YouKc Memoire WIMAX

5/11/2018 YouKc Memoire WIMAX - slidepdf.com

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Présenté et soutenu par Mr Youssoupha CASSE

1

Présenté par : Encadré par : Maître de stage :

Année universitaire : 2009 – 2010

REPUBLIQUE DU SENEGAL

***** * * ********

Thème : ETUDE ET MISE EN PLACE D’UN RESEAU WIMAX DANS

LA REGION DE DAKAR

MEMOIRE DE FIN DE CYCLE

Pour l’obtention du:

DIPLOME SUPERIEURE DE TECHNOLOGIE TELECOMS ET RESEAUX(DSTTR)

Lieu de stage : ESP (Ecole Supérieure Polytechnique)

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT GENIE INFORMATIQUE

Centre de Dakar

Mr Idy DIOPYoussoupha CASSE




1

VISA DE SOUTENANCE

DIPLOME SUPERIEURE DE TECHNOLOGIE TELECOMS ET RESEAUX (DSTTR)

Je soussigné, M. ……………………………., (poste occupé) et Maître de stage,

autorise M……………………………………. (étudiant (e) au Département Génie

Informatique de l’ESP/ DSTTR 2 éme année) à déposer son mémoire de fin de

cycle.

Dakar, le ……………………..

Signature

Je soussigné, M. ……………………………., enseignant à l’ESP et encadreur,

autorise M……………………………………. (étudiant(e) au Département Génie

Informatique de l’ ESP/ DSTTR 2 éme année) à déposer et à soutenir son mémoire

de fin de cycle.

Dakar, le ……………………..

Signature

Le responsable pédagogique




2

Je dédie ce mémoire :

A ma mère qui ne cessent de prier pour moi. Que DIEU la préserve de toute

peine et la donne longue vie.

A mon père pour son grand soutien et tout le sacrifice qu’il a fait pour moi. Que

DIEU lui donne longue vie et santé.

A mes frères et sœurs

A toute ma famille notamment à Masse KASSE pour son soutien et son

gratitude ;

A tous mes amis et plus particulièrement à Mouhamed B. DEME, à Atou DABO

et à Abdoulaye SYLLA pour leur grand soutien..

A tous les étudiants de ma promotion. En particulier à Mme cheikh A. MBAYE

(paix en son âme) qui ma fournit de la documentation concernant ce travail.

A tous ce qui ont participé à la réalisation de ce travail.

DEDICACES



Au terme de ce travail, je remercie du fond du cœur toutes les

personnes qui m’ont aidé à sa réalisation.

Je tiens particulièrement à dresser mes remerciements les plus

sincères à Mr Idy DIOP pour son encadrement, sa disponibilité et ses

conseils.

Je remercie Mr Ibrahima NGOM professeur et responsable

pédagogique de la formation DSTTR promotion 2008-2010 pour ses

conseils.

Je remercie également tous ceux qui ont participé à

l’accomplissement de ce travail.

REMERCIEMENTS




iv

ADSL : Asymmetric Digital Subscriber Line

ASN : Access Service Network

BS : Base Station (station de base)

CPE : Customer Premise Equipment (équipement d'accès client)

CPS : Common Part Sublayer

CS : convergence sublayer

CSN : Connectivity Service Network

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers

ETSI : European Telecommunications Standards Institute

LAN : Local Area Network

LOS : line-of-Sight

MAC : Media Access Control

MAN : Métropolitain Area Network

NLOS: Non Line-of-Sight

OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex

OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PIRE : Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente

PS : Privacy Sublayer

QoS : Quality of Service

SSCS : Service Specific Convergence Sublayer

VPN : Virtual Private Network

WIMAX : Worldwide Interoperability for Microwave Access

Wifi : Wireless Fidelity

Acronymes



Mémoire de fin de cycle 2009-2010


5

INTRODUCTION GENERALE..........................................………………….…………1

CHAPITRE I : GENERALITE SUR LA TECHNOLOGIE WIMAX……….………….2

I. INTRODUCTION…………………………………………………….………..……3

II. Contexte et problématique du sujet………………………………….……………..3

III. Présentation de la technologie WIMAX……………………………….…………...4

i. Principe de fonctionnement………………………………………….………....4

ii. WIMAX fixe et WIMAX mobile……………………………………………....5

1. WIMAX fixe……………………………………………………………5

2. WIMAX mobile………………………………………………………...6

IV. Architecture du réseau WIMAX………………………………………….….……...7

V. Les principaux équipements du réseau……………………………………...….…..7

i. La station de base BS…………………………………………….……….…..7

ii. Les stations terminales…………………………………………….………....8

VI. Etude technique du WIMAX……………………………………………….………..8

i. La couche MAC….......................................................................................9

1. La couche SSCS……………………………………………………..….9

2. La couche CPS………………………………………………………….9

3. La couche PS…………………………………………….………….…..9

ii. La couche physique……………………………………………………………..10

VII. Domaines d’application……………………………………………………………..10

VIII. Avantages et inconvénients du WIMAX…………………………………………...11

i. Avantages……………………………………………………………………….11

ii. Inconvénients……………………………………………………………………11

IX. Conclusion……………………………………………………………………………12

Table des matières





6

CHAPITRE II : INGENIERIE DU WIMAX …………………………………………….13

I. Introduction………………………………………………………………………….14

II. Dimensionnement et planification………………………………………………….15

i. Choix de la bande de fréquence………………………………………………..15

ii. Les modèles de propagation……………………………………………………16

1. Rôle du modèle de propagation……………………………………...16

2. Les types de modèle de propagation…………………………………16

a. Le modèle de propagation Free Space…………………………17

b. Modèle SUI………………………………………………………17

c. Modèle d’Erceg………………………………………………….19

iii. Link Budget ou Budget de liaison……………………………………………...20

1. Utilité………………………………………………………………….20

2. Formules de calcul………………………………………………...…20

a. Coté émetteur……………………………………………………20

b. Cote récepteur…………………………………………………...21

c. Cote radio………………………………………………………..21iv. Détermination du nombre de stations de base………………………………..22

v. Couverture d’une cellule…………………………………………………22

III. Choix du type de dimensionnement………………………………………………..23

i. Dimensionnement suivant la capacité…………………………………...…23

ii. Dimensionnement suivant la portée ou la couverture…………………....23

IV. Les contraintes du WIMAX……………………………………………………...…24

i. Contraintes réglementaires…………………………………………………….24

ii. Contraintes techniques…………………………………………………………25

V. Conclusion……………………………………………………………………………25

CHAPITRE III : MISE EN PLACE DU WIMAX POUR LA REGION DE DAKAR…26

I. Introduction…………………………………………………………………………27





7

II. Choix de la région de Dakar………………………………………………………..27

III. Etude de la région de Dakar………………………………………………………..27

IV. Conception……………………………………………………………………28

i. Model de base …………………………………………………………………..28

ii. Paramètre du modèle…………………………………………………………...28

1. Paramétrage du système………………………………………………28

2. Paramétrage des stations de base…………………………………….29

3. Paramétrage de CPE…….……………………………………………30

4. Paramétrage fréquentiel……………………………………………...31

V. Atténuation de parcours en fonction de la portée…………………………………32

VI. Emplacement des BS………………………………………………………………...33

VII. Conclusion……………………………………………………………………………34

CONCLUSION GENERALE………………………………………………………………35

Bibliographie / « Webographie » ......................................................................................... 36





8

Figures :

Figure I.1 : Fonctionnement du WIMAXErreur ! Signet non

défini...........................................................................5 Figure I.2 : Architecture en couche de la norme 802.162…………..………………………….8

Figure III.1 : Densité de la région de Dakar…………………………………………………..26 Figure III.2 : Planification frequentielle ......................................Erreur ! Signet non défini.29 Figure III.3 : Repartion de BS dans la region de Dakar ..............Erreur ! Signet non défini.31 Figure III.4 :Couverture cellulaire du departement de Dakar .................................................. 32

Tableaux :

Tableau II.1 : Les valeurs des constantes a, b et c selon le type du terrainErreur ! Signet non

défini.18

Tableau II.2 : Relation entre largeur de canal, débit, taille de la cellule et ligne de vue

.....................................................................................................Erreur ! Signet non défini.21

Tableau III.1 : Répartition de la population dans les départementsErreur ! Signet non

défini.25 Tableau III.2 : Nombre de BS requises pour couvrir les différents départements .........Erreur !

Signet non défini.27 Tableau III.3 : Paramètres du réseau ...........................................Erreur ! Signet non défini.28 Tableau III.4 : Parametrage de stations de base ..........................Erreur ! Signet non défini.28 Tableau III.5 : Parametre de l’affaiblissement de parcours ........Erreur ! Signet non défini.30

Table des figures





9





10

L’école supérieure polytechnique (E.S.P) forme en deux années d’études des

techniciens supérieurs, et en cinq ans des ingénieurs dans plusieurs spécialités.

Dans le cadre de leur formation les étudiants de fin de chaque cycle sont tenus

d’effectuer un stage pratique au sein d’une entreprise ou d’un service informatique.

Ce stage est effectué dans le but :

De fournir aux étudiants la possibilité de mettre en œuvre les connaissances

théoriques acquises tout au long de leur formation.

D’initier les futurs techniciens supérieurs aux réalités du milieu professionnel et

de leur permettre de se faire la main sur des projets d’envergures.

Au terme de ce stage un mémoire et un rapport de stage doivent être rédigés sur un

problème qui a été étudié durant ce stage.

C’est à l'issue d'un stage effectué

Avant-propos





1

Aujourd’hui, on est confronté à une forte demande de connexion à internet

haut débit et les accès de type ADSL se multiplient, mais ces technologies sont

limitées par leur débit et leur portée et ne permettent pas la souplesse

d’utilisation que procure un réseau sans fil comme le Wifi (Wireless Fidelity).

Cependant l’utilisation excessive des câbles a tendance à être remplacée

par le sans-fil. Depuis quelques années, le Wifi révolutionne les réseaux mais on

parle déjà d’une nouvelle technologie : le WIMAX.

WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est un

standard de réseau sans fil métropolitain ratifié par l'IEEE (Institute of

Electrical and Electronics Engineer) sous le nom IEEE-802.16. C’est une

alternative pour des connexions sans-fil à haut débit sur des zones de couverture

de plusieurs kilomètres.

Ce projet de fin d’étude aura pour but de nous permettre de mieux

compréhension la technologie WIMAX, son fonctionnement, ses domaines

d’application et son déploiement sur une zone bien déterminée.

Ce mémoire sera divisé en trois chapitres :

Le premier chapitre fera l’objet d’une étude détaillée de la technologie en

explorant son objectif, son architecture, son mode de fonctionnement, ses

avantages et inconvénients.

Le second chapitre sera consacré à l’ingénierie da la technologie. On

présentera les différentes étapes de la planification tout en précisant les modèles

de propagation pouvant être utilisés. Le choix du dimensionnement, le calcul de

la portée d’une cellule WIMAX et du nombre de stations de base seront aussi

étudiés.

Le troisième chapitre sera dédié à une étude de cas pratique ; il s’agira de

mettre en place un réseau WIMAX pour la région de Dakar.

INTRODUCTION





2

CHAPITRE I :

GENERALITE SUR LA

TECHNOLOGIE WIMAX





3

I. Introduction

WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access ) est avant tout

une famille de normes, définissant les connexions à haut-débit par voiehertzienne. C'est également un nom commercial pour ces normes, comme l'est le

Wifi pour la norme 802.11.

WIMAX décrit des technologies hertziennes destinées à des architectures

point-multipoint c’est à dire à partir d'une antenne centrale on cherche à joindre

de multiples terminaux.

Dans ce chapitre on étudiera cette technologie de manière détaillé en

explorant son principe de fonctionnement, les différents normes utilisées, sesavantages et inconvénients.

II. Contexte et problématique du sujet.

Qu’elle est la meilleure solution pour :

Permettre la couverture de toute la région de Dakar avec du réseau sans fil

permettant l’accès à internet haut débit.

Résoudre le problème des zones rurales qui sont aujourd’hui privées d’accès à

internet haut débit.

Eviter les problèmes de détérioration des lignes téléphoniques que rencontre

l’ADSL.

Amoindrir le coût d’investissement pour les infrastructures de

télécommunication

Eviter le pillage des câbles en cuivre avec comme conséquences des coupures

de services, un cout d’entretien élevé pour remplacer le cuivre volé ou le

sécuriser.

Eviter les travaux de génie civil.

Acheter une licence moins couteuse.

Garantir une qualité de service (QoS) permettant le fonctionnement de la voix

sur IP.





4

Grâce à ses avantages, le WIMAX parait être une solution prometteuse pour

les problèmes d’accès haut débit pour la région de Dakar.

III. Présentation de la technologie WIMAX

WIMAX, est une initiative du consortium « WIMAX Forum », créée (entre

autres) pour permettre la convergence et l'interopérabilité entre deux standards

de réseaux sans fils auparavant indépendants : HiperMAN proposé en Europe

par l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) et 802.16

proposé par l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Le WIMAX est un ensemble de normes techniques basées sur le standard de

transmission radio 802.16. Il est principalement utilisé pour les MAN

(Métropolitain Area Network) et plus spécialement au niveau de la boucle locale

radio c’est à dire entre l’abonné et le premier commutateur de rattachement. Le

WIMAX a un débit théorique de 70Mbits/s avec une portée de 50 kilomètres. En

pratique, les débits constatés n’excèdent pas les 12 Mbits/s sur une distance de 15

Kilomètres.

i. Principe de fonctionnement du WIMAX

Le principe de fonctionnement du WIMAX est simple : une antenne

centrale, reliée en fibre optique au réseau des fournisseurs d'accès à Internet,

envoie les paquets de données vers les antennes des abonnés ou vers une antenne

intermédiaire. Ce mode de communication est appelée point-multipoints. Tout se

passe par ondes radio, sans connexion filaire. Les ordinateurs qui se trouvent

dans la zone couverte bénéficient alors d'une connexion à haut débit à Internet,

sans fil et sans nécessité d'utiliser la ligne téléphonique.





5

Figure I.1 : fonctionnement WIMAX

ii. WIMAX fixe et WIMAX mobile

1. WIMAX fixe

Egalement appelé IEEE 802.16-2004, le WIMAX fixe est prévu pour unusage fixe avec une antenne montée sur un toit. Il opère dans les bandes de

fréquence 2.5 GHz et 3.5 GHz pour lesquelles une licence auprès de l’agence de

régulation des télécommunications est nécessaire. Il opère aussi sur la bande

libre de 5.8GHz.

Les normes :

L'IEEE 802.16d ou L'IEEE 802.16-2004

Cette norme est aujourd’hui utilisée par tous les utilisateurs du WIMAX

fixe, elle apporte certaines améliorations aux normes IEEE 802.16, IEEE

802.16a, IEEE 802.16c qui sont aujourd’hui devenus obsolètes. C’est donc cette

norme qui a été choisie pour déployer le réseau WIMAX fixe depuis juin 2004.

Celle-ci utilisant la bande de fréquence allant de 2 à 11 GHz et délivrant un débit

montant et descendant d’environ 75 Mbit/s sur une portée d’environ 10 Km.

L'IEEE 802.16f





6

Cette norme a été validée en août 2004, il a permis de faire évoluer la

norme 802.16 au niveau LAN (Réseaux locaux) et MAN (Réseaux métropolitains),

cette norme est aujourd'hui incluse dans la norme standard du WIMAX Fixe, le

802.16 d.

2. WIMAX mobile

Egalement appelé IEEE 802.16e, le WIMAX mobile prévoit la possibilité de

connecter des clients mobile au réseau internet. Ainsi il ouvre la voie à la

téléphonie mobile sur IP ou plus largement à des services mobiles hauts débit.

Le WIMAX mobile permettrait de se déplacer tout en restant connecté à Internet,

ceci par l’intermédiaire d’un appareil mobile équipé d’une carte WIMAX. Autrement dit, de se déplacer dans l’intégralité d’une zone couverte par

l’intermédiaire d’une antenne centrale sans déconnexion. Par la suite le WIMAX

permettra de passer d’une zone de couverture à une autre sans déconnexion.

Les normes :

L'IEEE 802.16e

Cette norme a été validée en septembre 2004 et elle utilise la bande de

fréquence allant de 2 à 6 GHz, elle permet en pratique de se connecter en haut

débits en se déplaçant a moins de 122 Km/h, le tout avec des débits montants et

descendants de 30 Mbit/s, en revanche la portée de celui-ci serait réduite a

environ 3,5 Km, il faudrait donc passer d’un réseau à l’autre afin de ne pas subir

de déconnection. Le WIMAX mobile serait une véritable alternative pour les

réseaux de transports.

Cette technologie offre aussi la possibilité d’établir des réseaux

temporaires, ceci pouvant se voir utile en cas d’urgence. Cette norme est

totalement compatible avec le WIMAX fixe puisqu’elle offre une interopérabilité

entre les plates-formes fixes 802.16a et les plates-formes mobiles 802.16e.





7

L'IEEE 802.16g

Cette norme a été validée en août 2004, elle étendait la mobilité du

WIMAX du mobile sur des couches réseaux supérieures, mais celle-ci a été

remplacé par la norme 802.16e.

IV. Architecture du réseau WIMAX

L’architecture du réseau WIMAX se compose de stations de base et des

stations mobiles ou clientes (SS, Subscriber Station). La station de base joue

le rôle d’une antenne centrale chargée de communiquer et de desservir les

stations mobiles qui, à leur tour, servent les clients utilisant le WIFI ou l’ADSL.

La station de base est constitué de deux modules :

Module « indoor » qui contient le processeur, le modem, l’interface

Ethernet et un module radio.

Module « outdoor » qui contient un module radio et une antenne

d’émission-réception.

En plus de la station cliente qui contient les deux modules avec les mêmesrôles que pour la BS, il faudra avoir un terminal similaire au modem ADSL pour

assurer la connexion.

V. Les principaux équipements du réseau

i. La station de base BS

Elle ressemble aux stations cellulaires classiques. Elle peut comporter un ou

plusieurs secteurs. Les fonctionnalités qu'elle intègre varient d'un équipementier

à un autre (bande de fréquence, gain, support du NLOS…) et font la différence en

terme de performances et donc de coût.

ii. Les stations terminales

A la différence des réseaux mobiles, où tous les terminaux ont des antennesomnidirectionnelles, les réseaux WIMAX combinent des équipements indoor et





8

des équipements outdoor à antennes souvent directionnelles. Les unités indoor

présentent un gain d'antenne plus faible afin de réduire la taille de l'équipement

et réduire les coûts ce qui aboutit à une diminution du gain du système de 6 dB.

VI. Etude technique du WIMAX

L'IEEE 802.16 a été développée en suivant une architecture en

couche. Elle est constituée d’une couche MAC (Media Access Control), et

d’une couche PHY (physique).

Figure I.1 : architecture en couche de la norme 802.16

i. La couche MAC

L'IEEE 802.16 a été conçue pour des applications sans fil à large bande de

type point-multipoint. Elle prend en charge le transport des cellules ATM mais





9

aussi celui des paquets IP, et joue un rôle important dans la gestion de la qualité

de service (QoS).

La couche MAC s’appuie sur 3 sous-couches : une couche de convergence

spécifique SSCS (Service Specific Convergence Sublayer), une couche commune

CPS (MAC Common Part Sublayer), et une couche sécurité PS (Privacy

Sublayer).

1. La couche SSCS

La SSCS fournit toute transformation de données ou le mappage de

réseaux externes reçu par la CPS. Pour le raccordement de réseaux externes, la

SCSS fournit 2 sous couches de convergence (CS : convergence sublayer) :

Pour les réseaux ATM : il s’agit d’une interface qui associe les

différents services ATM avec la couche MAC CPS.

Pour les réseaux à base de paquet : il est utilisé pour le mappage de tout

protocole à base de paquet, tel que Ethernet, PPP, et les protocoles

internet tel que, IPv4, IPv6…

2. La couche CPS

La CPS fournit les règles et les mécanismes d’accès, l’allocation de la bande

passante, et la maintenance de la connexion. Elle reçoit les données des sous

couches de convergence. De plus, elle gère également la partie qualité de service

(QoS).

3. La couche PS

La PS est le lien qui réunit la couche MAC à la couche physique. Elle

fournit la sécurité à travers le réseau sans fil à large bande en cryptant la

connexion entre la station de base et l’abonné au service. De plus, la PS est

utilisé pour l’authentification et l’échange de clefs de sécurité.





10

ii. La couche physique

La couche physique pour la spécification 10-66 GHz se base sur une

propagation en ligne de vue (line-of-sight).

Les stations qui communiquent ensemble sont visible l’une de l’autre

directement sans obstacle.

Pour la spécification 2-11 GHz, la couche physique a été implémentée pour

répondre au cas où les stations communiquent « en non ligne de vue » (non-line-

of-sight), dans le cas des environnements urbains avec la présence d’obstacles

entre 2 stations.

Pour répondre à ces spécifications, trois types d’interface de transmission

ont été définies :

- SC 2 (Single Carrier): Elle définit une transmission sur un seul canal de

fréquence.

- OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) : cette interface

utilise plusieurs bandes de fréquence qu’elle divise en plusieurs porteuses

pour la transmission d’un signal. Chaque bande est utilisée à des fins

différentes.

- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) : similaire

à l’OFDM, cette interface offre un plus grand nombre de porteuses du fait

du multiplexage effectuée sur la fréquence.

VII. Domaine d’application du WIMAX

Le WIMAX est typiquement utilisé en tant qu’alternative aux liaisons

spécialisées et accès Internet de toutes sortes pour les applications suivantes :

Réseaux urbains avec de hautes vitesses de transmission pour la voix et

les données.

Connecter à Internet des quartiers périphériques ou des villes de

banlieue

Réseaux privés inter-sites pour les entreprises





11

Sécurité publique et surveillance pouvant inclure des applications vidéo

sur IP Relais sans fil pour les Hot Spot Wifi

Réseaux sans fils régionaux avec de applications données et voix pour

l’industrie et les transports

Communications sans fils intégrant la VoIP.

Déploiements temporaires : événements religieux, chantiers, infrastructure de

secours sur une catastrophe naturelle ;

VIII. Avantages et inconvénients du WIMAX

i. Avantages

Le WIMAX permet une connexion sans fil entre une station de base et

plusieurs centaines d’abonnés sans ligne visuelle directe (Line of sight)

Par rapport au WIFI (Wireless fidelity) qui est une technologie sans fils

par onde hertzienne avec une portée du signal de quelques centaines de mètres et

un débit maximum d’environ 11Mbits/s Le WIMAX dispose d’une technologie

gérant la bande passante. Ainsi, un utilisateur qui effectue une opération qui

demande beaucoup de ressources (une vidéo conférence de haute qualité par

exemple) disposera d’une large bande passante.

L’avantage par rapport à l’ADSL est le coût d’installation car pour avoir

l'ADSL il faut tirer de la fibre optique entre chaque DSLAM. Cette fibre à un coût

très élève et est très difficile à installer bien qu’aujourd’hui les techniques ont

évoluées.

Par rapport à l’UMTS, l’avantage est le débit et toujours le cout

d’installation. L'UMTS est une des technologies de téléphonie mobile de troisième

génération (3G) très cher à installer et qui a un débit de 1.920Mbits/s

ii. Inconvénients

Contrairement au Wifi, le WIMAX met plus de temps pour s’implanter

alors que le Wifi est « libre ». Pour qu’un opérateur puisse offrir un service





12

WIMAX, il devra d’abord obtenir une licence d’exploitation auprès d’une autorité

publique.

Pour avoir des distances et des débits optimaux, émetteur et récepteur

doivent être en « ligne de vue ».

Le WIMAX ne pourra franchir que de petits obstacles comme un arbre ou

une maison mais le signal est incapable de passer au travers de collines ou de

grands immeubles

Le débit en présence d’obstacle est fortement diminué (on parle de 20

Mbits/sec).

IX. Conclusion

Le WIMAX est une technologie utilisée pour introduire Internet très haut

débit en milieu rural ou reculé, mais aussi pour créer des liaisons spécialisées,

des VPN (Virtual Private Network) entre des sites distants...

Le WIMAX est particulièrement adapté pour les régions avec des réseaux filaires

complexes, où les coûts de mises à niveau sont trop élevés et où le passage des

câbles nécessite un très grand investissement de temps et d'argent.





13

CHAPITRE II :

INGENIERIE DU WIMAX





14

I. Introduction

Le dimensionnement d’un réseau WIMAX est une tache liée au processus

de planification de la couverture. Pour dimensionner une zone quelconque, il faut

nécessairement faire une analyse du bilan de liaison en premier lieu afin

d’estimer l’affaiblissement maximal du parcours entre mobile et station de base.

Ensuite faire le calcul de la portée maximale ou du rayon de couverture maximale

en utilisant les modèles de propagation conformément au type de terrain d’étude.

Connaissant la taille de la cellule, on en déduit le nombre de Stations de Bases

(BS) nécessaires pour couvrir la zone en question (région de Dakar).

II. Dimensionnement et planification

Pour dimensionner et planifier un réseau WIMAX, il faut faire le choix de

la bande de fréquence à utiliser, des modèles de canaux ou modèle de propagation

à utiliser pour réduire la couverture d’une station de base et la couverture du

système entier.

i. Choix de la Bandes de Fréquences

Lors de la planification d’un réseau, il faut faire un choix entre les bandes de

fréquence disponibles. Un certain nombre de contraintes doivent être prises en

compte avant la sélection des bandes :

Disponibilité (licence) du spectre,

Agrégation de la demande en termes de capacité dans la zone de service,

La densité des utilisateurs dans la zone de service,

Les spécificités géographiques de la zone en question,

Le niveau d’interférences dans les bandes dépourvues de licence,

Le coût de l’équipement radio.





15

La sélection de la bande de fréquence à utiliser a une influence capitale sur le

dimensionnement et la planification du réseau. A basses fréquences, les

caractéristiques de propagation du signal sont meilleures, seulement la bande

passante disponible est limitée. Il est important de vérifier si le nombred’utilisateurs se connectant à une station de base est limité par la capacité ou par

la couverture de la BS. Dans les zones rurales ou à population peu dense, le

nombre de clients pouvant être connectés dépend de la couverture de la station de

base. En revanche, dans les zones à population dense, pour garantir une certaine

qualité de service (QoS), il est nécessaire d’avoir des BS additionnels car le

nombre de client de la zone de couverture sera élevé.

ii. Les modèles de canaux ou modèles de propagation

1. Rôle des modèles de propagation

Les modèles de propagation simulent la manière avec laquelle les ondes

radio se propagent dans l'environnement d'un point à l'autre. Les

caractéristiques de l’environnement telles que la topologie du terrain

(appartements, collines…) doivent être prises en considération pour une

modélisation exacte des ondes radio.

2. les types de modèle de propagation

Les modèles de propagation varient selon que l’émetteur et le récepteur

sont en ligne de vue (LOS : line-of-Sight) ou non (NLOS : Non-line-of-Sight) ;

En ligne de vue, c’est le modèle Free Space qui est spécifié.

En non ligne de vue, pour un réseau WIMAX, le modèle adéquat pour prédire le

devenir d’un signal lors de sa transmission vers le récepteur, est le modèle

d’Erceg ou le modèle SUI (IEEE 802.16).

a. Le modèle de propagation Free Space

Ce modèle est employé pour déterminer l’affaiblissement de parcours en

situation de ligne de vue sans obstacle au niveau de la zone de Fresnel. Ce

modèle se base sur l’équation de Friis qui permet d'obtenir un ordre de grandeur





16

de la puissance radio collectée par un récepteur situé à une certaine distance d'un

émetteur en espace libre.

L’équation suivante montre l’affaiblissement de parcours en fonction de la

distance :

Avec:

d = distance entre deux antennes dans l'espace libre (en m).

λ = longueur d'onde (en m).

Cette équation reste valable que pour des distances supérieures à la longueur

d’onde. Dans le cas où la distance serait inférieure à la longueur d’onde, certains

facteurs physiques comme les dimensions de l’antenne forcent l’utilisation de

l’équation des champs électromagnétique. Autrement dit l’équation de Friis.

Dans sa forme la plus simple, l’équation de Friis s’écrit :

Avec:

Pr = puissance disponible au niveau de l'antenne réceptrice.

Pt = puissance délivrée par l'antenne de transmission.

Gr = gain de l'antenne réceptrice.

Gt = gain de l'antenne de transmission.

b. IEEE 802.16 (SUI Model)

Ce modèle est utile pour les systèmes WIMAX avec de petites cellules, des

antennes de BS (station de base) à faible hauteur, et des hautes fréquences. Ce

modèle est optimisé pour une fréquence de 1,9 GHz et est utilisé pour les réseaux

qui respectent ces conditions suivantes :

Rayon de la cellule compris entre 100 m et 8 Km ;





17

Les antennes sont installées sur les murs ou sur des toits avec une hauteur

de 2 à 10 m au niveau du récepteur ;

Les antennes de la station de base ont une hauteur de 10 à 80m ;

Les pourcentages de couverture sont élevés (80% à 90%) ;

Pour ce modèle, les types de terrains suivants sont recommandés :

Type A : Caractérisé par des collines, une densité d'arbres modérée à

élevée (zones urbaines) ;

Type B : Caractérisé par des collines, une densité d'arbres faible ou

nulle (vallée);

Type C : Caractérisé par des vallées plates, une densité d’arbres faible.

Pour tout type de terrain, l’atténuation du parcours est donnée par la formule

suivante :

Avec:

λ = longueur d'onde (m) ;

d0 =100 m ;

d = distance entre émetteur et récepteur (en m) ;= (a – b × hb + c/hb) ;

hb est la hauteur de la station de base (en m).

Les termes Xf et Xh sont respectivement des termes de correction pour la

fréquence et la hauteur du récepteur par rapport au sol. Ces corrections sont

définies par :

et





18

f = fréquence en MHz

hr = hauteur du récepteur

S = effet de shadowing. 8.2 < S < 10.6

a, b, c sont des constantes dépendantes de la catégorie du terrain, dont lesvaleurs sont données dans le Tableau suivant:

PARAMETRES DU

MODELE

TERRAIN DE TYPE

A

TERRAIN DE TYPE

B

TERRAIN DE TYPE

C

A 4.6 4 3.6

B 0.0075 0.0065 0.005

C 12.6 17.1 20

Tableau II.1 : des valeurs des constantes a, b et c selon le type du terrain

c. Modèle d’Erceg

Ce modèle est utilisé pour les zones urbaines, sous-urbaines et rurales.

L’intervalle de fréquences est prolongé jusqu’à 2GHz avec des corrections

concernant le type de terrain :

Terrain A : perte de chemin maximale, terrain avec des collines et une

densité d’arbres variable. Ce modèle est utilisable en zone urbaine.

Terrain B : perte de chemin intermédiaire entre A et C.

Terrain C : perte de chemin minimale, terrain plat avec une faible densité

d’arbres.

La perte de chemin est donnée par : pour d>d0

est la longueur d’onde en m.





19

= exposant de perte de chemin (exprimé précédemment).

iii. Link Budget ou budget de liaison

1. Utilité

L’analyse du bilan de liaison est une partie nécessaire du procédé de

planification qui aide à dimensionner la couverture requise, la capacité et la

qualité exigées par le réseau. Il est utile pour le calcul de l’atténuation de

parcours maximale entre la station de base et le récepteur. Cette atténuation

détermine la portée de chaque station de base, sa couverture et le nombre

nécessaire pour couvrir une zone donnée. Le budget de liaison permet aussi

d’équilibrer le uplink et le downlink.

Pour déterminer l’atténuation de parcours maximale à partir du budget de

liaison, plusieurs paramètres doivent être calculés.

2. Formules de calcul du budget de liaison

a. Côté émetteur

La Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente (PIRE) est l’élément de base

à calculer pour le budget de liaison du coté émetteur. Pour un système de

communication radio, la PIRE est définie dans la direction de l’antenne où la

puissance émise est maximale. La PIRE est la quantité de puissance qu’ilfaudrait appliquer à une antenne isotrope (antenne qui distribue de façon égale

la puissance dans toutes les directions) pour obtenir le même champ dans cette

direction. La PIRE tient compte des pertes dans la ligne de transmission, des

connecteurs ainsi que dans le gain de l’antenne. Elle est souvent définie en

décibels (dB).





20

Avec :

Ptmax : Puissance maximale de l’émetteur (en dBm);

Gt : Gain de l'antenne émettrice (en dBi);

A : Affaiblissement de parcours ou réduction de la puissance du signal due a la

longueur des câbles, connecteurs, adaptateur, filtre. (en dB).

dBm = dB référencé a 1mW.

dBi = décibel par rapport à 1 isotrope.

b. Côté récepteur

De cette côte, la puissance ou la sensibilité minimum reçue est l’élément de

base à calculer. La sensibilité du récepteur est la quantité de puissance en dBm

qu’un récepteur doit recevoir pour réaliser une performance spécifique en bande

de base.

La sensibilité de récepteur est donnée par :

Avec :

Rapport signal sur bruit (en dB).

W : Bande passante du système (MHz) ;

Bw : Puissance de bruit thermique ;

D : débit en bit/seconde ;

Br : Bruit au niveau du récepteur.

c. Côté radio (côté propagation)

Pour calculer l'atténuation de parcours maximale permise entre émetteur

et récepteur, on utilise la formule suivante:

Avec :





21

Ap = atténuation de parcours (en dB)

Sr = sensibilité du récepteur (dBm)

PIRE = Puissance isotrope rayonnée équivalente (dB)

Gr = Gain de l’antenne réceptrice dans la direction de l’émetteur (dB)Psh = Perte de la puissance du signal due au shadowing (l’effet des ombres)

Penv = atténuation due à la pluie, aux nuages à la brume, etc.

Pr = Perte de réception au niveau du récepteur due aux câbles, connecteurs et

filtres

Ml = Link Margin ou marge de lien

Mf = Fade Margin ou marge de fading.

iv. Détermination du nombre de stations de base

Le dimensionnement d’un réseau consiste à déterminer le nombre de stations

de base nécessaire pour couvrir une zone bien déterminée. Ainsi le rayon de

couverture ou la portée d’une station de base doit être calculé. Pour déterminer le

nombre de stations de base, il faut :

En premier lieu estimer l’affaiblissement de parcours maximum en

utilisant le Link Budget .

Ensuite, calculer la portée maximale ou le rayon de couverture maximal en

utilisant les modèles de propagation conformément au type de terrain

d’étude.

Déterminer le nombre de stations de base donné par la formule suivante :

Avec : NBS = nombre de stations de base requises pour la couverture.

S totale = surface totale a couvrir.

SBS = surface couverte par une station de base basée sur la puissance maximale

telle que : pour une cellule hexagonale





22

R = portée maximale

v. couverture d’une cellule

La couverture d’une cellule dépend de la fréquence utilisée et de la densitéde population. La norme 802.16-2004 s’est concentrée sur la fréquence 3.5 GHz.

Le tableau ci-dessous montre la taille de la cellule et des débits par secteur

suivant la zone.

ENVIRONNEMENT TAILLE DE LA

CELLULE

DEBIT PAR SECTEUR D’ANTENNE

URBAIN INDOOR (NLOS) 1 KM 21 MBIT/S (CANAUX DE 10MHZ)

RURBAIN INDOOR (NLOS) 2.5 KM 22 MBIT/S (CANAUX DE 10MHZ)

RURBAIN OUTDOOR (LOS) 7 KM 22 MBIT/S (CANAUX DE 10MHZ)

RURAL INDOOR (NLOS) 5.1 KM 4.5 MBIT/S (CANAUX DE 3.5MHZ)

RURAL OUTDOOR (LOS) 15 KM 4.5 MBIT/S (CANAUX DE 3.5MHZ)

Tableau II.2 : relation entre largeur de canal, débit, taille de la cellule et ligne de

vue (source : Alcatel Strategy White Paper)

III. Choix du type de dimensionnement

Le déploiement d’un réseau est limité soit par la capacité soit par la portée.

En général il est plus limité par la capacité que par la portée à l’exception des

zones rurales où on a une faible densité et des zones où on a une grande perte depropagation. L’idéal pour un opérateur par exemple est d’assurer en premier une

couverture maximale pour ensuite augmenter des canaux ou des stations de base

si la demande en trafic augmente.

i. Dimensionnement suivant la capacité

Si le déploiement est limité par la capacité, il faut nécessairement déployer des

stations de base avec un espacement suffisant pour servir tous les abonnés. Pourun dimensionnement suivant la capacité, il faut :





23

Déterminer le trafic par abonné

Déterminer le trafic agrégé pour une zone bien déterminée

Déterminer la capacité moyenne par secteur

ii. Dimensionnement suivant la portée ou la couverture

Pour ce cas de figure, il faut déployer un nombre minimum de stations de

base pour couvrir une zone particulière. En cas de besoin, on pourra ajouter de

nouveaux canaux dans chaque station de base si on a une disponibilité spectrale,

sinon on ajoute de nouvelles stations de base.

IV. Les contraintes du WIMAX

iii. Contraintes réglementaires

Pour déployer un réseau WIMAX, il faut nécessairement être détenteur

d’une licence. Selon l’ARTP (Agence de Régulation des Télécommunications et des

Postes), en matière d’autorisation d’installation d’un réseau, la réglementation au

SENEGAL est neutre technologiquement.

Par conséquent, quelle que soit la technologie utilisée, le code des

télécommunications prévoit deux types de régimes :

Un régime de licence pour les réseaux ouverts au grand public et qui

est soumis à un appel d’offre, et qui est attribué par l’Etat du SENEGAL

Un régime d’autorisation pour installation d’un réseau indépendant

destiné à un groupe fermé.

iv. Contraintes techniques

La nécessité de disposer d’un point haut car l’émetteur doit être placé sur

un point haut (pylône par exemple) pour assurer la meilleure couverture

spatiale possible.

desservir les stations de base WIMAX par un réseau de collecte (fibre

optique, faisceau hertzien...)





24

besoin d’une ligne de vue : dans la théorie, la couverture peut aller jusqu'à

15 km en ligne de vue. En non ligne de vue la portée chute rapidement et

est alors de l’ordre de 5 à 10 km

éligibilité soumise à de nombreux paramètres : plusieurs paramètres

interviennent dans l’éligibilité d’un site. Cependant il est difficile de dire si

un site recevra ou non le signal même dans un rayon de quelque

kilomètres autour de la station de base.

Le débit maximum qui est de quelques dizaines de Mbit/s est partagé entre

tous les utilisateurs raccordés à une même station de base.

V. Conclusion

Dans ce chapitre, on a vue comment se fait le dimensionnement d’un réseau

WIMAX avec tous les calculs nécessaires pour optimiser les ressources et selon le

type de terrain à étudier.

Dans le chapitre qui suit, il est question d’exploiter ces résultats pour faire le

dimensionnement d’un réseau WIMAX pour couvrir toute la région de Dakar.





25

CHAPITRE III :

MISE EN PLACE D’UN RESEAU

WIMAX POUR LA REGION DE

DAKAR





26

I. Introduction

Apres une étude détaillée de la technologie WIMAX et de son ingénierie,

nous allons passer à une étude de cas pratique pour la région de Dakar.

L’objet de ce chapitre, après une brève étude de la région de Dakar, sera de

configurer, dimensionner et analyser en termes de qualité de service (QoS) ce

réseau.

II. Choix de la région de Dakar

Notre choix a été porté sur Dakar pour des raisons simples. Dakar est la

capitale du Sénégal et est la région la plus peuplée avec plus de deux (2)

millions d’habitants mais aussi la plus petite avec 0.28% de la superficie du

pays. Les 80 % des activités économiques du pays sont à Dakar.

III. Etude de la région de Dakar

Dakar se situe dans une zone tropicale subdésertique avec une superficie

de 550 km² et une population de 2 462 071 habitants. Son altitude moyenne

est de 27 m (minimum = 0 m, maximum = 104 m), sa croissance

démographique est importante et son nombre d'habitants s'élève rapidement.

La région de Dakar est divisée en quatre (4) départements : Dakar, Pikine,

Rufisque et Guédiawaye avec une répartition de la population indiquée sur le

tableau suivant :





27

Départements Superficie Population Densité

Dakar 87.5 km² 1 073 319 hbts 12 266 hbts/km²

Pikine 77.5 km² 767 374 hbts 9 902 hbts/km²

Guédiawaye 14 km² 315 966 hbts 22 569 hbts/km²

Rufisque 371 km² 305 412 hbts 824 hbts/km²

Tableau III.1 : Répartition de la population dans les départements

On peut également voir la densité de la région de Dakar sur la carte ci-

dessous

Figure III.1 : densité de la région de Dakar

IV. Conception

i. Model de base

Notre choix se porte sur la région de Dakar qui a une superficie de 550 km²

et comportant les trois types de terrain à savoir un terrain de type A, un

terrain de type B et un terrain de type C.





28

Nous allons d’abord déterminer le nombre de stations de base nécessaires

pour couvrir cette surface tout en tenant compte de la topologie du terrain.

Cela requiert la connaissance du modèle de propagation à appliquer pour

déterminer la surface couverte par chaque cellule.

Dakar n’étant pas uniforme du point de vue de la topologie, le modèle de

propagation à appliquer sera variable. Ainsi, deux choix se présentent :

Soit on divise la zone en sous zones de type A, B et C et on calcule

séparément le nombre de BS nécessaire pour chaque sous zone.

Soit on suppose que toute la zone est de type A et on calcule le nombre

de BS nécessaire (d’où un nombre important de BS) puis on recalcule en

supposant que la zone est de type C (d’où un nombre limité de BS) et

suivant les besoins on sous-dimensionne ou on surdimensionné.

Nous avons opté pour le deuxième choix qui semble le mieux car pour le

premier, on peut avoir des types de terrain éparpillés sur toute la zone

d’étude et le nombre de BS peut ne pas être facilement déployable par

exemple si on trouve 0.28 BS nécessaires pour une sous zone, on placeraune BS qui va forcément déborder sur les sous zones avoisinantes ce qui

correspondra a un surdimensionnement.

Les départements de Dakar, Pikine et Guédiawaye seront assimilés

au terrain de type A et Rufisque au terrain de type B. Ainsi après les

différents calculs nécessaires, on obtient les résultats suivants :

Départements Nombre de BS

Dakar (rurbain) 6

Pikine (rurbain) 6

Guédiawaye (rurbain) 2

Rufisque (rural) 6

Tableau III.2 : nombre de BS requises pour couvrir les différents départements





29

ii. Paramètre du modèle

1. Paramétrage du système

Pour le paramétrage du système, les valeurs utilisées sont extraites de la

spécification officielle fournie par l’IEEE 802.16-2004 et qui garantissent un haut

niveau de performance.

Voici les paramètres choisis :

Paramètre Valeurs

Technologie d’accès au canal FDMA

Méthode de duplexage FDD

Densité du bruit en uplink -196.12 dBw/Hz

Fréquence 3.5 GHz

Bande passante 3.5 MHz

Nombre de canaux en uplink 2 canaux

Nombre de canaux en downlink 2 canaux

Tableau III.3 : paramètres du réseau

2. Paramétrage des stations de base

Le modèle de propagation choisit étant le modèle SUI, les BS seront

configurés de manière différente selon le milieu (terrain de type A, B ou C). Il y

aura aussi calcul du budget de liaison.

Pour chaque BS, les paramètres sont les suivants :

Paramètre Valeurs





30

Modèle de propagation Modèle SUI ou modèle IEEE 802.16

Hauteur de l’antenne 20 m

Nombre de secteurs 3 secteurs

PIRE 37 W

Type de l’antenne Simple Smart Antenna

Tableau III.4 : paramétrage des stations de base

3. Paramétrage de CPE

Il s’agit de fixer le type d’antenne à utiliser, le gain, le type de modulation,

la PIRE, le rapport signal sur bruit …

Le CPE (Customer Premise Equipement) est l’équipement au niveau de

l’abonné. Il est constitué d’une partie placée à l’extérieur du bâtiment (antenne)

et d’un boitier interface placé à l’intérieur.

4. Paramétrage fréquentiel

Pour une bonne disposition des BS, une planification des fréquences est

nécessaire afin d’éviter les interférences. Ces derniers peuvent être soit co-canal

soit canal adjacent. Pour minimiser les interférences co-canal, les antennes

utilisées au niveau des BS étant trisectorielles, les fréquences des trois secteursd’une même antenne doivent être distincts. Pour minimiser au maximum les

interférences canal adjacent, il faut que les fréquences des secteurs provenant

d’antennes différentes et adjacents entre elles soient distinctes. L’affectation des

fréquences se fait de la manière suivante :





31

Figure III.2 : planification fréquentielle

V. Atténuation de parcours en fonction de la portée

Le Débit et la portée sont les avantages majeurs du WIMAX d’où la nécessité

de faire des calculs pour voir concrètement et numériquement leur valeur selon le

type de terrain.

Lee modèle de propagation est le SUI model car on est dans les conditions de

NLOS.

L’équation de l’atténuation de parcours est donc pour d>d0 :

On a choisi les paramètres numériques suivants :

Paramètre Valeur

Fréquence 3.5 GHZ





32

41.225

hb hauteur BS 20 m

= (a – b × hb + c/hb)

3.75 pour un terrain du type A

4.017 pour un terrain du type B

4.477 pour un terrain du type C

hr hauteur récepteur 2 m

Xf 1.59

Xh 0

S 10 dB

Tableau III.5 : Paramètre de l’affaiblissement de parcours

Ainsi l’affaiblissement de parcours en fonction de la distance se présente

comme suit :

Pour un terrain de type A :

Pour un terrain de type B :

Pour un terrain de type C :

VI. Emplacement des différents BS

Au total 20 stations de base ont été utilisées pour assurer la couverture de

toute la région de Dakar. Elles seront réparties sur le terrain de la manière

suivante :





33

Figure III.3 : Répartition des BS dans la région de Dakar

On a veillé à ce que tous les BS soient placées sur des points hauts (pylône,

immeuble..) afin d’obtenir une meilleure qualité du signal et une couverture plus

importante.

Pour une meilleure compréhension du dimensionnement, une étude du

département de Dakar a été prise exemple.

Le département de Dakar a été considère comme une zone rurbaine (en

indoor) et après calcul, le nombre de BS nécessaire pour couvrir cette zone de

87.5 km² est de 6 (six).





34

Figure III.4 : couverture cellulaire de Dakar

On placera une BS à Plateau, à Hann Bel-air, à Liberté, à Ngor, à Yoff et aux

Parcelles Assainies. Pour les autres régions ça sera la même procédure.

VII. Conclusion

Au cours de ce chapitre on a étudié un cas pratique de planification et dedimensionnement d’un réseau WIMAX pour la région de Dakar. On a fait les

différents calculs nécessaires pour déterminer et placer les BS de manière a avoir

une meilleur couverture. On a aussi paramétré le modèle de propagation choisit.

On a donné l’exemple de couverture avec la représentation des cellules et de

BS au niveau de la carte du département de Dakar.





35

CONCLUSION





36

L’objectif principal de ce travail était d’étudier la technologie WIMAX de

manière détaillée afin de l’implémenter pour la région de Dakar. Son installation

moins couteuse, plus simple et rapide fait de cette technologie un concurrent à

l’ADSL. De plus elle apporte de meilleures performances en termes de débit et deportée.

Pour mieux comprendre cette technologie, on a commencé par une

présentation et une étude détaillée de son architecture en couche. Nous avons

aussi illustré l’architecture d’un tel réseau et ses différents composants.

Par la suite, nous avons abordé le processus de dimensionnement d’une

réseau WIMAX mais tout d’abord nous avons fait l’analyse du bilan de liaisonafin d’estimer l’affaiblissement maximal de parcours entre émetteur et récepteur.

Apres cette étape nous avons calculé la portée maximale d’une cellule en utilisant

les modèles de propagation conformément au type de terrain d’étude. Les

différents modèles de propagation susceptible d’être utilisés lors de la

planification d’un réseau WIMAX ont été présentés.

Enfin, nous avons fait l’étude d’un cas ; il s’agit de déployer un réseau

WIMAX pour la région de Dakar. En premier lieu nous avons dimensionné le

réseau en utilisant les spécifications de l’IEEE 802.16-2004. En dernier lieu, nous

avons placé les différentes stations de base trouvée lors du dimensionnement de

manière à couvrir toute la région de Dakar.

Ce travail nous a permis de mieux cerné cette technologie, de comprendre

son dimensionnement qui est lié au processus de planification de la couverture. Il

nous a aussi permis de travailler dans des conditions de précision et de rigueur

où toutes les décisions doivent suivre une certaine logique.

Webographie





37

http://www.WiMAXworld.com

http://www.WiMAX-fr.com/

www.WiMAXforum.org

www.ieee802.org/16

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