dont il est une évolution

logicielle.

Le HSDPA est le lien descendant du réseau vers le terminal à haut débit en mode paquets.

Cette technologie permet de supporter des services à valeur ajoutée, tels que l’accès Internet à

haute vitesse, téléchargement de fichiers audio, diffusion vidéo en temps réel ou à la

demande, la réception de programmes télévisés et la visiophonie….

1.3.3. Présentation de la technologie HSUPA

Après l'HSDPA, vient de s’ajouter la technologie HSUPA qui apporte des améliorations de

aux flux ascendant permettant aux utilisateurs de téléphonie mobile de troisième génération


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de transmettre des contenus multimédias volumineux avec un débit de chargement pouvant

atteindre 5.8Mbps.

1.3.4. Présentation de la norme HSPA+

Bien que HSPA tel que défini dans la version 6 est une amélioration significative de la

fonctionnalité de paquets de données dans le WCDMA, la performance est encore améliorée

dans la version 7 sous le nom HSPA+.

Le standard HSPA+ constitue une évolution de la norme HSPA permettant d’atteindre des

débits théoriques jusqu’à 84.4Mbps en aval et 23Mbps en amont avec des terminaux

compatibles.

Afin d'améliorer les performances des réseaux HSPA en termes d'efficacité du spectre, du

taux maximum de données, de nouveaux moyens sont introduits avec cette norme :

64-QAM

La modulation d’amplitude en quadrature (Quadrature Amplitude Modulation) est conservée,

mais celle de 64-QAM est utilisée au lieu de 16-QAM pour la norme HSDPA afin

d’augmenter le nombre de bits par symbole c.à.d. transporter 6 bits par symbole avec 64-

QAM au lieu de 4 bits par symbole avec 16-QAM, par conséquent augmenter le taux de

transmission qui peut atteindre 21Mbps.

DC-HSPA+ (Dual Cell-HSPA+)

L’utilisation de deux cellules radio consiste à utiliser deux bandes de fréquences UMTS de

5Mhz pour une seule communication. Cette technique permet de doubler le débit atteint par

une cellule 64-QAM à plus que 43Mbps.

1.4. Milieu de couverture réseau

Il existe 2 milieux de couverture réseau ; la couverture indoor et la couverture outdoor:

1.4.1. La couverture réseau en milieu outdoor

Le service « Outdoor » indique les conditions nécessaires pour le bon déroulement d'une

communication en extérieur.

Ainsi, la couverture outdoor est assurée principalement par les stations de base BTS. Elles

gèrent les problèmes liés à la transmission radio (modulation, démodulation, égalisation,


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codage correcteur d'erreur...). Elle réalise aussi des mesures radio pour vérifier qu'une

communication en cours se déroule correctement.

Le signal des sites outdoor peut se propager à l’intérieur des bâtiments à travers les murs et

les fenêtres, ce qui va générer des problèmes d’interférence entre le signal outdoor/indoor [1].

1.4.2. La couverture réseau en milieu indoor

La couverture indoor présente quelques contraintes, en effet, Il existe une grande difficulté de

transmission résultant des interactions des ondes, entre elles et avec l'environnement intérieur

vu la grande diversité des matériaux de construction (béton, marbre, vitre renforcé…) ce qui

engendre une faible propagation des signaux, donc des problèmes de couverture.

Une valeur d'atténuation (en fonction de la matière) est ajoutée à la perte de trajet à chaque

fois que le rayon traverse ces obstacles, les valeurs typiques de ces paramètres sont

représentées dans le tableau suivant [2] :

Matériels Atténuation (dB)

Mur principal (béton) 15

Mur intérieur (plâtre) 5

fenêtre (verre) 1.5

Porte (bois) 0.5

Tableau 1.1 : Pertes du trajet

1.5. La technologie femtocell

Les femtocells (pour femto cellule) sont de minuscules systèmes radio 3G à faible

consommation. L'origine du terme Femtocell est liée au préfixe "femto", qui représente 10-15

fois une unité de mesure. Une puce femtocell est ainsi une très petite puce (petit boitier ou

directement box) [3].

1.5.1. Intérêt et objectif

Les femtocells permettent aux téléphones mobiles et autres appareils similaires de se

connecter localement en GSM, CDMA, or UMTS via une ligne Internet haut débit.

Ils sont utilisés pour améliorer la couverture des réseaux mobiles dans les zones à usage privé

et caractérisés par une forte densité d’usagers.


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1.5.2. Caractéristiques techniques

Le femtocell est construit autour des technologies 3G ou 3G+, il offre les caractéristiques

suivantes un débit qui atteint les 3,6 Mbit/s, une bande passante de 7,2 Mbit/s, une Puissance

d’émission maximale 100 mW (-10 dB), utilise une fréquence de 2100 MHz et peut, selon les

modèles, supporter 2 à 8 communications simultanées (voix ou données).

1.5.3. Architecture du femtocell

En reliant le boîtier femtocell à son box ADSL un réseau individuel sera crée et vient relayer

le réseau de l'opérateur (voir figure 1.2). Tous les échanges, voix ou données, sont alors

acheminés par le réseau Internet fixe. Les ondes, actives dans un rayon d'une quinzaine de

mètres autour du boîtier, ont l'avantage d'émettre 30 fois moins qu'une antenne 3G habituelle.

Autre point fort, la bande de fréquences utilisée génère beaucoup moins d'interférences que le

WiFi, et fonctionne avec n'importe quel téléphone mobile.[4]

Figure 1.1 : Schéma standard de l’architecture d’un réseau femtocell

La femtocell et ne nécessite ni d'installations spécifiques ni de connaissances techniques :

n'importe quel usager peut donc l'installer chez soi.

Pour que cette technologie permette à un opérateur de mobiles d’avoir une continuité dans le

domicile ou dans l’entreprise et de décharger le réseau de base lorsque le client se trouve chez

lui ou dans l’entreprise, une fonction de base est réalisée par le handover sans coupure d’une

communication sur le réseau de mobiles à une continuité de la communication sur l’antenne

de la Femtocell.


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Le handover

Afin d’éviter les coupures aux frontières des cellules et pour assurer la continuité des

communications des utilisateurs mobiles, un mécanisme de transfert intercellulaire appelé

handover a été introduit [5].

Il ne se produit qu'en cours de communication, lorsque le mobile franchit les limites de la

cellule. Les objectifs du handover sont de maintenir une qualité de communication acceptable,

de minimiser le niveau d'interférence global.

Il distingue plusieurs types de handover : le hard handover et le soft handover.

1.5.4. Bénéfices des femtocells

Les femtocells résolvent un certain nombre de problèmes et offrent de nouveaux services :

Pour les utilisateurs

un rayon de couverture de 15 à 30 mètres.

Un meilleur débit offert contrairement aux macrocell supportant un grand nombre

d’utilisateurs, les femtocells supporteront 2 à 8 connexions simultanées.

Meilleure qualité de la voix : avec peu d’utilisateurs par stations de base, et des

combinés dévolus à des tâches bien particulières les femtocells permettront d’avoir

une meilleure qualité de la voix.

Favorise l’émergence de nouveaux services [3].

Pour les opérateurs

Les opérateurs doivent régulièrement élaborer des plans afin d’accroître leur capacité et leur

couverture face à l’accroissement continu de l’utilisation des mobiles. Voici un panel des

contraintes auxquelles ils sont confrontés.

Coût d’acquisition des sites très coûteux : L’acquisition des sites a longtemps été un

problème pour les opérateurs. En effet, il faut savoir qu’environ 50% du coût de

construction d’un réseau macro cellulaire résulte uniquement de l’achat du site.

La couverture indoor ; éternel problème des opérateurs: De nouvelles

fonctionnalités arrivent avec l’UMTS, mais les difficultés pour faire pénétrer les

signaux à travers les murs sont toujours aussi présents.


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Compatibilité des mobiles actuels : le déploiement actif de hot spot suppose des

téléphones dual-modes pouvant être utilisés en Wifi et en UMTS. Mais ces

équipements (utilisé pour le Wifi) ne supportent pas les technologies utilisé par

l’UMTS (ex : CDMA).

Pour résoudre ces différentes contraintes, les opérateurs préfèrent avoir recours aux stations

de base personnelles qui auront pour bénéfice :

Amélioration de la capacité du réseau : avec les clients qui installeront leurs bases

femtocells, les opérateurs gagneront en termes de coût en évitant d’améliorer cette

couverture via des macros cellules.

Baisse du coût d’investissement : alors que le nombre d’utilisateurs chez les

opérateurs continue d’augmenter, l’introduction des femtocells va réduire

l’investissement moyen par utilisateur comparé au coût d’un réseau macro cellulaire.

Amélioration de l’ARPU : une meilleure couverture associée à des performances

bien meilleures (services multimédia, hauts débits,…) pour des coûts de mise en

œuvre très faible va permettre d’augmenter le revenu moyen par utilisateur.

Baisse du coût des stations relais : ce coût sera absorbé du fait que le trafic passera

dans le réseau cœur des opérateurs via l’ADSL, le câble, ou la fibre qui sera sans

aucun coût pour ces derniers [6].

1.5.5. Inconvénients

Les femtocells causent ainsi un certain nombre de problèmes :

Santé

Les femtocells émettent à des niveaux de puissance très faible. Leurs niveaux d’émission sont

de l’ordre de 10 à 100mW, donc moins importants par rapport à la puissance émise par les

points d’accès Wifi.

Les marges de sécurité fournissent une protection à tout le monde, enfant inclus.

Et à titre d’information, il est important de rappeler que les femtocells ont été testés afin de

s’assurer qu’ils sont conformes à toutes les normes internationales en vigueur [7].

Interférences


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Les femtocells peuvent souffrir ou être responsables de sévères problèmes d’interférences. Par

exemple, lors d’un handover entre un réseau macro cellulaire et le point d’accès femtocell.

Ainsi, il y a une limitation du nombre de cellules adjacentes (typiquement 16) que le mobile

peut scanner, du nombre des puissances d’émission mesurées.

On peut également avoir des interférences inter femtocell entre différents utilisateurs dans un

même bâtiment. En effet, le problème de la zone de couverture se pose. Dans le cas des

immeubles, des utilisateurs femtocells peuvent créer des interférences avec d’autres.

Il existe des réponses partielles à ce problème c’est d’utiliser des fréquences différentes pour

la couverture femtocell (une fréquence pour les femtocells, et une autre pour les macros

cellules) [6].

1.6. La technologie MIMO : Multiple-Input Multiple-Output

Les télécommunications sans fil ont connu récemment de nombreuses évolutions. A la

téléphonie classique s'est ajouté un ensemble de services qui ont pu être disponibles sur nos

mobiles grâce à une évolution de la technologie. Cependant, un problème de débit ou de

portée s'est présenté.

1.6.1. Définition

MIMO est une technique qui utilise des réseaux d’antennes à l’émission et à la réception, elle

représente un multiplexage spatial très puissant pour les systèmes multiple-antenne. Cette

technologie sert à augmenter le débit des données dans la proportion du nombre d’antennes de

transmission du faite que chaque antenne porte un flux unique des symboles de données ainsi

qu’elle permet d’augmenter le rapport signal sur bruit SNR. [8]

Figure 1.2 : différences entre les systèmes [8]


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1.6.2. Principe

Un système MIMO est composé de N antennes à l’émission et M antennes à la réception.

L’information est émise par les N antennes à la fois. Lors de sa propagation, elle est portée

par plusieurs canaux reliant chacun une antenne d’émission à une autre en réception.

1.6.3. Les aspects techniques de la technologie MIMO

Les systèmes MIMO exploitent les techniques de :

La diversité spatiale MIMO

On transmet simultanément un même message sur différentes antennes à l'émission. Les

signaux reçus sur chacune des antennes de réception sont ensuite remis en phase et sommés

de façon cohérente.

Cela permet d'augmenter le ratio S/B (grâce au gain en diversité) de la transmission.

Pour que cette technique soit efficace, il faut que les sous-canaux MIMO soient dé corrélés les

uns des autres. [7]

Figure 1.3 : Aspect de la diversité spatiale MIMO

Gain en diversité spatiale

Dans un canal de transmission sans fil, l’intérêt de la diversité spatiale est de faire face

principalement aux évanouissements dus à la variation de la puissance reçue dans le temps

ainsi que de la fréquence dans l’espace.

L’utilisation de plusieurs répliques du signal à la réception diminue évidement le taux

d’évanouissement, en effet plus le nombre de répliques augmente, plus la probabilité que

toutes les répliques subissent simultanément un évanouissement diminue.


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Pour les systèmes SISO deux types de diversités sont exploitées : temporelle et fréquentielle.

Alors qu’avec les systèmes MIMO on dispose d’une nouvelle forme de diversité : la diversité

spatiale. L’ordre de diversité est fonction du nombre d’antennes à l’émission et à la réception

[7].

Le multiplexage spatial MIMO

Il consiste à découper chaque message en sous-messages et transmettre simultanément ces

derniers sur chacune des antennes d'émission. Les signaux reçus sur les antennes de réception

sont réassemblés pour reformer le message entier d'origine. Les sous-canaux de propagation

doivent être dé corrélés.

Le multiplexage MIMO permet d'augmenter les débits de transmission (grâce au gain de

multiplexage). Les techniques de diversité et de multiplexage MIMO peuvent être

conjointement appliquées [7].

Gain de multiplexage

Lorsque les évanouissements des différents canaux sont indépendants, Il est possible de voir

le canal MIMO comme un ensemble de canaux SISO en parallèle.

En transmettant des flux d’information dans chacun de ces canaux, il est possible d’augmenter

le débit d’information. Il en résulte un gain dit de multiplexage.

1.6.4. La Capacité de la technologie MIMO

Soit un système MIMO constitué de Nt antennes d’émission et Nr antennes de réception. Le

signal reçu yj à chaque instant sur la j-ième antenne de réception est la somme des symboles

bruités issus des Nt signaux transmis s’exprime :

(1.1)

Avec :

• hji est le gain du canal non sélectif en fréquence entre l’antenne d’émission i et

celle de réception j.

• nj est le bruit additif modélisé par des échantillons indépendants suivant une loi

gaussienne de variance centré .

La matrice du gain du canal MIMO, H de dimension Nt × Nr est la suivante :


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(1.2)

Afin de rendre plus compréhensible la modélisation des systèmes multi-antennaires, la

limitation sera effectuée, ici, à un maximum de 2 antennes à l'émission pour le MISO et 2

antennes à la réception pour le SIMO, le principe étant identique pour un nombre d'antennes

plus important. La capacité pour ces différents systèmes s’exprime par :

CSISO = (1.3)

CSIMO= (1.4)

CMISO= (1.5)

CMIMO= (1.6)

Tableau 1.2 : Capacité des différents systèmes

Avec :

SNR : le rapport signal sur bruit (RSB) de l'antenne de réception

M : le nombre d’antenne à la réception.

hi : le gain complexe du canal

H*: c’est la matrice transposé conjugué de H.

: la matrice identité de dimension Nr Nr

1.6.5. Les différents types de codage MIMO

Dans un système MIMO, il existe plusieurs méthodes pour effectuer le codage des signaux

dont on cite :

Emission : Codage spatio-temporel

Les techniques MIMO sont employées pour exploiter la diversité d’émission et pour

augmenter le débit. Pour ce faire, un code espace-temps doit être mis en œuvre.

L’idée de base du codage espace-temps est de créer de la redondance ou de la corrélation

entre symboles transmis sur les dimensions spatiales et temporelles.


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Le multiplexage par division spatiale (SDM)

Plusieurs flux de données indépendants (essentiellement des canaux virtuels) sont

simultanément multiplexés dans un canal spectral. Le multiplexage SDM peut améliorer le

débit de façon significative, car le nombre de données spatiales résolues est plus important.

Chaque flux spatial doit disposer de sa propre paire d'antennes de transmission/réception à

chaque extrémité du lien radio.

Le codage spatio-temporel par bloc

(STBC Space-Time Bloc Code) tout comme le SDM permet d'envoyer des signaux différents

sur chaque antenne. Le principe du STBC

1.6.6. Le pré codage MIMO

Le pré codeur diagonal à taux d’erreur minimal (MBER)

Il s’agit d’un pré codeur diagonal, c’est-à-dire qu’il transforme le canal MIMO en un

ensemble de canaux SISO indépendants. De nombreux pré codeurs existent: ils se distinguent

par le critère qu’ils optimisent : erreur quadratique en réception (pré codeur MMSE),

différence d’erreur quadratique sur les voies virtuelles (pré codeur EE, Equal Error), capacité

théorique du canal.

Le pré codeur maximisant la distance minimale (max-dmin)

La conception d’un pré codeur maximisant la distance minimale est difficile car la distance

minimale est liée à la matrice du canal par des équations non linéaires particulièrement

complexes.

1.6.7. Antennes MIMO

Les antennes ont un rôle indispensable pour la communication MIMO. Les caractéristiques

des antennes, les motifs d'antenne, et l’espacement des antennes, influencent le

fonctionnement des signaux qui sont couplés dans le canal de propagation. Cela influe sur la

performance de la liaison de communication.

Nous avons étudié l'impact de l’architecture de réseau MIMO en termes de diversité sur la

capacité du réseau.


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1.7. Conclusion

Apres avoir présenté les différentes technologies HSPA+ , MIMO et Femtocell en indiquant

leurs apport à l’UMTS et en mettant l’accent sur un certain nombre d’améliorations, on passe

maintenant à une étude des différents processus de dimensionnements de l’interface radio du

réseau HSPA+ basé sur la technologie W-CDMA.


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CHAPITRE 2

Techniques de dimensionnement d’un réseau HSPA+ par les

technologies MIMO et Femtocells

« By failing to prepare, you are preparing to fail »

Benjamin Franklin

2.1. Introduction Les nouvelles technologies HSPA introduites (HSDPA / HSUPA) et HSPA+ nécessitent une

nouvelle infrastructure qui est peu différente que celle de l’UMTS, et de nouvelles

méthodologies de dimensionnement et de planification par rapport à l’UMTS et aux réseaux

de la deuxième génération. Pour cela, le dimensionnement et la planification des réseaux

HSPA et HSPA+ avec les deux technologies MIMO et Femtocell s’avèrent d’extrême

importance afin de garantir le succès de déploiement de ces réseaux dans les environnements

extérieurs et intérieurs.

Ce chapitre est consacré à une étude de processus de dimensionnement radio pour assurer la

minimisation du coût de la liaison radio et de l’infrastructure du réseau, on tenant compte de

la couverture radio, la taille des cellules et de la topologie du réseau sous réserve de

contraintes de QoS indoor en introduisant les technologies MIMO et Femtocell.

2.2.Méthodologie générale de dimensionnement d’un réseau HSPA+

Le dimensionnement d’un réseau HSPA+ consiste, en terme général, à l’évaluation des

abonnés à desservir du point de vue type et profil. L'objectif de cette phase est d'estimer le

nombre de sites, le nombre de stations de base et leur configuration en fonction des besoins et

aux attentes de l’utilisateurs et des exigences de l'opérateur en termes de couverture, et de

qualité de service de l'opérateur en tenant compte de la zone à desservir : résidentielle, zone à

caractère économique ou autres avec et sans la technologie MIMO et puis en introduisant les

Femtocells .Il faut donc faire une visite des sites pour une estimation potentielle des besoins

des abonnés et pour pouvoir passer à l’étape suivante qui est la configuration des Nodes B et

la planification .

http://www.brainyquote.com/quotes/quotes/b/benjaminfr138217.html

http://www.brainyquote.com/quotes/authors/b/benjamin_franklin.html


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2.2.1. Etape d’évaluation de l’existant :

Cette étape s’identifie par la détermination des données géographiques (densité de population,

zone à servir, cartographie etc.), les services recherchés, la liste des sites et le type d’antenne.

2.2.2. Etape de visite du site

Une fois la région est choisie, une visite des lieux, nous permet de se rendre compte des

caractéristiques de l’environnement et nous aide à choisir le modèle de propagation approprié

ainsi que la sélection des endroits d’installation, des équipements et des antennes.

2.2.3. Etape de configuration du réseau

Cette étape requiert l’utilisation d’un outil de planification doté d’une base de données

topographique de relief (clutter) et l’élévation (height) et capable de faire des analyses, des

prévisions de couverture et des simulations en lui fixant certains paramètres

2.3.Dimensionnement d’un réseau HSPA+ avec la technologie MIMO

C’est un processus qui permet d'estimer, à partir des exigences de l'opérateur, le nombre

d'équipements nécessaires ainsi que leur configuration dans un 1er

lieu et les équipements

supportant la nouvelle technologie MIMO en second lieu. Il est courant donc de distinguer les

différentes catégories d'exigences (couverture, coût, qualité).

Le dimensionnement initial radio comprend :

Le bilan de liaison radio : il permet de définir l’atténuation maximale que la cellule

peut supporter sur le lien montant et descendant. Il inclue les aspects spécifiques au

WCDMA tels que la marge de dégradation de l’interférence, le niveau du bruit causé

par le trafic présent, la marge de l’évanouissement rapide due au contrôle de puissance

rapide et le gain du (Soft Handover) spécifique aux réseaux de type CDMA.

Les paramètres d’entrée de notre problème de dimensionnement sont :

-La distribution des services aux différents utilisateurs

-La densité de trafic

-Les estimations de la croissance chronologique des nombre d’abonnés pour chaque

service.


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-La qualité de service requise (QoS cible) en termes de rapport Eb/N0 (Signal Energy per

bit to Noise power density per Hertz).

2.3.1. Le bilan de liaison

Afin de bien choisir les techniques de traitement des signaux appropriées, il faut définir les

caractéristiques du canal de propagation et les paramètres d’entrées au bilan de liaison.

2.3.1.1. Caractéristiques du canal de propagation

Les propriétés du canal sont également déterminantes pour le dimensionnement du réseau

mobile, notamment au moment de la constitution du bilan de liaison.

Le bruit thermique , le brouillage et les interférences provoquées par les utilisateurs en milieu

indoor, qu’elles soient situées dans la même cellule (intracellulaire) ou dans des cellules

voisines (intercellulaire), les pertes de propagation dues à la distance, aux atténuations

induites par les obstacles qu’ils se trouvent sur son parcours et aux évanouissements suscités

par l’existence des trajets multiples qui nous conduisent à une variation de la puissance de

signal réceptionnée, sont tous des phénomènes qu’on doit tenir à compte.

2.3.1.2. Les entrées du bilan de liaison

Il faut fournir au bilan de liaison un ensemble de paramètres qui sont :

Les Marges utilisés pour le bilan de liaison

Marge d’effet de masque (Shadowing margin)

L’effet de masque, ou autrement le Slow fading, est la variation du signal dite à moyenne

échelle. Ce phénomène est dû aux obstacles qui existent dans milieu de propagation radio, tel

que les bâtiments et la morphologie du terrain (vallées, collines, etc.)

Généralement, cette marge est fixée à 5.4 dB mais MIMO apporte un gain en la diminuant à

2.7 dB.

Marge d’évanouissement rapide (fading de Rayleigh)

Elle dépend de l’environnement auquel appartient l’UE et de la qualité de service requise.

Cette marge est causée principalement par le phénomène des trajets multiples, il est en rapport

avec la fréquence de l'onde porteuse et la géométrie de vecteurs trajets multiples.

MIMO diminue le phénomène vu qu’il résout le problème du trajet multiple


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Marge de planification

C’est la somme de toutes les marges de sécurité prises en compte. Elle est nécessaire pour

équilibrer le bilan de liaison radio.

Marge de pénétration

Elle caractérise les pertes de pénétrations liées à l’environnement auquel appartient

l’équipement de l’utilisateur. Elle est de 15 dB pour l’environnement dense urbain et urbain et

nulle pour l’environnement suburbain et rural.

Les pertes de bilan de liaison

Pertes dues au corps humain [dB]

Pertes de pénétration des véhicules [dB]

Pertes dues à l'absorption des bâtiments [dB]

Pertes Feeder [dB]

Pertes des bretelles (Jumper) [dB]

Pertes du système de contrôle des antennes

Autres paramètres

PIRE « Puissance Isotropique Rayonnée Equivalent »

Elle correspond à la puissance qu’il faudrait fournir à une antenne isotrope pour obtenir le

même champ à la même distance. Elle est donnée par la formule suivante :

– (2.1)

Paramètres NodeB UE

Ptx Puissance de l’émission de station de

base (43-49 dBm).

Puissance d’émission de l’UE dépend

de la catégorie du UE (23 dBm)

Gtx Gain de l’antenne de station de base

(Fabricant charge)

gain d'antenne dépend du type de

l'appareil et de la bande de fréquence.

Il varie de -5 à 10 dB


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Ltx

Perte du câble entre le connecteur

d'antenne de station de base et le

connecteur d'antenne. La valeur de perte

de câble dépend de la longueur du câble,

l'épaisseur du câble et de la bande de

fréquence. Sa valeur est entre 1 et 6 dB

La perte de masse est généralement

incluse au budget liaison vocale où la

borne est maintenue près de la tête de

l'utilisateur. Sa valeur est de 3 à 5 dB

Tableau 2.1: Les paramètres de PIRE

La Sensibilité du récepteur

Ce paramètre correspond à la puissance minimale de réception, au-dessous de laquelle il y’a

rupture du lien radio.

Facteur du bruit Nf

Il s’agit d’un facteur du bruit généré au niveau du récepteur : Dans notre étude Nf= 5 dB.

Gain du soft handover Gsho

Lorsque le mobile se trouve à une situation de soft Handover où il est connecté à plusieurs

stations de base il donc utilise la puissance minimale. Dans notre étude, la valeur de gain de

soft Handover pour la liaison montante est de 3 dB.

Eb/N0 requis

C’est la valeur caractérisant la qualité de service à atteindre pour le service en question, où Eb

représente l'énergie par bit du signal et N0 représente la densité spectrale du bruit en

(Watt/Hz).

Marge d’interférences

Ce paramètre correspond au niveau d’augmentation du bruit du à l’augmentation de la charge

dans la cellule. Cette marge d’interférence est liée au facteur de charge ηul (loading factor) qui

mesure la charge de chaque lien (montant ou descendant). La marge d’interférence est donnée par la

formule suivante :

(2.2)

Puissance émise par le NodeB


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Dans les deux sens (UL et DL), il faut que la valeur de la puissance totale de NodeB ne

dépasse pas la puissance maximale nominale Pmax de NodeB

2.3.2. Bilan de liaison pour le lien montant

Comme exemple, le tableau montre le bilan de liaison effectué pour le service CS64 avec la

technologie HSPA

Unité Formule La technologie HSPA

Environnement : Dense Urbain Urbain Rural

Emetteur: UE

Puissance

maximale

DBm A 21 21

Gain de l’antenne

d’émission

dB B 0 0

Perte due au corps

de l’utilisateur

LBody

dB C 0 0

PIRE dBm D=A+B+C 21 21

Réception : Station de base

Densité spectrale

du bruit

thermique Nth

dBm/Hz E -175 -175

Facteur de bruit

du récepteur NF

dB F 5 5

Densité spectrale dBm/Hz G=E+F -170 -170


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de bruit du

récepteur

Marge

d’interférences

Noise Rise

dB H 3 3

Débit de service

demandé

dB I 55,88 55,88

Eb /N0 requis dB J 3 3

Sensibilité du

récepteur

dBm K=G+H+I+J -108,12 -108,12

Gain de l’antenne

de réception

dB L 18 18

Pertes totale de

câbles et de

connecteurs Lbody

dB M 3 3

Marge pour le

fading rapide

(Marge de

Rayleigh)

dB N Sans

MIMO

Avec

MIMO

Sans MIMO Avec

MIMO

3,3 1.65 3.3 1.65

PathLoss Maximal dB O=D-K+L-

M-N

Sans

MIMO

Avec

MIMO

Sans

MIMO

Avec

MIMO

140,82 142.47 140,82 142.47

Environnement de Propagation

Marge pour l’effet

de masque (marge

dB P Sans Avec Sans MIMO Avec

MIMO


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de shadowing) MIMO MIMO

4.8 2.4 4,8 2.4

Gain de soft

Handover Gsho

dB Q 3 3

Marge de

Pénétration

dB R 15 0

Perte de parcours

permise

dB MAPL=O-

P+Q-R

Sans

MIMO

Avec

MIMO

Sans MIMO Avec

MIMO

124,02 128.07 139.02 143.07

Tableau 2.2: Bilan de liaison pour le lien montant

2.3.3. Bilan de liaison pour le lien descendant

Unité Formule La technologie HSPA

Environnement Dense Urbain Urbain Rural

Emetteur: Station de base

Puissance maximale dBm a 46 46

Gain de l’antenne

d’émission

dB b 2 2

Perte due au corps

de l’utilisateur

dB c 0 0

PIRE dBm d=a+b-c 48 48

Réception : UE


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Densité spectrale du

bruit thermique Nth

dBm/Hz e -175 -175

Facteur de bruit du

récepteur NF

dB f 5 5

Densité spectrale de

bruit du récepteur

dBm/Hz g=e+f -170 -170

Marge

d’interférences

dB h 3 3

Débit de service

demandé

dB i 48,28 48,28

Eb /N0 requis dB j 1,7 1,7

Sensibilité du

récepteur

dBm k=g+h+i+j -117,72 -117,72

Gain de l’antenne

de réception

dB l 18 18

Pertes totale de

câbles et de

connecteurs Lbody

dB m 2 2

Marge pour le

fading rapide

(Marge de

Rayleigh)

dB n Sans

MIMO

Avec

MIMO

Sans MIMO Avec

MIMO

3,3 1.65 3,3 1.65

PathLoss Maximal dB o=d-k+l-m-n Sans

MIMO

Avec

MIMO

Sans MIMO Avec

MIMO

178,42 180.07 178,42 180.07


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Environnement de Propagation

marge de

shadowing

dB p Sans MIMO Avec

MIMO

Sans MIMO Avec

MIMO

5.4 2.7 5.4 2.7

Gain de soft

Handover Gsho

dB q 3 3

Marge de

Pénétration

dB r 15 0

Perte de parcours

permise

dB MAPL=o-

p+q-r

Sans MIMO Avec

MIMO

Sans MIMO Avec

MIMO

161.02 165.37 176.02 180.37

Tableau 2.3: Bilan de liaison pour le lien descendant

2.3.4. Estimation du rayon de la cellule

Une fois le PathLoss maximal a été déterminé, il ne reste qu'à appliquer n'importe quel modèle

de propagation connu pour estimer le rayon de la cellule.

Modele de propagation

Un modèle de propagation radio est une formule empirique mathématique pour la caractérisation

de la propagation des ondes radio en fonction de la fréquence, la distance et d’autres conditions.

Cet outil apporte une aide précieuse pour le dimensionnement correct du réseau (implantation

des relais sur le terrain).

Le modèle de propagation permet de déduire le rayon de cellule à partir du résultat fourni par le

bilan de liaison.

Dans notre cas, on va utiliser le Modèle de Propagation Standard (SPM)


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SPM

C’est un modèle de propagation utilisé par le logiciel Atoll. Il s’agit du modèle COST-HATA

(basé sur le modèle Okumara : Le modèle Okumura est un modèle de propagation radio qui a

été construit en utilisant les données recueillies dans la ville de Tokyo, au Japon). Le modèle

est idéal pour l'utilisation dans les villes avec de nombreuses structures urbaines).

Le PathLoss du modèle SPM est formulé par l’équation suivante :

(2.3)

Pour simplifier l’expression de MAPL, on l’écrit sous la forme de :

MAPL=X+Y*log(d) (2.4)

Avec :

X = (2.5)

Y = (2.6)

On pose α= log(d) = (MAPL – X) / Y (2.7) d=10α=r : rayon de la cellule (2.8)

Le tableau suivant représente les différents paramètres de SPM :

Paramètres Indication valeur / Unité

D

Diamètre de la cellule à déterminer

? / m

C'est la distance entre NodeB-UE

Hb C'est la hauteur de l'antenne de NodeB 20 m

Hm C'est la hauteur de l'antenne d'UE 1.5 m

Diffraction C’est la perte due aux diffractions dans un trajet avec

obstacles

12.35

dB

K1 Ce sont des termes multiplicatifs 17.4


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K2 44.9

K3 5.83

K4 1

K5 -6.55

K6 0

Kcluter 1

Tableau 2.4: Les paramètres de modèle de propagation SPM

La fonction f (clutter) dépend de l’environnement auquel appartient le mobile comme indique le

tableau suivant :

Tableau 2.5 : Valeurs de f(clutter)

En appliquant cette formule, on obtient les résultats suivants :

Environnement

PathLoss (dB) Rayon de cellule (m) Gain apporté

(%)

Sans MIMO Avec MIMO Sans MIMO Avec MIMO

Environ CS64 Dense-Urbain 124,02 128.07 293 m 379.78m

Environnement

du mobile

F(clutter)

dB

Dense Urbain -3

Urbain -6

Rural -20


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Urbain 124,02 128.07 354 m 459.32m 29%

Rural 139,02 143.07 2,6994 km 3. 489 km

Tableau 2.6: Valeur des divers rayons de cellule

Passant maintenant à l’étape de l’estimation de la couverture de cellule :

La zone de couverture d’une cellule, si nous choisissons le motif hexagonal, est

(2.9)

Avec d est le rayon maximal de la cellule et k est une constante où sa valeur dépend de

nombre de secteur de site.

Dans notre cas, k=1.95 puisqu’on travaille avec un site de 3-secteurs.

Le nombre de site requis pour la couverture est obtenu en divisant la surface totale de la zone

à planifier par la surface couverte par un site.

D’après les résultats obtenus, MIMO apporte théoriquement un gain considérable d’environ

29% pour la couverture de la cellule, on essaye d’atteindre cette valeur réellement lors de la

planification de notre réseau.

2.4.Méthodologie générale de dimensionnement d’un réseau HSPA+ avec les

Femtocells

La deuxième phase d’étude est le dimensionnement radio pour déterminer le nombre des

femtocell à déployer dans un bâtiment, une foire ou autre en se basant sur le modèle du trafic.

2.4.1. Modèle de trafic

Pour calculer le nombre des femtocells à déployer, nous avons besoin d’un modèle de trafic

pour le dimensionnement : Les femtocells dans les campus ou les salles de conférences ont

pour but d’assurer un débit data élevé, les services utilisant le mode circuit peuvent utiliser le

réseau 2G/3G outdoor, les terminaux utilisent en général la technologie HSPA, tandis que

dans les foires d’autres services circuits pourront être utilisés comme la vidéophonie et AMR.


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2.4.2. Modèle de propagation

Dans les zones d’une dense population, l'augmentation du nombre de stations de base à

l'extérieur conduit à une augmentation de l’interférence de l’intérieur vers l’extérieur qui

doivent être prises en considération lors du choix du modèle de propagation.

Pour notre cas on a proposé le modèle COST 231.

2.4.3. Services Utilisés

Les services utilisés sont les suivants :

Service voix en mobilité.

FTP : (Protocole de transfert de fichiers) est un protocole crée sur Internet pour le

transfert de tout type de fichiers entre ordinateurs.

Visioconférence : est la combinaison de deux techniques :

La visiophonie ou vidéotéléphonie, permettant de voir et dialoguer avec son

interlocuteur.

La conférence multipoints ou conférence à plusieurs, permettant d'effectuer une

réunion avec plus de deux terminaux.

AMR : elle propose à ses clients des solutions et des services liés aux réseaux et aux

systèmes d'informations, ainsi qu'aux applications IP dans les domaines suivants :

Contrôle d'accès et anti-intrusion

Vidéosurveillance

Affichage dynamique et sonorisation

Services Débit (kbps) Facteur d’activité

AMR 12.2

12.2 0.65

Vidéophonie CS 64

64 0.65

FTP et internet browser

128 1

Tableau 2.7 : Services et exigence en termes de débit


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2.4.4. Dimensionnement

Choix des zones d’une dense population

Pour notre application, on a choisi comme local la Foire d’EL KRAM.

Calcul du nombre de femtocells

Le calcul du nombre de femtocells dépend de 3 éléments principalement du nombre

d’utilisateurs de service utilisé du débit de service utilisé et du facteur d’activité (FA)

(2.10)

Avec :

N: Nombre de femtocells

s : Nombre de service utilisé

Ai : Nombre d’utilisateurs de service utilisé

Bi : Débit de service utilisé par Xi (mbps)

Ci : Facteur d’activité relatif à Yi (FA)

DH : Débit de la norme HSDPA (mbps)

DR : Débit de la norme R’99 (mbps)

Méthodologie de calcul :

Pour la technologie HSDPA on utilise 15 codes au maximum par utilisateur (15 canaux

peuvent être alloués au même utilisateur pour augmenter significativement le débit) :

5 codes (= 3,6 mbps ) ,10 codes( = 7,2 mbps ) ou 15 codes (= 14,4 mbps ).

En se basant sur la formule (2.10) et sur la méthodologie de calcul de nombre de femtocells,

on a pu calculer le nombre de femtocells pour la foire, comme l’illustre le tableau suivant :

Zone HS s Ai Bi Ci DH DR

A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 C4


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Foire

ElKram

4 635 255 105 35 12.2 64 128 256 0.65 0.65 1 1 7.2 0.67

Nombre de Femtocells nécessaires = 5

Tableau 2.8 : Calcul du nombre de femtocells

Modèle de calcul des pertes de propagation

Pour estimer la couverture des femtocells, on évalue les pertes de propagation à l’intérieur de

la zone étudiée.

Différents modèles de propagation sont adoptés pour évaluer ces pertes, tels que (modèle de la

fortune, modèle multi wall…) en ce qui nous concerne nous avons utilisé le modèle de

propagation indoor COST 231, qui tient compte de la perte dans les murs et a l’intérieur des

bâtiments…

Dans l’évaluation de l’atténuation nous devons tenir compte des problèmes de propagation

dus à la réflexion, la diffraction et la réfraction des ondes.

Il vient alors :

ΔP= We + WGE + max (Γ1, Γ3) +10.81 -4.51 (2.11)

Où :

- Γ1 = Wi× p et - Γ3 = α ×d

ΔP : La perte totale (outdoor et indoor)

F : La fréquence en GHz

We : c’est la perte en raison de la pénétration perpendiculaire à un mur extérieur, elle est

égale a 4-10 dB (béton avec normale-taille de la fenêtre: 7dB; bois: 4dB)

WGE : c’est la perte à l'angle de paroi externe dépend de la perte qui provient de COST 231,

elle est égale a 3-5 dB à 900 MHz, 5-7 dB à 1800 MHz et 7-8 dB à 2100 MHz

Wi : la perte dans les parois internes, elle est égale a 4-10 dB (béton avec normale-taille de la

fenêtre: 7dB; bois: 4dB)

P : le nombre de parois pénétrés


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Α : le coefficient de pénétration qui est égal à 0,6 dB / m

Gn : Egal à 4-7 dB / sol lorsque la hauteur du plancher est de 4-5m

D : la distance de pénétration (m)

Le calcul des pertes va avoir lieu dans le chapitre qui suit après l’installation des Femtocells

dans la Foire pour pouvoir tenir compte des obstacles (mur, fenetres etc..

2.5.Développement d’un outil de dimensionnement

La procédure du dimensionnement peut être facilitée par un outil de calcul du bilan de liaison.

L’outil à développer est un simulateur permettant d’établir le bilan de liaison pour les deux

liens montant et descendant en déterminant le pathloss maximal et le rayon de la cellule sans

et avec la technologie MIMO. Dans cette partie, nous décrivons les outils utilisés pour le

développement de notre application ainsi que les interfaces réalisées.

2.5.1. Environnement informatique et développement

Langage de programmation

On a choisi comme langage de programmation le langage WINDEV.

Le langage WINDEV : ou Le W-Langage est un langage créé par PCSOFT.

Fait partie de la 5ème génération, très facile puisque les instructions sont écrites en Français.

C’est un langage très proche du langage naturel en plus un outil permettant de réduire jusqu'à

90% la quantité de code nécessaire dans le but de développer facilement des applications

fonctionnant sous Microsoft Windows .Il permet de créer à l’aide de la souris des éléments

graphiques (boutons, images, champs de texte, etc. ). L’intérêt de ce langage est de pouvoir

associer aux éléments de l’interface graphique des portions de code. Il a été retenu comme un

langage de programmation parmi les différentes langages(C, C++, C#, …) pour sa fiabilité et

la richesse de ses bibliothèques.

Le cahier de charge du simulateur

Les données d’entrée de l’outil développé :

Les données d’initialisation

La configuration des équipements utilisés (le terminal mobile UE et la NodeB).

Puissance maximale


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Gain de l’antenne d’émission

Gain de l’antenne de réception

Perte due au corps de l’utilisateur LBody

Densité spectrale du bruit thermique Nth Densité spectrale de bruit

Facteur de bruit du récepteur NF du récepteur

Marge d’interférences Noise Rise

Débit de service demandé

Eb /N0 requis

Pertes totale de câbles et de connecteurs Lbody

Marge pour le fading rapide (Marge de Rayleigh)

L’environnement de propagation

marge pour l’effet de masque (marge de shadowing)

Gain de soft Handover Gsho

Marge de Pénétration

Hauteur de l’antenne de UE

Hauteur de l’antenne de NodeB

Fréquence

Type du milieu

Dense Urban

Urban

Rural

Type de Service

Voix

Données par paquet

Technologie

Sans ou avec MIMO

Les résultats à la sortie de l’outil développé :

le bilan de liaison dans le sens montant et descendant

le pathloss maximal dans le sens montant et descendant

le rayon de la cellule sans et avec la technologie MIMO


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2.5.2. Interfaces réalisées

Interface d’accueil et authentification

L’interface d’accueil, commandée par un mot de passe et un nom de l’utilisateur, apparaît lors

du démarrage du programme, comme le montre la figure qui suit.

Pour accéder au programme, il faut charger l’interface d’authentification qui sert à contrôler

les accès et authentifier les utilisateurs exploitants.

En cas de succès de l’authentification l’utilisateur peut exploiter cet outil et si

l’authentification a échoué, une boîte de message d’erreur s’affiche.

Figure 2.1 : Interface d’authentification

Interface d’initialisation :

Cette interface présente une liste des paramètres d’initialisation nécessaires pour la

planification de la couverture radio UMTS. Notre simulateur UMTS prend ces différents

paramètres afin d’établir le bilan de la liaison montante et celui de la liaison descendante.


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Figure 2.2: Interface d’initialisation

Interface de la liaison montante

Figure 2.3: Interface de la liaison montante

Interface de la liaison descendante


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Figure 2.4 : Interface de la liaison descendante

Interface Output : bilan

Figure 2.5: interface du bilan de liaison


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2.6.Conclusion

Le dimensionnement de l’interface radio du réseau 3G+ et son amélioration avec les deux

technologies Femtocells et MIMO tente de garantir une certaine qualité cible pour chaque

connexion radio en tenir compte du niveau de l’interférence tolérable dans le système et le

choix des du nombre de Femtocells et des sites supportant MIMO et fut l’étape primordiale

avant d’entamer la phase de planification.


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CHAPITRE 3

Planification et densification du réseau HSPA+ par MIMO et

Femtocells

« Action is the foundational key to all success »

Pablo Picasso

3.1. Introduction Généralement, la planification constitue un processus systématique et une étape primordiale

dans la conception d’un réseau cellulaire. Le succès de cette phase est conditionné par la

réalisation d’un bon dimensionnement du réseau.

Dans ce chapitre nous allons introduire en premier lieu la technologie MIMO dans quelques

sites au niveau de la zone géographique considérée, ajuster leurs paramètres de secteurs et de

cellules selon les contraintes déjà fixées, étudier la qualité de service indoor afin de

l’optimiser pour qu’elle soit conforme aux exigences déjà fixées .

En second lieu nous allons optimiser les résultats obtenus en analysant le type de couverture

intérieure pour une zone Hot Spot choisie et en introduisant la technologie Femtocells.

Le processus de planification se fait à l’aide de l’outil de planification et de simulation radio

Atoll Forsk.

3.2.Processus de planification

3.2.1. Objectifs de la planification

L’objectif principal de la planification dans notre cas est d’atteindre une conception optimale

se reposant sur trois axes : la couverture, la qualité et le coût.

L’efficacité en termes de qualité et de couverture est certainement stratégique pour

l’opérateur. Cependant, toute amélioration de l’un de ces facteurs est contrainte par des coûts

économiques supplémentaires réduisant son gain et qu’il doit les faire supporter par le client.

L'objectif de la planification dans notre cas est bien évidement atteindre le maximum de

couverture en déployant les deux technologies MIMO et Femtocell.

http://www.brainyquote.com/quotes/quotes/p/pablopicas120309.html

http://www.brainyquote.com/quotes/authors/p/pablo_picasso.html


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3.2.2. Présentation de l’outil de planification radio ‘’Atoll’’

Atoll est un logiciel de dimensionnement et de planification de réseaux cellulaires qui peut

être utilisé sur tout le cycle de vie des réseaux (du design à l'expansion et l'optimisation). Le

logiciel exploite différentes données en entrée car il permet de choisir le type de projet à

réaliser GSM 900, DCS 1800, ou alors UMTS qui paramètre différemment le logiciel en

fonction de la technologie. On peut définir le model de propagation, le type d'antenne, les

caractéristiques du site. [10]

Enfin après avoir déployé un réseau, Atoll permet de réaliser de multiples prédictions de

couverture. Une fois que nous avons créé le réseau, Atoll propose de nombreux outils pour

nous permettre d’optimiser le réseau.

3.2.3. Les données en entrées pour l’outil ‘’Atoll’’

Fichier occupation du sol [Clutter]

Le clutter est un dossier d’image ou grille classifiée (.grc), qui permet de donner la

classification du relief du terrain (open, sea, village...etc.)

Fichier élévation [Height]

C’est un dossier d’altitude ou grille numérique (.grd) qui permet de donner l’élévation par

rapport au niveau de la mer. On peut le définir aussi comme une représentation mathématique

du relief du terrain sous forme de fichier contenant des altitudes. Il est utilisé lors de la

prédiction de couverture en tenant compte de l’élévation des bâtiments…etc.

3.3.Configuration de réseau:

3.3.1. Choix des sites :

La planification de couverture et le choix des sites sont effectués en parallèle avec

l'acquisition du site en mode interactif. Les différents sites choisis sont illustrés dans le

tableau suivant :


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Figure 3.1 : Liste de sites

3.3.2. Terminaux

Dans notre étude on a défini les terminaux suivants:

Mobile Phone : destiné pour les communications circuit tout en étant configurable

pour les services paquet.

PDA (Portable Digital Assistant) : destiné pour les communications paquet à haut

débit.

HSDPA/HSUPA terminal

Le tableau suivant illustre les valeurs des paramètres introduites pour les terminaux :

Name Min

Power

(dbm)

Max

Power

(dbm)

Gain

(dB)

Perte

(dB)

Noise

Figure

(dB)

UE

Catégorie

Réception

Equipement

Nombre

of

réception

antenne

CDMA

Rho

Factor

(%)

HSDPA

-50 25 0 0 5 Catégorie

17

Standard 1

(SISO)

100


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terminal

HSUPA

terminal

-50 25 0 0 5 Catégorie

1

Standard 1

(SISO)

100

MP -50 21 0 0 5 Catégorie

6

Standard 1

(SISO)

100

PDA -50 25 0 0 5 Catégorie

6

Standard 1

(SISO)

100

Tableau 3.1 : Les paramètres des différents types de terminaux

3.3.3. Mobilité

Chaque type de mobilité se caractérise par sa vitesse, sa valeur minimale à atteindre d’Ec/I0 par

cellule.

Le tableau ci-dessous résume les différents types de mobilité :

Name Average Speed

(km/h)

Min Ec/Io

(dB)

HS-SCCH Ec/Nt

Threshold (dB)

50 km/h 50 -15 -17

90 km/h 90 -15 -17

Pedestrian 3 -15 -17

Tableau 3.2 : Les paramètres des différents types de mobilité

3.3.4. Services

Parmi les étapes préliminaires de la planification d’un réseau, on cite l’étape d’identification

des services qui seront offerts par l’opérateur. Cette étape est très importante voire

fondamentale.


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Au niveau d’ATOLL, ils existent plusieurs services définis tel que le service ‘HSDPA’, le

service ‘HSUPA’, le service ‘Mobile Internet Access MIA’, le service ‘MultiMedia

Messaging Service MMS’, le service ‘Vidéo Conferencing’ et le service ‘Voice’.

Tous les services sont ainsi configurés pour les intégrer dans la carte de trafic, si on ne veut

pas prendre des paramètres par défaut. Si on ne spécifie pas les paramètres de configuration,

des valeurs seront mises par défaut.

3.3.5. Profil des utilisateurs

Une distinction est faite entre les usagers qui utilisent le terminal d’une manière

professionnelle et ceux qui l’utilisent d’une manière standard.

Les caractéristiques des utilisateurs sont illustrées dans les deux tableaux suivants :

Utilisateur professionnel

Service Terminal appels/heure Durée

(s)

Volume sur le

lien montant

(KBytes)

Volume sur le

lien descendant

(KBytes)

MMS Mobile Phone 0,2 -- 150 150

Voix Mobile Phone 0,2 240 -- --

VC PDA 0,01 600 -- --

MIA HSDPA terminal 0,1 -- 700 4 500

Tableau 3.3 : les différents paramètres de Business User

Utilisateur standard

Service Terminal appels/heure Durée

(s)

Volume sur

le lien

montant

(KBytes)

Volume sur

le lien

descendant

(KBytes)

MIA HSDPA 0,1 700 4 500


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terminal

MMS Mobile Phone 0,15 100 100

Voix Mobile Phone 0,15 240

VC PDA 0,05 200

Tableau 3.4: les différents paramètres de Standard User

3.3.6. Les environnements

Les différents environnements sont caractérisés comme indique le tableau suivant :

Environnement Surface

(KM²)

Pourcentage

(%)

Dense Urbain 60,3784 36,85

Urbain 59,6912 36,16

Rural 44,9839 26,98

Tableau 3.5: Les paramètres des différents Environnements

3.4.Configuration géographiques

3.4.1. Zone géographique à planifier

La figure suivante présente un aperçu de la zone à planifier au cours de notre projet. Cette

zone est la zone de grand Tunis qui couvre un peu plus que 165,0535 km², caractérisée par

une forte densité de population et une diversité de classes morphologiques.


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Figure 3.2: Zone géographique à planifier

3.4.2. La carte de trafic

La carte de trafic permet d’introduire les données sur le trafic UMTS au niveau de la zone à

planifier. Il existe divers types de cartes de trafic. Dans notre étude, on définit une carte de

trafic qui se base sur la densité des abonnés.

On considère 3 types d’environnement : Dense Urban, Urban et Rural.

Chaque environnement a été introduit en limitant les zones par leurs coordonnées

géographiques (altitude et latitude).

La carte de trafic obtenu est illustrée par la figure suivante :

Figure 3.3 : Carte de trafic de la zone à planifier


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3.4.3. Type d’antenne

L’outil de planification offre différents types d’antennes qui seront organisés dans un dossier

(Antennas) à utiliser pour extraire les différents paramètres d’antenne comme les diagrammes

de rayonnement, le gain et les ouvertures des antennes.

Dans notre cas, les antennes doivent pouvoir fonctionner dans les deux bandes, avoir un gain

aux alentours de 18 dBi, elles doivent être directives et polarisées verticalement. Les antennes

doivent avoir un tilt assez grand pour garder le signal à l’intérieur de la zone à couvrir et ne

pas causer des interférences.

Donc pour notre projet, nous allons choisir l’antenne manufacturée par Kathrein

(65deg 18dbi 2tilt 2100MHz ) dont les caractéristiques sont :

Gain G= 18dbi : Chaque antenne possède un gain qui lui est propre. Le gain est

l’amplification que l’antenne effectue du signal d’entrée.

Bande passante B=2100 Mhz : La caractéristique la plus importante d’une

antenne est la bande de fréquences supportée ; c'est-à-dire les fréquences que

l’antenne pourra émettre et recevoir

Tilt T=2 : Le tilt est l’angle d'inclinaison (en degrés) de l'azimut du lobe

principal de l'antenne dans le plan vertical.

Azimut : Chaque antenne est dirigée dans une direction déterminée par des

simulations, de manière à couvrir exactement la zone définie. La direction

principale de propagation de l’antenne.

Diagramme de rayonnement : Il représente la perte en dB de la puissance du

signal émis dans le voisinage immédiat de l’antenne dans toutes les directions

possibles (horizontales ou verticales).


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i) j)

Figure3.4:Diagrammes de rayonnement de l’antenne [(i) : horizontal, (j) : vertical]

3.5.Allocation des voisinages

Cette opération permet de déterminer les voisins d’une cellule :

Les contraintes de cette allocation sont :

Le niveau minimum de signal sur le canal pilote : pris égale à -105 dBm.

Ec/I0 minimum : pris égale à -14 dB

Nombre maximal de voisines égal à 23.

A la fin de cette opération, on transmet directement le résultat dans la liste des voisines.

3.6.Allocation des codes d’embrouillage

En UMTS, 512 codes de brouillage sont disponibles, numérotés de 0 à 511. Atoll facilite la

gestion des codes de brouillage en nous permettant de créer des groupes de codes de

brouillage et de domaines, où chaque domaine est un ensemble défini de groupes. On peut

également attribuer des codes de brouillage manuellement ou automatiquement à n’importe

quelle cellule dans le réseau.

Une fois la répartition est terminée, on peut vérifier les codes de brouillage, voir la

réutilisation du code de brouillage sur la carte, et faire une analyse de la distribution du code

de brouillage.

Les critères de cette opération sont les suivants :

Ec/I0 minimum : pris égale a -15 dB

Ec/I0 margin : il est égal à 5 dB

0

20

40

60

Co-Polar

0

20

40

60

Co-Polar


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Distance de réutilisation de codes : c’est la distance minimale entre deux cellules

pouvant utiliser le même code d’embrouillage. En générale, elle est en minimum égale

à 4 fois la distance inter-site.

3.7.Phase de Prédiction

Lors de notre étude, nous avons traité trois types de réseaux pour une même

infrastructure, les mêmes paramètres d’input (densité d’utilisateurs, services, carte de trafic). .

3.7.1. 1ér scenario : 1ére Densification de réseau 3G existant par l’ajout de la

technologie HSDPA sur quelques sites

Lorsqu’on a un réseau 3G déjà fonctionnel et que le nombre d’abonnés et leurs

comportements ne cessent d’évoluer on est amené d’augmenter les ressources afin de

satisfaire la demande et de palier à la dégradation de la qualité de service et de la congestion.

Pour cela, Une densification est indispensable si le réseau présente un manque de ressource.

On a effectué ces prédictions qu’illustrent le plus qu’apporte la présence delà technologie

HSDPA dans un réseau UMTS.

Prédiction de la couverture :

Pour une analyse plus claire, on a eu recours à l’histogramme suivant :

Histogramme3.1 : Histogramme du niveau du signal basé sur la couverture (HSPA)

D’après l’histogramme, une surface de bonne couverture s’étend sur une superficie de 51.20

Km² qui représente 32,05% de la surface totale de la zone d’étude.


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Prédiction de la qualité de signal EC/I0 « signal-sur-interférence-ratio »:

Le Total Ec/Io est défini comme la quantité totale d’énergie reçue divisée par la densité de

puissance dans la bande utile.

Cet indicateur illustre la qualité du canal pilot. Sa dégradation induit à une qualité de

communication médiocre à savoir des minis coupures au cours de la transmission. Ca peut

même pousser à une interruption des communications.

En CDMA, chaque téléphone qui est en cours d'appel avec une fréquence porteuse donnée

ressemble à du bruit pour tous les autres téléphones qui utilisent cette fréquence porteuse.

C'est le principal contributeur à ce qui est connu comme le bruit de fond.

La différence entre la puissance du signal total et le plancher de bruit est un signal utilisable,

connu sous le nom EC/I0.

Figure 3.5 : Prédiction de la qualité de signal Ec/I0

Pour une analyse plus claire, on a eu recours à l’histogramme suivant :

Histogramme 3.2 : Résultats de Prédiction de la qualité de signal Ec/I0


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Signal reçue Ec/Io (dB) Description

-20<Ec / Io ≤ -15 Mauvaise couverture

-15<Ec / Io ≤ -10 Couverture normale

-10<Ec / Io ≤ -5 Bonne couverture pour tous

les services.

Ec / Io > -5 Excellente couverture

Tableau 3.6 : Interprétation des résultats de la prédiction de la qualité de signal

En se basant sur les résultats de l’histogramme ci-dessus, On constate que la grande partie de

la surface de la zone à planifiée est d’une couverture normale où la valeur de signal reçue est

entre -15 et -10 dB, cette surface représente 82,146 km². Par contre, pour le rapport de qualité-

sur interférence qui a une valeur compris entre -20 et -15 dB ne représente que 18,17 % de la

surface totale .On constate aussi qu’une bonne couverture s’étend seulement sur une

superficie représentant 29.83 % de la surface totale.

Prédictions du débit RLC :

Histogramme 3.3 : Résultats de la prédiction du débit RLC

D’après l’histogramme précédent, le débit d’utilisateur n’est pas constant pour tous les

utilisateurs avec un maximum de 2Mbps ,il varie d’une zone à une autre où il est borné par

une valeur minimale qu’elle appartient à l’intervalle [1920 ; 2080 kbps], cette valeur de débit

couvre une surface de 0,9 km², et une valeur maximale appartient à l’intervalle [1440, 1600


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kbps] qu’elle couvre une surface de 7,3 km², malgré qu’il existe des valeurs supérieurs à cette

valeur mais avec une couverture nulle. On remarque aussi la présence des débits faibles et

nuls sur quelques cellules où il on a des valeurs de débits au-delà de 3Mbps n’existent pas

dans notre réseau.

Prédiction du débit MAC :

Histogramme 3.4 : Résultats de la prédiction du débit MAC

L’histogramme montre que les valeurs de débits au-delà de 2.35Mbps n’existent pas dans

notre réseau et qu’une gamme de débit offerte par la couche MAC a un maximum de 2350

kbps qui est une valeur admise pour HSDPA.

Prédiction de la valeur de CQI:

L’indicateur de qualité de canal (CQI) est une mesure de la qualité de communication de

canaux sans fil. Typiquement, une valeur élevée de CQI est indicatif d'un canal de haute

qualité, et vice versa.


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Histogramme 3.5 : résultats des répartitions de valeurs de CQI

L’histogramme précédent nous montre que les régions de CQI ne sont pas équitablement

reparties où on trouve des régions avec un CQI élevé et d’autre avec un CQI faible

On constate que la grande surface est d’un CQI de valeur appartient à l’intervalle [5 ; 15], une

surface de 40,82 km².

D’autre part, on constate bien un problème pour les valeurs supérieures à 15 comme il est bien

clair au niveau d’histogramme.

Conclusion :

Malgré l’introduction des deux réseaux HSDPA et HSPA, nous remarquons que la demande

des utilisateurs devient de plus en plus forte ce qui implique un service médiocre surtout aux

milieux intérieurs qui se traduit surtout par une augmentation de taux de blocage, une

diminution des débits offerts par quelques stations de bases et supportés par quelques cellules.

Derrière ces résultats, se cachent des problèmes réseaux dont on cite :

Des trous de couverture : la couverture réseau n’est pas entière pour le total de la zone

prévue à couvrir.

Un taux de Handover des cellules important qui atteint 90% pour les deux réseaux. Par

conséquent, le taux de coupure des communications est élevé.

Un taux d’erreur élevé pour une importante valeur de CQI.

Pour cette raison, une version avancée de HSPA est apparue, nommée HSPA+.


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Parmi les techniques adaptées en HSPA+, on cite MIMO qu’on a étudié dans le chapitre 1 et

qui tient en compte les débits et la couverture surtout dans les milieux intérieurs.

3.7.2. Le 2ème scénario : Densification de réseau HSDPA existant :

« Déploiement de la technologie MIMO »

Après avoir étudié la technologie MIMO dans le but d’approfondir la réflexion sur l’évolution

des réseaux 3G, il s’agit pour nous d’étudier l’aspect de l’évolution du réseau HSPA+.

Cette partie illustre les étapes de planification d’un réseau HSPA+ en exploitant comme

technique de densification la technique MIMO.

3.7.2.1. Planification d’un réseau HSPA+

Les étapes de cette phase sont les suivantes :

Choix de sites supportant MIMO

Cette évolution va influer sur les plusieurs paramètres tel que:

Le nombre d’abonnés par cellule : Ce nombre va augmenter suivant

l’évolution morphologique (type de clutter) et l’évolution de la densité de la

population.

Le débit fourni au niveau de chaque cellule : C’est le résultat de l’évolution

du nombre des usagers au niveau de la cellule

Le taux de pénétration de chaque service: Ce taux va évoluer suite à

l’augmentation de la demande pour certains services Haut Débit.

La qualité de service Haut débit demandé: L’exigence sur la qualité peut

s’accentuer suite à la concurrence entre différent opérateurs. .

Configuration du réseau HSPA+ :

La même configuration radio est adaptée que pour le réseau HSPA

Pour notre réseau HSPA+, une modélisation de trafic nécessite une configuration des

terminaux puisque MIMO est une capacité du terminal.

Le choix des sites supportant la technique MIMO est basé essentiellement sur:


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Une estimation d’après les derniers résultats de prédiction des zones de haute population

ayant un service Indoor médiocre (zone El Kram, Lac, Marsa, Ghazela etc …)

L’apport de nouveaux sites pour atteindre notre objectif est aussi possible ainsi que

l’implantation des femtocells dans les grandes surfaces (2ème

solution de densification) afin de

remarquer une amélioration en performance, particulièrement en termes de débit.

Selon ces conditions, on va choisir les sites supportant MIMO et planifier un réseau HSPA+.

La configuration radio des terminaux nécessite :

Le choix du nombre de port d’émission et réception : On a choisi la version MIMO

2×2.

Le choix d’une technique de transmission des données : ATOLL utilise deux

techniques pour la transmission, soit par diversité de transmission soit par

multiplexage spatial.

Une configuration des terminaux puisque MIMO est une capacité du terminal, il est

nécessaire que les terminaux supportent MIMO.

3.7.2.2. Prédictions :

Après avoir choisi les sites supportant, on procède à l’optimisation du réseau qui est effectuée

en se basant sur trois contraintes :

-Couverture : une prédiction sur la couverture est effectuée pour une valeur seuil de -

120dBm.

-Qualité : une fois que la contrainte de couverture est satisfaite, on effectue une prédiction de

qualité qui se base sur Ec/I0 pour une valeur minimal égal à -13dB.

Prédiction de la couverture :

Comparaison entre la couverture pour HSPA et pour HSPA+ :

Niveau du signal

(dBm)

HSPA HSPA+avec MIMO

Zone couverte

Km²

Zone couverte

Km²

[-120,-115] 4.8597 2,1020


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[-115,-110] 14.6244 9,0117

[-110,-105] 25.7668 22,0098

[-105,-100] 31.3093 26,0174

[-100,-95] 32.4218 33,6991

[-95,-90] 21.8759 23,3539

[-90,-85] 13.454 20,5521

[-85,-80] 8.0015 11,5808

[-80, ] 7.8836 11,8702

Tableau 3.7 : Amélioration de couverture apportée par MIMO

Pour les niveaux de signal supérieur à -100 dB, nous remarquons que la couverture s’est

améliorée de 17.4193 km² de la surface totale c.-à-d. ≈ 10.5536 % et pour les niveaux de

signal médiocre [-120,-100[, la couverture a diminué aussi de presque 10% grâce au

déploiement de la technologie MIMO.

Prédiction de la qualité de signal EC/I0 « signal-sur-interférence-ratio »:

Histogramme 3.6 : Qualité du signal EC/I0 pour HSPA+ en utilisant MIMO


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Comparaison entre qualité de signal reçu pour HSPA et pour HSPA+ en

utilisant MIMO :

Figure 3.6 : Courbes comparatives de la qualité de signal reçu pour HSPA et pour

HSPA+ en utilisant MIMO :

Prédiction du débit RLC :

Histogramme 3.7 : Résultats de prédiction du débit RLC pour HSPA+ en utilisant

MIMO

Comparaison entre débit RLC pour HSPA et pour HSPA+ en utilisant MIMO :


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Figure 3.7 : Courbes comparatives entre le débit RLC pour HSPA et pour HSPA+ en

utilisant MIMO

Prédiction du débit MAC :

Histogramme 3.8 : Résultats de prédiction du débit MAC pour HSPA+ en utilisant

MIMO

Comparaison entre débit MAC pour HSPA et pour HSPA+ en utilisant MIMO :


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Figure 3.8 : Courbes comparatives entre le débit MAC pour HSPA et pour HSPA+ en

utilisant MIMO :

On constate que l’augmentation touche tous les niveaux de débit.

En utilisant HSPA+ avec MIMO, on peut atteindre des niveaux de couverture par km² plus

haute que celles atteintes par HSPA.

Prédiction des valeurs CQI :

Histogramme 3.9 : Résultats des répartitions des valeurs de CQI

Comparaison entre les valeurs CQI pour HSPA et pour HSPA+ en utilisant

MIMO :


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Figure 3.9 : Courbe comparative CQI pour HSPA et pour HSPA+ en utilisant MIMO

Le système MIMO permet une amélioration du SNR moyen reçue par le mobile par

conséquence les valeurs de CQI dans la zone d’étude et spécialement dans les milieux Indoor

Une diminution de l’étendu des valeurs de CQI par rapport au HSPA est accompagnée par

une élévation de la valeur de CQI couvrant des faibles surfaces.

Cette élévation traduit un renforcement du signal transmis dans notre réseau.

3.8.Phase d’optimisation et simulation des résultats :

Après avoir effectué les prédictions, on va on va effectuer maintenant quelques simulations.

Une simulation consiste à calculer la capacité du réseau pour les deux liens montant et

descendant et de vérifier que c’est en accord avec la demande de trafic analysé au début de la

phase de dimensionnement.

Les simulations permettent aussi de déterminer le Noise Rise et le niveau de charge pour le

sens montant et descendant.

L’outil de planification fourni une distribution des utilisateurs à un instant donné. Il fournit

aussi la distribution des services c'est-à-dire services par utilisateurs dont le nombre

d’utilisateurs sera introduit automatiquement par l’outil de planification en fonction des

densités qui étaient invariantes pour les trois scénarios et pour chaque profil d’utilisateur dans

l’environnement Indoor. Il permet aussi d’avoir le niveau de charge pour chaque sens pour

chaque cellule, le pourcentage de soft handover pour chaque cellule. En plus, il fournit le

pourcentage de services bloqués et les causes de ce blocage.


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3.8.1. Conditions initiales de la simulation

Les conditions initiales de la simulation sont illustrées dans la figure suivante :

Figure 3.10 : Configuration des paramètres de la simulation

3.8.2. Les résultats des simulations :

On a un total de 3 871 utilisateurs Indoor distribués en fonction des services, à un instant bien

déterminé :

Nombre total d’utilisateurs: 3 871

Nombre final d’utilisateurs Inactifs: 705

Nombre final d’utilisateurs Actifs: 3166

Users Active Debit Mbps

Downlink Uplink Down+Up DL UP

3 871 1 272 1 314 490 247,83 68,06

Tableau 3.8 : Résultats des simulations

On remarque bien que presque 81% des utilisateurs ont été servis.

3.8.3. Optimisation

L’opération d’optimisation consiste à auto-effectuer des modifications au niveau des

configurations de quelques paramètres, une contrainte est mise en jeu :


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-La carte RS Coverage (Radio signal Coverage) :Affiche la couverture par qualité de

puissance de signal RS qu’elle doit dépasser 90% dBm pour les deux zones Focus et

Computation.

Apres avoir effectué la procédure d’optimisation, on obtient les résultats suivantes :

Critère

d’optimisation

Graphe des variations Objectif

Radio signal

Coverage

Atteint > 90%

Tableau 3.9: interprétation des résultats d’optimisation en fonction de la variation du

taux RS Coverage

L'histogramme ci-dessous montre la distribution des services HSDPA suivant le résultat de

simulation :

Histogramme 3.10 : Distribution des services par usager

Distribution des services par usager

MIA

MMS

Video Conférence

Voix


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Ces proportions s’expliquent également par le flux de données moyen émis et reçu pour

chaque profil d’usager défini dans notre projet.

En effet, on constate que le volume de données pour le service voix est le plus important, il

est utilisée par 57.013 % de nombre total des utilisateurs.

Dans notre cas, tous les utilisateurs indoor servis reçoivent les totalités du débit requis ce qui

montrent que les exigences en matière de Qos sont bien respectés avec la technologie HSPA+

basée sur MIMO.

Lorsque le réseau d’accès ne peut pas servir un utilisateur, ce dernier sera rejeté. C’est le cas

avec le service Voix où on a 336 utilisateurs non actifs ou bloqué suit à un problème parmi les

cause de blocage d’un appel (Puissance insuffisante pour un UE en UL, Qualité insuffisante

en DL etc …)

On remarque aussi une grande différence entre le débit montant et descendant. Un tel service

(MIA par exemple) nécessite beaucoup plus de tendance d’utiliser le lien descendant pour le

téléchargement des informations Débit = 31 Mbs) que celui ascendant (Débit=9 Mbs) :

Le service MIA:

Histogramme 3.11 : Débit correspondant au service MIA

Il existe aussi des débits sont équivalents pour les stations de base de notre réseau pour le lien

montant et descendant. En effet, les exigences de Qos fixés pour ce service demandent le

même débit nominal ou légèrement supérieur pour les deux sens qui sont directement liés à

l’utilisation (service voix, VC ….)

Le service MMS :

0

500

1000

1500

1 3 5 7 9 11 13 15 17

DL Throughput Mobile Internet Access (kbps)


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Histogramme 3.12 : Débit correspondant au service MMS

Le débit pour le lien montant est légèrement supérieur qu’au celui descendant pour toutes les

stations de base de notre réseau

Le service Vidéo Conferencing :

Histogramme 3.13 : Débit correspondant au service VC

3.9.Problèmes soulevés et solutions adéquates

3.9.1. Problèmes soulevés

Certains phénomènes provoquent des perturbations au niveau des stations de base. Le

problème de couverture apparait lorsque les ondes émises par le mobile n’arrivent pas à la

station de base la plus proche, ou bien lorsque celle émises par l’antenne de la BTS n’arrivent

pas avec une puissance suffisamment détectable par la station mobile.

La mauvaise couverture peut être évaluée par un taux d’échec d’accès, taux de coupure de

communication, taux élevé de Handover.

Parmi les problèmes rencontrés, on peut citer les suivants :

La non-conformité des modèles de propagation qui sont principalement dimensionnés

pour les pays occidentales.

Le non prise en compte de la mobilité événementielle qui surcharge les Node B de la

zone à couvrir ce qui diminue la qualité de service.

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

DL Throughput Multimedia Messaging Service (kbps)

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

DL Throughput Video Conferencing (kbps)


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Le dimensionnement des réseaux dépend des constructeurs des équipements radio ce

qui implique au cas d’échec de négociation avec le constructeur, le

redimensionnement du réseau 3G+.

3.9.2. Solution adéquates

Pour remédier à ceci plusieurs solutions sont envisageables :

Ajout des sites : c’est une solution préféré pour le cas ou les problèmes de couverture

sont causés par un nombre insuffisant de Node B ou dans le cas ou le rayon maximal

de couverture est incapable de couvrir certaines zones éloignées.

Action sur les antennes : qui consiste soit à une réorientation de l’antenne, soit à un

changement de la configuration et ça permet de varier certains paramètres tels que la

puissance d’émission.

Le dimensionnement doit au maximum : ne pas dépendre de fabricants des

équipements, d’où la limitation de l’indépendance par rapport aux constructeurs.

Dans cette partie on a effectué les prédictions nécessaires pour aboutir à un réseau HSDPA

optimisé .Cependant il existe encore des zones où la qualité de service indoor ne répond pas

encore aux attentes de l’utilisateur tels que El Kram 1, 2,3, La Marsa etc.… comme le montre

la figure suivante :

Figure 3.11 : Variation de Ec/Io

Dans la partie qui suit nous allons chercher une solution pour ce problème.


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3.10. Amélioration de la couverture indoor par les femtocells

La foire d’EL KRAM qui s’étend sur 18 hectares au cœur du grand Tunis dont 40.000 m ² de

surface d’exposition couverte et 15000 m ² de surface extérieure d'exposition est la zone

choisie pour notre application.

3.10.1. Positionnement des femtocells :

Vu l’architecture de la foire et la répartition des abonnés on va installer cinq femtocells de la

façon suivante, l’étude est illustrée par la figure suivante :

Figure 3.12 : Emplacement optimal des Femtocells

L’installation des cinq femtocells de cette façon à l’intérieur de la foire offre une couverture

d’une quinzaine de mètres pour chaque femtocell.

La foire d’EL KRAM se trouve dans une zone où le niveau de signal est supérieur ou égal à -

100dBm d’après les prédictions effectuées précédemment, donc il existe des problèmes

d’interférence entre les femtocells installés dans la foire et les secteurs du Node-B El Kram1.

3.10.2. Les solutions proposées relatives à la foire d’EL KRAM

Pour le déploiement des femtocells dans la foire d’EL KRAM, nous prévoyons les solutions

suivantes :

1ère solution :

Puisque La foire se trouve dans une zone de dominance macro et puisque Tunisie

Telecom a 3 licences de fréquences pour UMTS, on peut déployer une deuxième sous bande


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de fréquence 2100, tout en paramétrant de nouveau les cellules voisines pour assurer le

handover inter-porteuse.

2ème solution :

L’utilisation d’une porteuse identique aux cellules voisines, pourra influer la carte des

services, ainsi, nous prévoyons comme solution :

1. Utiliser la technologie HSPA dans les femtocells de la foire EL KRAM

2. Désactiver HSPA pour les cellules suivantes : Kram1, Kram2, Kram3 pour mieux

exploiter le contrôle de puissance activé seulement dans le R’99.

Le résultat d’application des solutions proposées est illustré par l’application suivante :

Comme résultat de simulation par Atoll on a considéré 2 utilisateurs à des 2 positions

différentes, on a mesuré pour ces différents utilisateurs les puissances reçues par les

macrocells voisines :

Et en se basant sur la formule précédente on a calculé la puissance reçue de femtocell pour

les différents utilisateurs localisés, voir tableau (3.10) :

Utilisateurs Pémise de femtocell

(dB)

Perte (dB) Preçue de femtocell

(dB)

1 -10 0 -10

2 -10 25 -35

Tableau 3.10 : Calcul de la puissance de la femtocell reçue

Le tableau (3.11) illustre les mesures de puissance femtocell / macrocell pour les différentes

positions choisies :

Utilisateur Preçue de femtocell (dB) Preçue du macrocell (dBm)

1 -10 -20


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Tableau 3.11 : Puissance reçue pour de la femtocell et la macrocell

On constate que la différence entre la puissance reçue du macrocell et la puissance reçue du

femtocell pour l’utilisateur n° 1 est inferieure au seuil (15 dBm), donc on conclut qu’il est

servi par la serveuse femtocell. Alors que la différence entre la puissance reçue du macrocell

et la puissance reçue du femtocell pour l’utilisateur n° 2 est supérieure au seuil (15 dBm) on

conclut donc qu’il est servi par la serveuse macro.

D’après ces résultats on peut finalement dire que le réseau Femtocell a été bien établi dans la

Foire et a bien rempli les fonctionnalités cibles.

3.11. Conclusion

La nouvelle technologie "Femtocell" et la fameuse technologie MIMO sont considérée

comme le potentiel sauveur des opérateurs menacés par la concurrence du Wifi. Ces solutions

offrent une meilleure couverture et un plus haut débit aux utilisateurs situés en intérieur.

2 -35 -10


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Conclusion Générale

La demande croissante en terme de débit de données exigée par les nouveaux services pour

les communications sans fils nécessite de proposer de nouvelles techniques pour augmenter la

capacité du canal de transmission sans fil.

Les techniques des antennes multiples et des Femtocells présentent deux bonnes solutions

venant s’ajouter sur des connexions existantes pour améliorer les signaux reçus par les

mobiles en milieux intérieurs.

Dans le cadre de mon travail, il m’a été confié la densification du réseau HSPA+ en utilisant

la technologie MIMO dans la zone du Grand Tunis caractérisée par une forte densité

d’utilisateur dans un 1er

lieu et le dimensionnement et la planification d’un réseau Femtocell

afin d’augmenter le débit, améliorer la couverture et la qualité du service indoor.

Dans ce but, on a commencé tout d’abord, dans le premier chapitre, par un aperçu général sur

les réseaux mobiles de la nouvelle génération et une étude plus détaillée du réseau HSPA+ et

la technologie MIMO. On a décrit les améliorations apportées par HSPA+ et le principe de

fonctionnement du système multi antennes.

Dans le deuxième chapitre, on a entamé le dimensionnement du réseau en lui introduisant la

technologie MIMO en premier lieu et les Femtocells en second lieu.

Et pour faciliter la procédure du dimensionnement on a développé un outil de

dimensionnement minimisant le taux d’erreur causé par l’intervention humaine dans la tâche

du calcul du bilan de liaison.

Enfin, dans le dernier chapitre, on a effectué quelques prédictions de couverture, de qualité de

signal du débit etc. On a testé ensuite notre réseau par quelques simulations spécifiées au

milieu intérieur et interprété les résultats de ces simulations mettant en jeu le gain apporté par

la technologie MIMO et enfin on a déployé un réseau Femtocell dans la Foire d’El Kram.

On tient tout particulièrement à souligner l’apport du projet de fin d’étude. Il est caractérisé,

d’une part, d’un aspect technique indéniable puisque les technologies manipulées sont

relativement nouvelles. D’autre part, il a été élaboré dans des conditions de précision et de

rigueur où tout résultat trouvé doit être justifié et toute interprétation doit suivre une certaine

logique.


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Finalement, comme perspectives à ce travail, il aurait été rigoureux d’envisager d’autres

scénarios de prédiction afin de détecter d’autres types de problèmes et y remédier.


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Sommaire

Introduction générale ............................................................................................................... 1

Cadre général du projet ........................................................................................................... 2

Organisme d’accueil ............................................................................................................... 2

Cadre du projet ....................................................................................................................... 2

1. Description des technologies MIMO et Femtocell dans le réseau 3G .............................. 3

1.1. Introduction ................................................................................................................. 3

1.2. Le réseau 3G ................................................................................................................ 3

1.2.1. Caractéristiques du réseau 3G .............................................................................. 4

1.2.2. Bande de fréquence et modulation ....................................................................... 4

1.2.3. Technique d’accès ................................................................................................ 4

1.2.4. Débit binaire ......................................................................................................... 4

1.3. Evolution de la 3G ........................................................................................................... 5

1.3.1. Présentation de la technologie HSPA ................................................................... 5

1.3.2. Présentation de la technologie HSDPA ................................................................ 5

1.3.3. Présentation de la technologie HSUPA ................................................................ 5

1.3.4. Présentation de la norme HSPA+ ......................................................................... 6

1.4. Milieu de couverture réseau ........................................................................................ 6

1.4.1. La couverture réseau en milieu outdoor ............................................................... 6

1.4.2. La couverture réseau en milieu indoor ................................................................. 7

1.5. La technologie femtocell ............................................................................................. 7

1.5.1. Intérêt et objectif .................................................................................................. 7

1.5.2. Caractéristiques techniques .................................................................................. 8

1.5.3. Architecture du femtocell ..................................................................................... 8


BOKRI Ghada

1.5.4. Bénéfices des femtocells ...................................................................................... 9

1.5.5. Inconvénients ..................................................................................................... 10

1.6. La technologie MIMO : Multiple-Input Multiple-Output ......................................... 11

1.6.1. Définition ........................................................................................................... 11

1.6.2. Principe ............................................................................................................... 12

1.6.3. Les aspects techniques de la technologie MIMO ............................................... 12

1.6.4. La Capacité de la technologie MIMO ................................................................ 13

1.6.5. Les différents types de codage MIMO ............................................................... 14

1.6.6. Le pré codage MIMO ........................................................................................ 15

1.6.7. Antennes MIMO ............................................................................................... 15

1.7. Conclusion ................................................................................................................. 16

2. Techniques de dimensionnement d’un réseau HSPA+ par les technologies MIMO et

Femtocells ................................................................................................................................ 17

2.1. Introduction ................................................................................................................... 17

2.2. Méthodologie générale de dimensionnement d’un réseau HSPA+ ........................... 17

2.2.1. Etape d’évaluation de l’existant : ....................................................................... 18

2.2.2. Etape de visite du site ......................................................................................... 18

2.2.3. Etape de configuration du réseau ....................................................................... 18

2.3. Dimensionnement d’un réseau HSPA+ avec la technologie MIMO ......................... 18

2.3.1. Le bilan de liaison .............................................................................................. 19

2.3.2. Bilan de liaison pour le lien montant ................................................................. 22

2.3.3. Bilan de liaison pour le lien descendant ............................................................. 24

2.3.4. Estimation du rayon de la cellule ....................................................................... 26

2.4. Méthodologie générale de dimensionnement d’un réseau HSPA+ avec les

Femtocells ............................................................................................................................. 29


BOKRI Ghada

2.4.1. Modèle de trafic ................................................................................................. 29

2.4.2. Modèle de propagation ....................................................................................... 30

2.4.3. Services Utilisés ................................................................................................. 30

2.4.4. Dimensionnement ............................................................................................... 31

2.5. Développement d’un outil de dimensionnement ....................................................... 33

2.5.1. Environnement informatique et développement ................................................ 33

2.5.2. Interfaces réalisées ............................................................................................. 35

2.6. Conclusion ................................................................................................................. 38

3. Planification et densification du réseau HSPA+ par MIMO et Femtocells .................. 39

3.1. Introduction ................................................................................................................... 39

3.2. Processus de planification ......................................................................................... 39

3.2.1. Objectifs de la planification ............................................................................... 39

3.2.2. Présentation de l’outil de planification radio ‘’Atoll’’ ....................................... 40

3.2.3. Les données en entrées pour l’outil ‘’Atoll’’ ..................................................... 40

3.3. Configuration de réseau: ............................................................................................ 40

3.3.1. Choix des sites : ................................................................................................. 40

3.3.2. Terminaux .......................................................................................................... 41

3.3.3. Mobilité .............................................................................................................. 42

3.3.4. Services .............................................................................................................. 42

3.3.5. Profil des utilisateurs .......................................................................................... 43

3.3.6. Les environnements ............................................................................................ 44

3.4. Configuration géographiques ................................................................................... 44

3.4.1. Zone géographique à planifier ............................................................................ 44

3.4.2. La carte de trafic ................................................................................................. 45

3.4.3. Type d’antenne ................................................................................................... 46


BOKRI Ghada

3.5. Allocation des voisinages .......................................................................................... 47

3.6. Allocation des codes d’embrouillage ........................................................................ 47

3.7. Phase de Prédiction .................................................................................................... 48

3.7.1. 1ér scenario : 1ére Densification de réseau 3G existant par l’ajout de la

technologie HSDPA sur quelques sites ............................................................................. 48

3.7.2. Le 2ème scénario : Densification de réseau HSDPA existant :

« Déploiement de la technologie MIMO » ..................................................................... 53

3.7.2.1. Planification d’un réseau HSPA+ ................................................................... 53

3.7.2.2. Prédictions : .................................................................................................... 54

3.8. Phase d’optimisation et simulation des résultats : ..................................................... 59

3.8.1. Conditions initiales de la simulation .................................................................. 60

3.8.2. Les résultats des simulations : ............................................................................ 60

3.8.3. Optimisation ....................................................................................................... 60

3.9. Problèmes soulevés et solutions adéquates ............................................................... 63

3.9.1. Problèmes soulevés ............................................................................................ 63

3.9.2. Solution adéquates .............................................................................................. 64

3.10. Amélioration de la couverture indoor par les femtocells ....................................... 65

3.10.1. Positionnement des femtocells : ..................................................................... 65

3.10.2. Les solutions proposées relatives à la foire d’EL KRAM .............................. 65

3.11. Conclusion ............................................................................................................. 67

Conclusion Générale .............................................................................................................. 68

PFE Technologie MIMO et Femtocells pour l'amélioration de la perfomance du HSPA

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