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THSE

prsente pour obtenir le grade de Docteur en Sciences de lUniversit dAvignon et

des Pays de Vaucluse France & Universit Mohammed V-Agdal Rabat - Maroc

SPCIALIT : Informatique

cole Doctorale 166 Information Structures SystmesLaboratoire dInformatique dAvignon (UPRES No 4128)

Gestion des ressources des rseaux mobiles denouvelle gnration par rapport la mobilit des

utilisateurs

par

Khalil IBRAHIMI

Soutenue publiquement le 20 novembre 2009 devant un jury compos de :

M. BOUYAKHF El-Houssine Professeur, LIMIARF/FSR, Rabat PrsidentM. ALTMAN Eitan Dir. de recherche, INRIA, Sophia Antipolis Directeur

M. EL-AZOUZI Rachid Matre de Confrences, LIA, Avignon Co-directeurM. BEN-OTHMAN Jalel Matre de Confrences-HDR, Prism, Versailles RapporteurM. ELKOUCH Rachid Professeur, INPT, Rabat RapporteurM. BENKHALIFA Mohamed Professeur, Universit Mohammed V-Agdal, Rabat ExaminateurMlle. ECHABBI Loubna Professeur Assistant, INPT, Rabat InviteM. BELHADJ Abdenabi Responsable Veille Technologique, Maroc Telecom Invit

Laboratoire LIA, Avignon Laboratoire LIMIARF, Rabat

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Avant-propos

Cette thse sest droule au Laboratoire Informatique dAvignon (LIA) de lUni-versit dAvignon et des Pays de Vaucluse (UAPV) France conjointement avec le La-

boratoire dInformatique Mathmatiques appliques Intelligence Artificielle et Recon-naissance de Formes (LIMIARF) de la Facult des Sciences de lUniversit MohammedV Agdal (UMVA), Rabat Maroc.

Cette thse est ralise en co-direction dans le cadre dune cotutelle entre lUniversitMohammed V-Agdal Facult des sciences, Rabat Maroc et lUniversit dAvignon et despays de Vaucluse Avignon France. Elle est finance dans le cadre dun projet porteurR&D de Maroc Telecom sous le contrat N10510005458.06 PI.

Mes premiers remerciements iront mon directeur de thse le professeur El-HoussineBouyakhf, pour mavoir soutenu durant ma formation du DESA ITM et mes trois an-nes de thse. Jaimerais lui adresser mes plus vifs remerciements pour tout son dyna-

misme, son soutien, ses conseils et sa confiance qui mont permis de mener bien cettethse. Je souhaite lui transmettre lexpression de ma reconnaissance et ma plus pro-fonde gratitude. Je tiens remercier monsieur Eitan ALMAN Directeur de recherche lINRIA Sophia Anti-Polis Nice France pour ces qualits humaines, son rigueur et sagrande culture scientifique, qui ma donn loccasion de faire ma thse sous sa direc-tion au sein du laboratoire LIA. Je voudrais galement remercier Mr. Rachid El-Azouzimon co-directeur de thse luniversit dAvignon, sans son encadrement exemplaireet complet, ce travail naurait jamais pu aboutir. Mr Rachid El-Azouzi qui ma tou-

jours consacr une grande partie de son prcieux temps, ma guid et ma conseill.Ses directives pertinentes et ses comptences scientifiques sont autant dlments quiont favoris le dveloppement de cette thse. Je lui suis grandement reconnaissant et

souhaite lui transmettre lexpression de ma reconnaissance.Je remercie tout particulirement les membres de mon jury de thse prsid par le Pro-fesseur El Houssine Bouyakhf directeur de lUFR ACSYS, qui ont accept de juger cetravail et de participer au jury. Je tiens remercier le Professeur Mohammed Benkhalifade la facult des sciences de Rabat, davoir accept de faire partie du jury. Je remerciergalement Monsieur Rachid Elkouch, Professeur lINPT (Institut National des Posteset Tlcommunications) et Monsieur Jalel Ben-Outhman, Matre de confrence HDR lUniversit de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines, France davoir bien voulu rappor-ter ma thse. Je tiens remercier galement Mademoiselle Loubna Echabbi professeurassistant lINPT de sintresser ce travail et dtre dans le jury. Enfin, je remercier

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Monsieur Abdenabi BELHADJ responsable de la Veille Technologique du dpartementRecherche et Dveloppement (R&D) Maroc Telecom, davoir accept dtre parmi les

membres de jury de ma thse.Jadresse toute ma gratitude et reconnaissance ceux qui ont contribu la ralisation,la correction, lamlioration ansi que la relecture du manuscrit.

Quoique je fasse, je ne peux remercier assez tous les membres des Laboratoires LIAet LIMIARF. En particulier, je pense au professeur Frdric Bchet au LIA, avec qui

jai partag le bureau tout au long des trois annes de thse, merci pour ces qualitshumaines, scientifiques et prcieux conseils.

Je ne saurais jamais remercier ma famille : Mes parents, mes soeurs, mes frres, toiaussi mon oncle, je vous dis "Merci". Plus particulirement, mes remerciements vontaux tres qui me sont les plus chers, qui ont eu un rle essentiel et continu pendant mon

cursus dtudes, et qui sans eux aucune russite naurait t possible. Jadresse de toutmon coeur mes remerciements ma chre mre qui fut toujours mon seul exemple, jelui suis infiniment reconnaissant pour son amour, son soutien inconditionn malgr ladistance. Et plus que a ses encouragements tre toujours la hauteur des responsabi-lits. Quelle trouve dans ce travail le fruit de ses efforts. Aussi, le fruit de ce travail ira la mmoire de mon pre qui ma soutenu durant toute sa vie. Un soutien permanenttout au long de mes tudes, sans lequel je ne serai jamais arriv ce stade de russite.

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Abstract

The mobile communication systems evolved considerably in the last few years. Thisfact encouraged the deployment of several systems or cellular networks in multi tech-

nological environment. The Quality of Service (QoS) offered to the mobile users im-proves from one system to another one. The systems of third generation (3G), likeUMTS, offer a better quality of service compared to that offered by those of secondgeneration (2G), like the GSM. For example, the systems of 3.5G (HSDPA) improvethe throughput of the network of 3G in the downlink direction according to the requi-rements of the new services. Moreover, the networks of fourth generation (4G), likeWiMax (IEEE802.16e), as for them, make it possible to widen the cover of the base sta-tion while offering a very important throughput in which supports the next generationapplications or services already offered by the Internet. This new evolution still im-proves accessibility with the services of the Internet. The migration of the services ofthe Internet towards the mobile networks, constitutes a major stake of research in tele-

communications.The thesis is divided into two main aims. The first consists to compute the system capa-city and to evaluate the performances of the UMTS-WCDMA system. Two approachesare used, one is of the spectral analysis, and other one is an approximation of the singularperturbation. The second goal of this thesis is to propose and develop the new mecha-nisms of call admission control (CAC) for HSDPA and IEEE802.16e networks based onthe AMC (Adaptive Modulation and Coding) scheme : the geographical area of the cellis subdivided into several concentric regions. These CAC mechanisms maintain a sameQoS (constant bit rate) for all users anywhere in the area of the cell and give priorityto migrating or handoff calls by reserving the guard bandwidth than a new call in theintra cell and inter cell mobilities.

Key words : Wireless networks, Evaluation of performance, Resource allocation, Mobi-lity, Call admission control.

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Table des matires

0.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120.2 Objectifs et contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130.3 Organisation du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

I Gnralits et tat de lart 17

1 Gnralits 191.1 Concepts gnraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.1.1 Notions de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.1.2 Les systmes de communications mobiles tudis . . . . . . . . . 251.1.3 Prsentation de lUMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.1.4 Prsentation de HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.1.5 Prsentation de IEEE 802.16e (WiMAX) . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.2 Travaux existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

II valuation des performances dans le rseau UMTS/W-CDMA 41

2 valuation des performances par lAnalyse Spectrale 432.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.2 Cas de deux classes de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2.1 Formulation du problme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.2.2 Cas dune cellule WCDMA isole . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.2.3 Analyse du systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.4 Approche par lanalyse spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.2.5 Distribution stationnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.2.6 Mtriques de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.2.7 Cas multi cellules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.2.8 Rsultats numriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.3 Cas de trois classes de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.3.1 Contrle dadmission du trafic temps rel . . . . . . . . . . . . . . 652.3.2 Contrle dadmission du trafic non temps rel . . . . . . . . . . . 672.3.3 Trafic best effort sans contrle dadmission . . . . . . . . . . . . . . 692.3.4 valuation des performances par lanalyse spectrale . . . . . . . . 712.3.5 Illustrations numriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

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2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3 valuation des performances par la Perturbation Singulire 793.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.2 Formulation du problme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.2.1 Hypothses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.3 Srie de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.3.1 Dfinitions et Hypothses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.3.2 Reprsentation analytique de la distribution stationnaire . . . . . 863.3.4 Temps de sjour dappels best effort . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.4 Rsultats numriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

III Gestion des ressources des rseaux mobiles HSDPA et IEEE802.16e 95

4 Gestion des ressources du rseau HSDPA en prsence de la mobilit 974.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.2 Formulation du problme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.2.1 Modulation et codage adaptatif (AMC) . . . . . . . . . . . . . . . 994.2.2 Bande passante par type dappel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.2.3 Modlisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.3 Mobilit intra cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.3.1 Sans mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.3.2 Avec intra mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.3.3 Calcul des taux de migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4.4 Mobilit inter cellules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.5 Mtriques des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.6 Rsultats numriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5 Gestion des ressources du rseau mobile IEEE 802.16e WiMAX 1195.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.2 Analyse du systme IEEE 802.16e dans le cas discret . . . . . . . . . . . . 121

5.2.1 Description du systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.2.2 Mcanisme de contrle dadmission . . . . . . . . . . . . . . . . . 1235.2.3 Modle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1245.2.4 Allocation de ressources et Matrice de transition . . . . . . . . . . 1265.2.5 Mtriques des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295.2.6 Exemples numriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.3 Analyse du systme IEEE 802.16e dans le cas continu . . . . . . . . . . . 1375.3.1 Description du systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.3.2 Mcanismes de contrle dadmission . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.3.3 Modle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1395.3.4 Comportement des utilisateurs mobiles . . . . . . . . . . . . . . . 1415.3.5 Analyse du systme avec le premier mcanisme . . . . . . . . . . 143

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5.3.6 Analyse du systme avec le deuxime mcanisme . . . . . . . . . 1455.3.7 Evaluation des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.3.8 Applications numriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1485.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Liste des publications 158

Liste des illustrations 165

Liste des tableaux 167

Liste des indexes 169

Bibliographies 171

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0.1 Motivations

Les volutions du monde des tlcommunications vers le multimdia mobile suiteaux avances technologiques ont dmontr que fournir laccs au rseau nest plus suf-fisant. Le besoin des utilisateurs soriente vers laccs aux services multimdia valeurajoute, dans leur propre environnement nominal indpendamment de leur mode dac-cs aux systmes. Les services multimdia ncessitent de hauts dbits de transfert et ontdes exigences en qualit de service. Ils doivent coexister avec les services contraintestemps rel tel que le service voix qui ne tolre pas de variation du dlai entre lenvoiet la rception de paquets. La garantie de ces services par loprateur devient beau-coup plus difficile dans les technologies qui prennent en considration la mobilit desutilisateurs.

Laccessibilit totale en toute mobilit des services de plus en plus consommateurs enressources rseau et en traitements interactifs et temps rels, ncessitent des solutionset des supports technologiques pour grer les multiples modes daccs, de transport etles contrles spcifiques chaque service ou application, comme le service temps relet le transport fiable de donnes, la vido confrence ou le transfert de flux vido tempsrel, comportement transactionnel, paiement, etc.

Des efforts ont notamment t dploys dans la perspective de grer au mieux la qua-lit de service et galement pour diffrencier les services temps rel et best effort ou nontemps rel. Il sagit doffrir un service ainsi quun contenu soumis des contraintes dedisponibilit de ressources radio et de charge du rseau, tout en conservant la sman-

tique et en offrant un rendu conforme aux attentes des utilisateurs.De nouveaux mcanismes simposent alors pour diffrencier les services et pour fournirla qualit de service exige. Parmi ces mcanismes, on compte les contrles dadmis-sion, les protocoles de rservation de ressources et les politiques dordonnancementdes paquets. La difficult pour les rseaux de nouvelle gnration est de maintenir leshauts dbits et la qualit de service sur les liens radio (montant et descendant) qui sontpeu fiables pour les transmissions. Le CDMA est la technique la plus aboutie du mul-tiplexage, destine tre utilise notamment sur les rseaux de tlphonie mobile detroisime gnration comme lUMTS. Alors que les prcdentes techniques de multi-plexage en frquence (FDMA) et de multiplexage temporel (TDMA) consistaient es-

sentiellement diviser une grandeur physique (une bande passante de frquences oule temps qui scoule) en " crneaux " individuels, le CDMA ne fixe pas de rparti-tion statique pralable de ces ressources et sapparente aux techniques de transmis-sion informatique par paquets. Cette technique a t choisie en raison des contraintespropres linterface radio de 3G : dbit variable, Qualit de service variable (environ-nement de trafic multiservices). Elle autorise laccs simultan de multiples utilisateurs de trs haut dbits et des services trs varis (son, image, multimdia, ...). Il existenanmoins diffrentes variantes de CDMA. Celle sur laquelle sappuie la norme UMTSappele WCDMA. Le dbit promis par lUMTS en thorie est 2 Mbits/s, mais il nest

jamais atteint en pratique cause des limites du rseau de 3G. Une extension logicielde WCDMA appele HSDPA a t introduite afin damliorer le dbit du lien descen-

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0.2. Objectifs et contributions

dant o plus dinformations seront transportes. Avec la technique HSDPA le dbitpeut atteindre 14 Mbits/s dans le rseau de 3.5G ou bien HSP+. Pour mieux grer les

ressources radio par loprateur avec plus de souplesse en terme de qualit de serviceet de dbit, une nouvelle mthode daccs multiple OFDMA est devenue la base desrseaux de nouvelle gnration, comme IEE80.16e et LTE. Le rseau WiMAX permetun dbit thorique de 70 Mbits/s sur un rayon de 50 km maximum tout en se basantsur de nouvelles techniques, comme le schma de modulations et du codage adaptatifsen fonction de ltat du canal radio associ un mobile. LTE quant lui promettra untrs haut dbit allant jusqu 100 Mbits/s ainsi quune large accessibilit de couverture(100 km en zone rurale).

0.2 Objectifs et contributions

Les objectifs tracs pour cette thse sont de proposer des nouvelles mthodes pourlvaluation des performances du systme WCDMA de manire explicite, de comparerces mthodes au niveau du temps de calcul du la complexit de ces mthodes et devalider les formules obtenues en utilisant le simulateur NS-2, et enfin dexposer desnouveaux mcanismes dallocation des ressources par rapport la mobilit des utilisa-teurs dans les rseaux haut dbit HSDPA et WiMAX (IEEE802.16e). Les contributionsapportes dans cette thse sont les suivantes :

Nous prsentons une valuation des performances du systme WCDMA dansun premier scnario de deux classes de service : temps rel et best effort. Le trafic

temps rel pour des flux temps rel de paquets de taille fixe mis priodique-ment, mode particulirement adapt aux conversations vocales qui bnficientdune bande passante contrle avec change interactif en temps rel et avec unminimum de dlai entre les paquets. Le trafic best effort est destin pour un tra-fic qui ne demande aucune qualit de service, il est particulirement adapt aumode interactif qui est plutt destin des changes de type navigation sur leWeb (requte/rponse).En particulier, nous obtenons via la mthode danalyse spectrale les probabili-ts dtats dquilibres des nombres dappels BE en fonction des valeurs propreset des vecteurs propres de certaines matrices finies. Ce rsultat nous permettradvaluer les performances du systme en fonction des valeurs propres et vec-

teurs propres de certaines matrices. Toutefois, nous montrons que ces valeurspropres et vecteurs propres sont obtenus indpendamment du nombre dappelsBE qui rduit la complexit de calcul de la distribution stationnaire. Par cons-quent, notre approche est utile pour un oprateur dans sa politique dadmissiondappels best effort, avec moins de calcul, qui maximise lutilisation de la bandepassante et garantit la QoS exige par les appels temps rel et best effort.Dans un deuxime scnario, nous introduisons une troisime classe appele "nontemps rel" pour des flux demandant des dbits minimums, par exemple commele transport des fichiers FTP. Cette classe est intermdiaire entre la classe tempsrel et la classe best effort cites ci-dessus. Nous prsentons une analyse du sys-tme WCDMA avec une chane de Markov par la mme mthode danalyse spec-

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0.3. Organisation du manuscrit

Ce mcanisme donne plus de priorit aux appels migrant en leurs rservant unebande passante uniquement pour eux. La valeur de cette bande peut tre contr-

le par loperateur selon les priodes de mobilit (forte ou faible) du rseau, voirle chapitre 4 ; Nous introduisons galement des nouveaux mcanismes de contrle dadmis-

sion dans le rseau IEEE802.16e (WiMAX) avec deux types de trafics temps relet non temps rel. Deux cas de figures sont tudis : cas discret et cas continu dusystme IEEE 802.16e multiservices. Dans le premier cas, nous nous intressonsuniquement la qualit de service dappels temps rels en leurs garantissant undbit quelque soit la position du mobile dans la cellule. Pour ce faire, nous d-composons la cellule IEEE802.16e isole selon la technique de modulation et decodage adaptatif AMC (Adaptive Modulation and Coding) en plusieurs rgions. Uneapproche base sur une chane de Markov temps discret est dveloppe prenant

en compte les ressources libres pour bloquer ou accepter un nouvel appel tempsrel. Par contre, les appels non temps rel partagent quitablement les ressourcesrestante selon le processus Sharing. Dans ce premier cas nous ne traitons pas lamobilit des utilisateurs dans la gestion de la ressource radio.Dans le deuxime cas, nous visons le cas continu du systme IEEE802.16e. Nousdveloppons deux nouveaux mcanismes dallocation de ressources prenant encompte cette fois ci, la mobilit intra cellule des utilisateurs. Le premier mca-nisme permettra aux appels temps rel et non temps rel dobtenir un mme d-

bit moyen tout le temps durant la connexion du mobile. Dans ce cas, une bandepassante est rserve pour grer le problme de la mobilit pour les deux classesdappels. Le deuxime mcanisme quant lui, est conu pour introduire une qua-

lit de service minimale pour les appels non temps rel en leurs rservant unebande passant minimale et garde la mme qualit de service pour les autres ap-pels. Il gre galement la mobilit des deux classes dappels en leurs rservantune bande passante. Dans ces deux mcanismes dallocation de ressources, nousconsidrons un modle de mobilit appel RWP (Random Waypoint), voir le cha-pitre 5.

0.3 Organisation du manuscrit

Nous avons organis ce manuscrit en trois parties. La premire partie est constituedu chapitre 1 sur les concepts gnraux en relation avec cette thse et de ltat de lart.La deuxime partie est constitue des chapitres 2 et 3. Elle concerne lvaluation desperformances du systme WCDMA en lien montant. La troisime partie, compose deschapitres 4 et 5, est ddie la gestion des ressources radio en lien descendant desrseaux HSDPA et WiMAX. Cette organisation est la suivante :

Le chapitre 1 prsente quelques concepts gnraux qui seront utilises tout aulong de cette thse savoir les mthodes daccs multiples radio de base, le co-dage et la modulation adaptative, lvolution des systmes de communicationsansfil, larchitecture du rseau UMTS et les services quil offre, le systme HSDPA,

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le rseau IEEE802.16e (WiMAX) et les services quil offre, ainsi que les travaux an-trieurs;

Le chapitre 2 expose les performances du lien montant (Uplink) du systmeWCDMA.Ltude est faite dabord pour deux type de trafics temps rel et best effort. En g-nrale, les performances du systme WCDMA dans la littrature se basent sur dessolutions numriques, voir par exemple (Hegde et Altman, 2003). Les mtriquesde performances dans ce chapitre sont obtenues explicitement en fonction des pa-ramtres du systme savoir le taux darrive et le taux de service dappels ainsique le nombre dappels. Un nouveau trafic non temps rel intermdiaire entreces deux trafics est introduit. Egalement, les performances du systme sont obte-nues explicitement en nous basant sur lapproche danalyse spectrale. Le chapitresuivant prsente une autre solution alternative.

Le chapitre 3 prsente une solution approximative de la distribution stationnaire

des nombres dappels temps rel et best effort pour valuer les performances dusystme WCDMA. Avec quelques hypothses respecter, le systme peut treanalys par lapproche dapproximation appele perturbation singulire. La dis-tribution stationnaire du systme WCDMA est obtenue sous forme dune srie deTaylor selon le niveau dapproximation. Avec cette mthode, moins de calcul serafait par un contrle dadmission ;

Le chapitre 4 prsente une stratgie dallocation de ressource dans le rseau haut dbit HSDPA. Un contrle dadmission est propos. Il divise la surface decouverture dune station de base (Node-B) en plusieurs rgions selon le principedefficacit de modulation AMC. Le mcanisme du CAC fait distingue deux tra-fics temps rel et non temps rel en nous basant sur le type de service demand

par lutilisateur. Il affecte de manire dynamique une bande passante effective chaque appel accept dans le systme en fonction de son efficacit de modulationet garde son dbit initial durant sa communication ;

Le chapitre 5 tudie le systme IEEE802.16e selon deux cas de modlisation : dis-cret et continue. Dans les deux cas, un modle de la cellule IEEE802.16e est pro-pos et permet de la dcomposition de la cellule selon le principe de la techniquedu codage et modulation adaptatif AMC. Le modle se base sur un mcanismede contrle dadmission en prsence de deux types de trafics temps rel et nontemps rel. Dans le premier cas, le modle bas sur un nouveau mcanisme duCAC garantit un mme dbit aux appels temps rel et aucune QoS aux appelsnon temps rel. Le CAC ne prend pas en considration la mobilit des utilisa-

teurs intra cellule. Dans le deuxime cas, le modle se base sur deux nouvellesstratgies du CAC avec cette fois-ci la mobilit intra cellule et donne une mmeQoS pour les appels de ces deux trafics en favorisant les appels en cours sur lesnouveaux arrives ;

Enfin le chapitre 5.4 conclut cette thse en tablissant un bilan sur les travauxeffectus et des perspectives de travaux futur.

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Premire partie

Gnralits et tat de lart

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Chapitre 1

Gnralits

Sommaire1.1 Concepts gnraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.1.1 Notions de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.1.2 Les systmes de communications mobiles tudis . . . . . . . . 251.1.3 Prsentation de lUMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.1.4 Prsentation de HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.1.5 Prsentation de IEEE 802.16e (WiMAX) . . . . . . . . . . . . . . 32

1.2 Travaux existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.1 Concepts gnraux

Lobjectif de ce chapitre est de prsenter quelques notions de base, des systmes decommunications mobiles et les travaux antrieurs qui ont une relation avec cette thse.Nous y prsentons, dans cette premire sous section (1.1.1), quelques types de tech-niques daccs multiples, le codage et la modulation adaptatif, les systmes de com-munication mobile tudis dans cette thse (UMTS, HSDPA et WiMAX). Enfin, dans ladeuxime sous section (1.2), nous terminons par la prsentation de quelques travauxcontextuels dj existant dans la littrature.

1.1.1 Notions de base

Dans cette section, nous allons prsenter quelques mthodes daccs radio de base(Smith et Collins, 2002).

FDMA ( Frequency Division Multiple Access) : La technique daccs multiple di-vision frquentielle, FDMA, reprsente la technique la plus utilise dans les rseauxmobiles de premire gnration. Avec cette mthode, le spectre est divis en plusieurs

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Chapitre 1. Gnralits

canaux radio (aussi appeles voies ou bandes incidentes, sous-bandes de frquences)avec une largeur de bande fixe, voir la figure 1.1 (a). Quand un utilusateur dsire ef-

fectuer un appel, un des canaux est alors exclusivement allou cet utilisateur pendanttoute la dure de la communication. Un canal de garde se situe entre chacun de cescanaux pour viter lintermodulation. Cette technique sapplique principalement auxsignaux analogiques.

TDMA (Time Division Multiple Access) : La technique daccs multiple divisionde temps, TDMA, est surtout utilise dans les systmes de deuxime gnration, telsque le GSM. Par cette technique, une mme bande de frquences est partage par uncertain nombre dutilisateurs qui se voient attribus un intervalle (appel slot ou IT)de temps unique, voir la figure 1.1 (b). Lensemble des IT mis ensemble forment une

trame. Dans le cas de la norme europenne GSM, chaque canal de 200 kHz est divisen huit tranches de temps, tandis que selon la norme amricaine IS-136, chaque canalde 30 kHz est divis en trois tranches de temps. Ces systmes permettent davoir, dansdes conditions relles dutilisation, une capacit en terme de nombre dutilisateurs 3 6 fois suprieure celle des systmes qui se basent sur le FDMA.

CDMA (Code Division Multiple Access) : La technique CDMA constitue une m-thode daccs o tous les utilisateurs partagent la mme bande de frquences simulta-nment et tout le temps, comme le montre la figure 1.1 (c). La technique dtalementde spectre est utilise pour affecter chaque utilisateur un code, ou squence, unique

qui dtermine les frquences et la puissance utilises. Le signal contenant linformationde lmetteur est modul avec la squence qui lui est attribue, ensuite le rcepteur re-cherche la squence en question. En isolant toutes les squences provenant des autresutilisateurs (qui apparaissent comme du bruit), le signal original de lutilisateur peutalors tre extrait.

W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access) : Il sagit de la mme tech-nique que CDMA, en utilisant des canaux large de 5 Mhz en UMTS. Le protocoleWCDMA se base principalement sur le processus dtalement du spectre squencedirecte DS-CDMA (Direct Sequence-CDMA). Dans ce type dtalement de spectre, le si-gnal dinformation est directement modul par une squence ou code appel codedtalement . La figure 1.2 illustre le fonctionnement de cette technique ; la figure 1.2a) montre les principaux lments dun metteur DS-CDMA. Parmi ces lments, ontrouve principalement un gnrateur de codes dtalement et un multiplicateur . Lecode gnr constitue une squence de longueur fixe dont chaque lment constitue un chip . Le processus dtalement est illustr dans la figure 1.2 b), qui montre le code

dtalement du k-ime utilisateur qui est reprsent par la squence de chips c(p)k , op = 1 , 2 , 3 , . . . , M et o M reprsente la longueur du code (M = 4 dans cet exemple).Chaque chip a une dure Tc et une amplitude gale +1 ou -1. Le dbit avec lequel va-rie linformation tale est appel dbit chip (ou chip rate) que lon notera Bspr . Ce dbitest gal 1/Tc, exprim en chips par seconde (cps).

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1.1. Concepts gnraux

(a) FDMA (b) TDMAFrequency

TimePower Power

Frequency

Time

(c) CDMA Frequency

CodeTime

FIGURE 1.1 Mthodes daccs multiples (Alwis, 2005).

Dautre part, le n-ime symbole du message dinformation de lutilisateur k est notd

(n)k , o n = 1, 2, . . . Ainsi, et de manire similaire, nous pouvons aussi noter la dure

de chaque symbole par Ts, partir de laquelle nous pouvons galement formuler ledbit symbole Bs = 1/Ts exprim en symboles par seconde (sps). Il est important deconstater que ce dbit symbole est variable dans un systme DS-CDMA, car il dpenddu service offert (voix, vido ou donnes), tandis que le dbit chip Bs pr est constant etfix 3.84 Mcps (Millions de chips par seconde).

Le rapport entre le dbit du signal tal et le dbit du signal non tal est appel fac-teur dtalement SF (Spreading Factor). Il reprsente une proprit importante de lta-

lement de spectre et sexprime par : SF =Bspr

Bs=

1/Tc1/Ts

=TsTc

Par consquent, le facteur dtalement dansun systmeDS-CDMA est galau nombrede chips utiliss pour taler un symbole dinformation. Aprs la gnration des codes,

le processus dtalement se droule simplement en multipliant le message par +1 ou-1. Selon la figure 1.2 b), il apparat clairement que Ts > Tc, do Bspr > Bs. On com-prend alors comment on passe dun signal bande troite vers un signal large bande.Finalement, le signal subit une modulation en frquence et il est mis sur une frquenceporteuse avant dtre envoy. Au niveau de la rception, il suffit de reprendre la chanedans lordre inverse, notamment en dmodulant dans un premier temps le signal reu,pour ensuite le multiplier par le mme code dtalement utilis lors de lmission. lasuite de cette multiplication, nous obtiendrons le message dinformation dstal (exprim en dbit symbole).

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Source

dinformation

Horloge

chip

Gnration

de codes

Modulation RF ettransformation(s) du signal

avant lmission

Dbit symbole

(variable)

Dbit chip

(fixe)

1 3

2

a) Emetteur DS-CDMA

ck(4)

ck(3)

ck(2)

ck(1)

dk(n)

2 Codes dtalement

b) Processus dtalement

ck

(4)

dk

(n)

TsTc

ck

(3)

dk

(n)

ck

(2)

dk

(n)

ck

(1)

dk

(n)

Temps

Frquence

chips

Bsp r = 1/Tc

Bs = 1/Ts

3 Signal tal

1 Symbole dinformationTcTs

1/Tc

Multiplicateur

FIGURE 1.2 Etalement squence directe DS-CDMA.

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : Dans la technique OFDMA,lensemble des sous porteuses dun symbole OFDM (Orthogonal Frequency Division Mul-tiple) (Andrews, 2007) est divis en sous ensembles de frquences, ces derniers peuvent

tre affects diffrents utilisateurs. LOFDMA apporte une nouvelle dimension lorsde lallocation des ressources : il faut affecter les diffrentes frquences aux utilisateurspendant un mme time slot comme le montre la figure 1.3. Durant un mme slot, plu-sieurs utilisateurs peuvent occuper des frquences diffrentes et ces mmes frquencespeuvent tre assignes aux mmes utilisateurs durant les prochains slots en fonction deleurs besoins. Ces frquences sont espaces par les canaux de garde ce qui annule les in-terfrencesentre les utilisateurs ou intra cellule. Pour des applications fixes ou nomadeso les canaux ne varient que faiblement, lavantage indiscutable de lOFDMA sur lesautres mthodes accs multiple est sa capacit dexploiter la niche des terminaux uti-lisateurs embarqus. La technique OFDMA est la base du rseau sans fil IEEE802.16e(WiMAX) comme dfini dans le standard (IEEE Std 802.16e, 2005).

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FIGURE 1.3 Trame OFDMA.

Codages et modulations adaptatifs

Dans les rseaux mobiles, la qualit dun signal reu par un terminal dpend deplusieurs facteurs, comme la distance entre la station de base ou la perte de propaga-tion due aux obstacles ou aux trajets multiples. Dans le but damliorer la performancedun systme, en termes de dbit de donnes et de fiabilit de la couverture radio, lesignal transmis vers et par un utilisateur particulier est modifi de faon prendre encompte les variations de la qualit du signal travers un processus connu sous le nom

d adaptation au lien radio (link adaptation), connu galement sous le nom de AMC(Adaptive Modulation and Coding).

Une des techniques majeures introduites dans le WCDMA est le contrle de puissance.Lide est daugmenter la puissance de transmission quand la qualit du signal reu estfaible et de la diminuer quand la qualit du signal en rception atteint un seuil donn.Ceci permet une communication fiable entre lmetteur et le rcepteur. Ainsi la tech-nique de contrle de puissance rduit les interfrences intra et inter-cellules causespar une puissance de transmission trop importante, la capacit du systme est ainsiaugmente. Une technique alternative au contrle de puissance en faisant face aux ef-fets variables du canal dans le temps est de compenser les vanouissements. Au lieu

de garder une qualit de signal constante au niveau du rcepteur, on peut changer lamodulation et le code du signal transmis de telle faon que le plus dinformations soittransmis lorsque ltat du canal est bon et le moins possible lorsque le canal est dt-rior. Cette technique est lAMC. Compar la technique conventionnelle de contrlede puissance, lAMC apporte une capacit beaucoup plus leve pour les systmesradio transmission de paquets comme HSPA (High Speed Packet Access) et WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access). Un autre avantage de lAMC est que lapuissance dmission est fixe pendant toute la dure de la trame, ainsi les interfrencesprovenant des autres utilisateurs sont significativement rduites. En plus de la modu-lation de base de la technique WCDMA dfinie dans la Release 99 QPSK, des nouvellesmodulations sont proposes dans les Release 5, 6 et 7 (Holma et al., 2007), la modulation

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16-QAM et la modulation 64-QAM pour la technique HSPA.

Mais, contrairement la modulation QPSK, celles-ci sont optionnelles et dpendentdu type de terminal utilis. La modulation 16-QAM soutient 4 bits/symbole au lieudes 2 bits/symbole de la modulation QPSK. Ainsi, la modulation 64-QAM soutient 6

bits/symbole au lieu des 4 bits/symbole. Les dbits sont ainsi augments de manire si-gnificative. La modulation 16QAM requiert de bonnes conditions de canal et une bonneperformance des rcepteurs compare la modulation QPSK. La dcision dune trans-mission en 64-QAM ou 16-QAM ou QPSK est faite dans le rseau en utilisant la qualitdu canal dinformation provenant du mobile via un canal de contrle montant. En effet,les mobiles HSDPA effectuent des mesures de la qualit du canal physique descendantet transmet un indicateur de qualit de canal CQI (Channel Quality Indicator) dans lecanal de contrle montant HS-SCCH. Il faut noter que lintroduction dun ordre de mo-dulation plus lev est accompagne dune plus grande complexit dans les terminauxmobiles, qui doivent estimer lamplitude relative des symboles reus. Cette estimationdamplitude est ncessaire pour que le terminal puisse sparer tous les points de laconstellation 16-QAM et 64-QAM telles quillustrs par la figure 1.4. tant donn quecette estimation devient plus difficile lorsque la qualit du signal reu est mauvaise, ilest alors plus judicieux dutiliser la modulation la plus faible dont la constellation estmoins dense.

I

Q

0

01

1

b0

b1

I

Q

10

b0

b1

b2

b3

00

01

11

11 01 1000

I

Q

110

b0

b1

b2

b3

b4

b5

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000

100

101

001

011

111

111 011 001 101 100 000 010 110

FIGURE 1.4 Points de quanstellation pour QPSK, 16-QAM et 64-QAM.

En combinant le type de modulation, le taux de codage et le nombre de codes suppor-ts, nous obtenons plusieurs combinaisons, appeles galement schma de modulationet de codage MCS (Modulation and Coding Scheme), qui ont t proposes par le 3GPPdans la Release 5. Ainsi, un utilisateur qui serait proche dune station de base pourrait sevoir attribu, par exemple, une modulation 64-QAM avec un taux de codage de 3/4 etdont le terminal supporte 15 codes en parallles. Cette combinaison lui permettrait de

bnficier dun dbit plus lev sur le lien descendant. LAMC a t intgr aux fonc-tionnalits des Node B supportant la technologie HSDPA. Par consquent, la station de

base a la responsabilit de slectionner lalgorithme de modulation et de codage appro-pri. Selon le nombre de codes parallles pouvant tre support par le terminal, nousobtenons plusieurs classes de terminaux HSPA spcifies dans la Release 5 avec un to-

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tal de 12 catgories. Ces catgories permettent davoir des dbits pics allant de 0.9 14.4 Mbits/s. En outre, ce mme principe de shma de modulation a t adopt par le

standard du rseau WiMAX (IEEE802.16e), comme le montre le tableau 1.1.

Modulation Taux de codage Bits/symbole SNR (dB)64-QAM 3/4 4.5 24.464-QAM 1/2 4 22.716QAM 3/4 3 18.216QAM 1/2 2 16.4QPSK 3/4 1.5 11.2QPSK 1/2 1 9.4BPSK 1/2 0.5 6.4

TABLE 1.1 Modulations et taux de codages adaptatifs sur le IEEE802.16e

1.1.2 Les systmes de communications mobiles tudis

volution des standards de communication

Depuis les premires expriences de Marconi la fin du XIXe sicle, les communica-tions sans fil entre deux lments mobiles ont t limites des applications profession-nelles et ce, jusqu la fin des annes soixante dix. Il a fallu attendre les annes quatre

vingt avant de voir la naissance des systmes de tlphonie mobile cellulaire, de pre-mire gnration, entirement analogiques comme le NMT (Nordic Mobile Telephony),lAMPS (Advanced Mobile Phone Service), le TACS (Total Access Cellular System) ou le Ra-diocom2000. Nanmoins, les ressources spectrales rduites, la courte dure de vie des

batteries et le cot du terminal, ont t des obstacles qui ont restreint les dbuts dudveloppement des tlphones portables de premire gnration. La seconde gnra-tion des systmes cellulaires est apparue au dbut des annes 90 avec le DECT ( DigitalEnhanced Cordless Telecommunications), le GSM (Global System for Mobile communications, Europe), le PDC (Japon), et le PCS (tats-Unis). Prvue initialement pour des applica-tions de transport de la parole et de donnes faibles dbits (9600 bits/s) autour desfrquences (935-960 MHz) ou (890-915 MHz), cette norme a permis lessor des commu-

nications mobiles. Les performances (efficacit spectrale, scurit, fonctionnalits) de laseconde gnration de systmes cellulaires sont plus importantes que celles de la pre-mire gnration. Un important apport ces systmes a consist en la modification dela mthode daccs aux donnes, et a donn lieu la naissance de la gnration interm-diaire nomme 2.5G, incarne par le systme GPRS (General Packet Radio Service). Uneautre forme dvolution des systmes cellulaires de seconde gnration est incarnepar les systmes EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution) ; ils utilisent une nou-velle modulation, optimisant le dbit efficace linterface GSM, permettant datteindredes dbits de 384 Kbits/s au maximum. Les diffrents continents ont dvelopp dessystmes assez similaires dans le principe, mais parfois diffrents dans leur ralisation.Cest donc dans le cadre dune homognisation globale des standards quest ne lide

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dune troisime gnration de systmes cellulaires. La troisime gnration (3G) de sys-tmes cellulaires, souvent assimile en Europe lUMTS (Universal Mobile Telecommuni-

cation Services) , a t principalement conue et imagine afin de satisfaire lachemine-ment de donnes multimdia (accs Internet, aux rseaux dentreprise, des servicesde messageries, de visioconfrence, de jeux, ....). Au mme titre que le GPRS et EDGEont permis, sans modifier le principe de base des communications, leur gnrationde systmes cellulaires dvoluer en terme defficacit. Le HSDPA (High-Speed Down-link Packet Access) est dj considr comme le standard 3.5G des tlcommunicationsmobiles. Alors que le dbit maximum permis sur une liaison UMTS est de 2 Mbits/spour une bande passante de 5MHz, le HSDPA, grce sa modulation en 16-QAM, au-torise des dbits de 10 Mbits/s. Ainsi, grce lintroduction de la nouvelle modulation64-QAM dans la Release 7, le dbit thorique de 14 Mbits/s est possible par le rseauHSDPA. Dans ce mme sens, le rseau IEEE802.16 (WiMAX) dit 4G permet un dbit

thorique de 70 Mbits/s sur un rayon de 50 km maximum tout en se basant sur desmodulations diffrentes en fonction de ltat du canal radio et de nouvelles mthodesdaccs au canal. Les performances du systme en termes du dbit sont beaucoup plusimportantes que celles fournies par les systmes antcdents, grce ces modulations(QPSK,16-QAM, 64-QAM) . La norme WiMAX Mobile permet des services comme lacommunication en VoIP (Tlphonie sur Rseau IP) sur tlphone portable ou encorelaccs des services mobiles en hauts dbits. Son quivalent en Europe est le Hiper-MAN. De plus, le but principal des nouvelles technologies de communication est desupprimer les cbles et de permettre la transmission (voix, donnes, . . . ) via une liaisonradio. La figure 1.5 rsume lvolution des rseaux sans fil.

Ainsi, le dveloppement rapide des communications sans fil et lmergence des nou-veaux standards sollicitent la convergence vers la quatrime gnration de communi-cations mobiles. Initialement prvue pour les annes 2010, elle semblerait prsenter sestoutes premires ralisations commerciales lgrement plus tt. Cette avance par rap-port aux prvisions est notamment due au fait que la quatrime gnration ne sera paslissue dune rvolution dans les communications (comme cest le cas de la deuximeet la troisime gnration), mais plutt la convergence de diffrents standards, appli-cations et produits. En effet, il semble pertinent de considrer la 4G comme la conver-gence des standards et des technologies couverts par la 3G et les rseaux locaux sans fil(WLAN). Le but de la 4G est damliorer les performances de la troisime gnration,sans changer fondamentalement le contenu ni les applications prvues au dpart pourla 3G.

1.1.3 Prsentation de lUMTS

LUMTS est un rseau mobile de troisime gnration capable doffrir des bnficessignificatifs lutilisateur en terme de services valeur ajoute, tels que laccs Internet haute vitesse, le tlchargement de fichiers (audio et vido) ou alors la visiophonie.LUMTS se base principalement sur la technique daccs multiple large bande WCDMApour y offrir ce type de service. Le systme universel UMTS a t choisi dans le but defaire une distinction avec les systmes de premire et de deuxime gnration qui sont

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FIGURE 1.5 Evolution des rseaux sans fil.

considrs comme des systmes axs principalement sur le service de la voix. Danscette section, nous allons prsenter les catgories de services pouvant tre offerts parun rseau UMTS. Puis, nous verrons son architecture en gnral. Nous verrons gale-ment les couches de protocoles radio de linterface daccs ainsi que la description descanaux de transport. Le 3GPP a rendu obligatoire lutilisation du codeur de parole AMR(Adaptative Multi Rate) (Holma et Toskala, 2001) dans le rseau UMTS - alors quil estoptionnel en GSM. Ce codec voix dbit adaptatif propose huit dbits diffrents allantde 4,75 kbps 12,2kbps, contrls par le rseau daccs et ne dpendant pas de lacti-vit vocale. Le codeur AMR fonctionne sur des trames de voix de 20 ms, correspondant 160 chantillons, chantillonns une frquence de 8khz (thorme de Shannon), lesystme de codage employ par le codeur AMR est appele ACELP (algebraic code

exeited linear prediction coder). Par extension, le codeur ACELP un dbit adapta-tif est appel MR-ACELP(multi-rate ACELP) . Durant une conversation tlphonique,chaque participant parle en moyenne la moiti du temps, chaque sens de transmissionest utilis donc 50% du temps. La technique AMR prend en compte cette caractristiquespcifique des communications vocales en proposant les quatre fonctions suivantes :

dtection de lactivit vocale au niveau de lmetteur; valuation du bruit de fond au niveau de lmetteur afin de transmettre les para-

mtres correspondants au destinataire ; transmission du bruit de " confort " au destinataire au moyen dune trame spci-

fique, envoye priodiquement ;

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gnration du bruit de confort au niveau du destinataire durant les priodes pen-dant lesquelles aucune trame de voix nest reue. La technique AMR possde une

fonctionnalit de dissimulation des erreurs (error concealement). Le but de substi-tution de trames est de masquer les effets de la perte de trames. Le dbit peut tremodifi par le rseau daccs en fonction de charge de linterface air et de la qua-lit de bout en bout des communications vocales, aux heures charges, pendantlesquelles la charge du rseau est forte. Il est possible dutiliser un dbit AMR plusfaible afin doffrir une capacit plus important, tout en rduisant quelque peu laqualit vocale. Dautre part, lorsquun mobile quitte la zone de couverture dunecellule et quil utilise dj sa puissance maximale de transmission, un dbit moinsimportant peut tre utilis pour tendre artificiellement la zone de couverture dela cellule. Grce ce codec AMR, il est possible de raliser un compromis entre lacapacit du rseau, la couverture et la qualit vocale en fonction des besoins des

oprateurs.

Classes de services et QoS dfinies par lUMTS : Le 3GPP (3rd Generation PartnerProject) (3GPP, 2000) a dfini les classes de services que lUMTS peut offrir et qui d-pendent de la QoS (Quality of Service) dsire par lutilisateur. La qualit de service estgnralement dfinie par les critres suivants :

dlai : temps coul entre lenvoi dun paquet par un metteur et sa rception parle destinataire. Le dlai comprend les dlais de propagation, de transmission, detraitement et dattente dans les systmes intermdiaires ;

gigue sur le dlai : variation du dlai de deux paquets conscutifs ;

bande passante minimum : taux de transfert minimum pouvant tre maintenuentre deux points terminaux; fiabilit : taux moyen derreurs dune liaison.

Ces classes de services sont dfinies par 3GPP comme suit :

1. services conversationnels (Conversational class) : les services de cette catgorie per-mettent de transmettre principalement du son et des images entre deux personnesou groupes de personnes. Leur qualit est donc assez sensible des dlais dans latransmission, ces dlais pouvant tre facilement perceptibles par les utilisateurs.Parmi ces services, nous pouvons citer la tlphonie en mode circuit, la tlpho-nie en mode paquet utilisant le protocole VoIP (Voice over IP) et la vidophonie.Nanmoins, cette dernire est moins tolrante aux erreurs que la tlphonie etrequiert gnralement un dbit plus important ;

2. services streaming (Streaming class) : on retrouve dans cette classe les services quitraitent linformation au niveau du terminal de faon continue, cest dire au mo-ment mme o elle est reue (avant de la recevoir dans sa totalit). Ce type deservice est unidirectionnel. Ces services sont assez rcents et offrent un potentieldapplication assez vaste. Le streaming audio et vido sont des exemples dap-plications typiques. la diffrence des services conversationnels, les services detype streaming sont assez asymtriques (on ne reoit pas au mme dbit que lonmet) et on peut tolrer dans ce cas des dlais importants ;

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3. services interactifs (Interactive class) : ce type de service est caractris par le fait quele terminal ayant envoy un message/commande attend une rponse du destina-

taire dans un certain intervalle de temps. Par consquent, un paramtre cl pouridentifier la QoS des services interactifs est le temps daller-retour, cest dire letemps coul entre le moment o le message/commande est mis et celui o larponse arrive. Comme exemple, nous pouvons citer le commerce lectroniqueainsi que les services de localisation qui se dveloppent de plus en plus;

4. services en arrire-plan (Background class) : il existe des services qui ne posent, oupresque, aucune contrainte de temps dans le transfert de linformation quils g-nrent. Ils peuvent sexcuter en arrire-plan. Parmi ces services, nous pouvonstrouver lenvoi dun courrier lectronique, dun message court SMS (Short Mes-sage Service) ou alors le tlchargement dun fichier. Le paramtre pour quantifierla QoS de ce type de service est principalement le taux derreurs qui doit tre

souvent assez faible.

Architecture de lUMTS : Le rseau UMTS repose sur une architecture flexible etmodulaire. Cette architecture nest associe ni une technique daccs radio, ni unensemble prdfini de services, ce qui assure sa compatibilit avec dautres rseauxmobiles de deuxime et troisime gnration et garantit son volution. Larchitecturepeut tre adapte en fonction des besoins des oprateurs de tlcommunications. Unetelle architecture, comme lillustre la figure 1.6, est compose de trois domaines : ledomaine de lquipement de lusager UE (User Equipment), celui du rseau daccs ra-dio universel UTRAN (Universal Terestrial Radio Access Network) et celui du rseaucoeur CN (Core Network) (Holma et Toskala, 2001; Javier et Mamadou, 2004). Les do-maines du rseau daccs et du rseau coeur constituent le domaine de linfrastructure.Chaque domaine ralise une fonction bien prcise dans le rseau, tandis que des pointsdchange, dnots par Uu et Iu, servent dinterfaces permettant les changes entre lesdiffrentes parties du rseau.

UTRAN CNUE

Uu Iu

FIGURE 1.6 Architecure globale du rseau UMTS.

Le domaine UE comprend tous les quipements terminaux et permet labonn laccs linfrastructure et ses services par le biais de linterface Uu. Le domaine UE estconstitu de deux domaines : celui de lquipement mobile ME ( Mobile Equipment) et

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celui du modle didentit des services de labonn ou carte USIM (Universal SubscriberIdenty Module).

Le domaine UTRAN est compos dun ensemble de sous-systmes nomms RNS (RadioNetwork Subsystem) et peuvent tre connects entre eux grce linterface Iur, comme lemontre la figure 1.7. Le RNS se scinde en deux lments : celui du Node-B (ou plusieursNode-B) et celui du RNC (Radio Controller Network) o sinterface avec le domaine CN,gnralement un MSC et un SGSN grce aux interfaces Iu CS et Iu PS. Le RNCcommande un ou plusieurs Node-B via linterface Iub. Le Node-B gre principalementla couche physique de linterface air (le codage du canal, lentrelacement, ladaptationdu dbit et ltalement). LUTRAN fournit lUE les ressources radio et les mcanismesncessaires pour accder au rseau coeur. Il contrle les fonctions lies la mobilit et laccs au rseau.

Enfin, le rseau coeur CN regroupe lensemble des quipements assurant les fonctionstelles que le contrle dappels, le contrle de la scurit et la gestion de linterface avecles rseaux externes. Ces dernirs se scindent en deux catgories : celle des rseauxcircuit (Rseau Numrique Intgration de Service RNIS) et celle des rseaux paquet(rseau Internet), voir la figure 1.7.

Node BMSC/VLR

SGSN

Node B

RNC

RNS

Node B

Node B

RNC

RNS

UTRAN

Iub Iur

Iu CS

Iu PS

Internet,X.25, etc

PSTN

Rseaux commutationde circuits (CS)

Rseaux commutation

de paquets (PS )

CN

Uu

UE

FIGURE 1.7 Elments de rseau daccs UMTS (Holma et Toskala, 2001).

1.1.4 Prsentation de HSDPA

Pour offrir des services (de type interactive, streaming et background) haut dbit su-prieurs 2 Mbits/s par lUMTS, le 3GPP a dfini HSDPA (High Speed Downlink Packet

Access) dans la Release 5. Il sagit dune technologie daccs radio qui permet datteindredes hauts dbits dans le lien descendant suprieurs 10 Mbits/s. La technique HSDPAnest que lvolution logicielle de la technologie WCDMA de la Release 99. Elle est dotedun ensemble de proprits dont la combinaison permet damliorer la capacit durseau ainsi que le dbit de donnes jusqu plus de 10 Mbits/s. Parmi ces proprits,nous retrouvons des techniques connues et utilises dans des standards dvolution telque le GSM/EDGE et que lon rsume dans la figure 1.8 et lon dfine par les pointssuivants :

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FIGURE 1.8 Architecture systme avec le HSDPA.

1. la technique de modulation et de codage adaptatif AMC permet la variation dudbit de transmission de manire adpatative pour pallier les dgradations du si-gnal dues aux conditions de propagation. Cependant, les performances de cettetechnique sont assez sensibles des erreurs dans lestimation des conditions ducanal et aux retards implicites de sa transmission vers le Noeude-B;

2. une mthode de retransmission hybride rapide appele H-ARQ (Hybrid AutomaticRepeat reQuest) : la mthode H-ARQ est vue comme un complment la prc-dente AMC en apportant la possibilit dajuster le dbit de transmission de ma-nire plus fine. Le Node-B transmet un packet de donnes au mobile. Si au boutdun certain temps ce dernier nenvoie pas un acquittement positif (ACK, Ack-nowledgement) ou si lacquittement est ngatif (NACK, Negative-Acknowledgement)alors, le Noeud-B considre que le paquet na pas t reu convenablement et ilrenvoie nouveau le mme paquet. Le mobile le garde et le combine avec les pa-quets retransmis par la suite. Ce type de retransmission est appele soft combininget il existe un autre type qui sappelle Incremental Redundancy (Javier et Mamadou,2004). Ce qui augmente la probabilit de dcoder correctement linformation ;

3. des algorithmes dordonnancement rapide de paquets (Fast Packet Scheduling) :les deux techniques prcdentes permettent damliorer les performances de lalaison radio en faisant changer le dbit de transmission en fonction des caract-ristiques instantanes du canal. Les algorithmes dordonnancement permettent

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de slectioner les utilisateurs de cellule auxquels il faut allouer le canal de trans-mission de donanne HS-DSCH ( High Speed-Downlink Shared Channel) pendant

un interval de temps de transmission ITT (Interval Time Transmission). Parmi lesstratgies dallocation de ressources radio appeles scheduling on trouve le MaxC/I, le PF (Proportional Fair) et le FFTH (Fast Fair Throughput), pour plus de ttailssur ces algorithmes voir (Ameigeiras et al., 2004).

1.1.5 Prsentation de IEEE 802.16e (WiMAX)

Le Wimax est une technologie principalement utilis pour les MAN (MetropolitanArea Network). Il permet, notamment, aux zones rurales de se doter dune connexioninternet haut dbit. Lobjectif du WiMAX est de fournir une connexion internet haut

dbit sur une zone de couverture de plusieurs kilomtres de rayon. Les dbits tho-riques du WiMAX sont de 70 Mbits/s avec une porte de 50 kilomtres. En pratiquedans le pire des cas, cest--dire en NLOS Non Line Of Sight le dbit atteint 12 Mbits/s

jusqu 4,5 kilomtres. Le WiMAX fonctionne en mode point-multipoint, cest--dire lemode infrastructure que lon connait pour le Wifi ou encore le mme fonctionnementque les technologies 2G, 3G de tlphonie mobile. Ainsi comme en 2G une station de

base nomme BTS (Base Transeiver Station) ou BS (Base Station) met vers les clients etrceptionne leurs requtes puis les transmets vers le rseau du fournisseur daccs. Plu-sieurs variantes de standard ont t proposes, modifies et ratifies comme le rsumele tableau 1.2.

Standard IEEE802.16 Bande de frquence (BF) DateIEEE std 802.16 rseaux mtropolitains sans fil octobre 2002

BF suprieure 10 GHz. obsolteIEEE std 802.16a rseaux mtropolitains sans fil octobre 2003

BF comprise entre 2 et 11 GHz. obsolteIEEE 802.16b rseaux mtropolitains sans fil fusionn

BF comprise entre 10 et 60 GHz. avec 802.16aIEEE std 802.16c rseaux mtropolitains sans fil juillet 2003

dans les bandes BF libres.IEEE 802.16d rvision intgrant les standards octobre 2004(IEEE std 802.16-2004) 802.16, 802.16a et 802.16c.

IEEE std 802.16e rseaux mtropolitains sans fil fvrier 2006avec des clients mobiles.IEEE std 802.16f rseaux sans fil maills

(mesh network).

TABLE 1.2 Historique du standard IEEE802.16

Signalisation montante de contrle : Nous nousintressons par le standard IEEE802.16e(IEEE Std 802.16e, 2005) qui utilise dans sa couche physique la mthode OFDMA initia-lement developpe par Sari et Karam (Sari et Karam, 1995) comme une mthode dac-

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cs multiple. Afin de signaler des vnements spcifiques, les mobiles mettent dessignalisations (Ranging) en direction de la station de base. Ces signalisations sont de

diffrentes natures en fonction du type dvnement signaler. La transmission des si-gnalisations utilise un ensemble de 256 codes orthogonaux (codes CDMA) cods sur 144bits. Ces codes sont distribus entre les quatre types de signalisation possibles.Un mo-bile dsirant mettre une de ces signalisations choisit alatoirement un des codes dis-ponibles dans le sous-ensemble propre sa famille de signalisation. Ce code est alorstransmis via une modulation par phase binaire (BPSK). Le standard IEEE802.16e tablitquatre catgories de signalisation : linitialisation de connexion IR (Initial Ranging), lademande de migration de cellule HR (Hand-Over Ranging), la demande de bande pas-sante BR (Bandwidth Request Ranging) et la demande priodique PR (Periodic Ranging).Ces signalisations sont dfinies comme suit :

1. initialisation de connexion IR (Initial Ranging) : linitialisation de connexion est

utilise par un mobile ds lors quelle dsire se synchroniser pour la premirefois une station de base. Ce message est envoy sur un premier intervalle decontention : intervalle de signalisation dinitialisation (Initial Ranging Interval) ;

2. demande de migration de cellule HR (Hand-Over Ranging) : ce type de Ranging de-mande lengagement dune procdure de Hand-Over afin que le mobile puisse serattacher une autre BS tout en conservant la prennit des services en cours. Cemessage est envoy sur le mme intervalle que ceux dinitialisation de connexion;

3. demande de bande passante BR (Bandwidth Request Ranging) : ce type de Rangingest la premire tape lengagement dun flux de service vers la station de base.Par ce type de requte, le mobile demande la station de base de lui allouer un

nombre dtermin de frquences et dunits de temps qui dfiniront son sous-canal de transmission. La plage temps-frquence demande, et les dtails de laconnexion dpendront du type de service voulu ;

4. demande priodique PR (Periodic Ranging) : ce type un peu particulier constituedes signalisations de contrle. Le mobile est amen mettre ce type de signali-sation sur demande de la station de base afin de pouvoir engager des oprationsde maintenance : adaptation du dbit, mesure de puissance, changement de mo-dulation, . . ..

Classes de services et QoS dfinies par le standard IEEE802.16 : Les services dor-

donnancement consistent en les mcanismes supports par la couche MAC (MediumAccess Control layer) pour le transport de donnes. Chaque connexion est associe uneunique classe de service. Ces classes de service impliquent un ensemble particulier deparamtres dfinissant la QoS associe la connexion. Quatre classes de services sontproposes dans le standard (IEEE Std 802.16, 2004; IEEE Std 802.16e, 2005) : le service acceptation non-sollicite (UGS), le service temps rel (rtPS), le service de transfertde donnes (nrtPS) et trafic interactif (BE). En outre, une dernire classe a rcemmentintgr le standard constituant une extension du service temps rel (ertPS). Elles sontdfinies comme suit :

1. service acceptation non-sollicite UGS (Unsolicited Grant Services) : la classe UGS

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est destine supporter les flux de donnes temps rel caractriss par une taillefixe de paquets reus priodiquement. Cette classe est donc destine aux services

T1/E1 et la voix sur IP (VoIP) sans suppression de silence. Les paramtres deQoS associs sont alors le dbit maximum et minimum rserver pour le trafic(souvent les mmes), le dlai maximum, la gigue tolre, la politique de mise jour. Le mobile conserve un dlai optimal par le fait quaucune requte nestenvoye dans le sous canal de contention une fois le service engag. Cette classede trafic limine donc les donnes et dlais induits par des requtes de bandepassante rptes. La BS rserve alors priodiquement au mobile une partie desressources radio disponibles. La quantit rserve est initialement gale au dbitmaximum demand. Cette classe est ddie aux flux en temps rel. Les tramessont de taille fixe et mittent rgulirement;

2. service temps rel rtPS (real-time Polling Services) : la classe rtPS est destine trai-

ter les trafics temps rel pour lesquels la taille des paquets de flux de donnesest variable et intervalle rgulier. Aussi, cette classe est utilise pour les traficsvido tels que le MPEG, H.263, . Les paramtres de Qualit de Service sarticulentautour dun dbit minimum rserv pour le trafic vido, dun dbit maximum ac-ceptable, dun dlai maximum et enfin dune priodicit de mise jour. Le mobileengageant un trafic rtPS a la possibilit de mettre jour ses paramtres de perfor-mances en incorporant priodiquement de nouvelles requtes de ressources enqueue des paquets de donnes. Durant lintervalle de contention. Cette classe res-pecte donc les trafics sensibles au dlai en vitant aux requtes de mise jour, lescollisions impliques par lintervalle de contention. Par ailleurs, le mobile a toutloisir dindiquer la BS quelle priodicit de mise jour require le trafic engag.

Elle permet les flux temps rel. Les trames sont de taille variable et lmissionpeut tre irrgulire. Cette classe convient, par exemple, un flux vido ;

3. extension du service temps rel ertPS (extended real time Polling Service) : la classeertPS est destine supporter les flux de donnes temps rel caractriss par unetaille variable de paquets reus priodiquement. Cette classe est donc destineaux services de voix sur IP (VoIP) avec suppression de silence. Les paramtres deQualit de Service sarticulent autour dun dbit minimum rserv pour le traficvido, dun dbit maximum acceptable, dun dlai maximum mais sans indica-teur de priodicit de mise jour. La SS engageant un trafic ertPS a la possibilitde mettre jour ses paramtres de performances en incorporant, quand cela estncessaire, de nouvelles requtes de ressources en queue des paquets de donnesou durant lintervalle de contention. Cette classe respecte donc les trafics sen-sibles au dlai en vitant aux requtes de mise jour les collisions impliques parlintervalle de contention. Par ailleurs, cette classe de trafic rduit le trafic de si-gnalisation et le dlai dvolution pour les ressources alloues dynamiquement.De plus, lallocation variable des ressources pour les appels ertPS permet dviterle gaspillage de ressource sur lien montant, comme cela peut tre le cas sur lesappels UGS ;

4. service de transfert de donnes nrtPS (non real time Polling Service) : la classe nrtPSdoit quant elle permettre la bonne gestion des trafics insensibles au dlai maisrequrant un dbit minimum. La taille des paquets peut donc tre variable, ainsi

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1.2. Travaux existants

que le dlai entre deux transmissions de paquets. Cette classe est donc tout faitadquate au protocole de transfert de fichiers (FTP). Les paramtres de Qualit

de Service sont : un dbit minimum de trafic rserver, le dbit maximum pos-sible pour la connexion et une priorit de trafic. Une fois la connexion engage, laSS devra imprativement mettre une nouvelle requte de bande passante pourpouvoir prtendre un autre dbit ;

5. service interactif BE (Best Effort) : la classe BE est ddie aux trafic nexigeant pasde niveau de performance particulier. Les paramtres de QoS sont uniquementlis au maximum de dbit possible pour la connexion, la priorit de trafic et la politique de renouvellement de requte. Comme pour la classe prcdente,la classe engage une nouvelle connexion pour tout nouveau besoin de ressource.Dans cette classe rien nest garantie on envois les donnes sans garantie de rcep-tion. Convient bien la navigation Internet.

1.2 Travaux existants

Cette partie dcrit les travaux de littrature dj existants dans lequel le travail en-gag dans cette thse tire ses motivations. Elle traite des travaux proposant diffrentsmodles de performances, de calcul de capacit, de gestion de mobilit et de mca-nisme de contrle dadmission dans les axes de recherche tudis le long de cette thsequi concernent les systmes WCDMA, HSDPA et WiMAX. Certains de ces travaux pr-sentent des formulations thoriques adquates et prouves aux enjeux de notre pr-sente tude. Dautres se caractrisent par leur conclusions qui contribuent fortement lapprofondissement des nouvelles pistes de recherche ayant motiv cette thse. Ainsidautres travaux associs aux modles de capacit et de contrle dadmission abordentles principaux moyens et outils de modlisation de la capacit dune cellule HSDPA etIEEE802.16 avec ou sans la gestion des ressources par rapport la mobilit des utilisa-teurs.

De nombreux travaux ont t dvelopps dans la littrature pour tudier la capacitdes rseaux sans fil. Dans (Gilhousen et al., 1990), Gilhoussen et al. analysent les inter-frences venant des autres cellules sur la capacit multi-cellulaires CDMA dans laquelleil y a un mme nombre constant de mobiles par cellule qui se distribue de faon conti-

nue dans chacune delles. Dans (Viterbi et Viterbi, 1993), les auteurs tendent le travaildvelopp dans (Gilhousen et al., 1990) en modlisant le systme CDMA par une filedattente de type M/G/ dont le nombre de mobiles actifs par cellule est un variablealatoire qui suit la loi de Poisson dont le paramtre est le trafic moyen offert danschaque cellule. Cependant, les auteurs utilisent les limites de Chernoff et les approxi-mations gaussiennes pour le calcul de la probabilit de mauvaise liaison (outage proba-bility). Egalement, ils prennent en considration leffet des interfrences inter-cellulairessur les performances du systme CDMA.

Dans (Evans et Everitt, 1999), Evans et al. analysent la capacit du trafic du lien montantdes rseaux cellulaires CDMA en incluant les interfrences venant des mobiles dautres

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cellules sous forme de puissances comme des points intressants dans leur dveloppe-ment afin quils analysent le trafic. Chaque mobile a une position alatoire lintrieur

de sa cellule qui gnre une interfrence comme variable alatoire sous forme de puis-sance sur les autres mobiles au niveau de leurs station de base, le nombre de mobile parcellule est un variable alatoire suit la loi de Poisson au lieu dtre un nombre constant.Ensuite, ils modlisent le systme CDMA comme une file dattente M/G/ et donnentune nouvelle limite de la capacit CDMA en terme de probabilit de mauvaise liai-son. Ils calculent cette probabilit par les deux techniques dapproximation : celle delapproximation gaussiennes et celle du calcul des limites de Chernoff. Ils considrentdans leur analyse leffet des interfrences de type shadowing lognormal et le contrlede puissance. Signalons que les travaux mentionns prcdemment ne traitent que leservice voix. Donc, offrir dautres services comme le multimdia par le rseau CDMA,demande une qualit de service acceptable par les mobiles.

Les auteurs dans (Zhang et Yue, 2001) prsentent une mthode pour calculer la capacitdErlang du lien montant (uplink) du systme WCDMA en se basant sur le modle LCH(Lost Call Held) dcrit dans (Viterbi, 1995). Les auteurs prennent en considration diff-rents facteurs, tels que le niveau dinterfrence, les erreurs de contrle de puissance, lerapport signal sur interfrences plus bruit, etc. Cette mthode calcule loccupation dela capacit du systme UMTS/WCDMA sur la base de la probabilit de outage. Ainsi,les auteurs donnent une forme explicite de la capacit dErlang pour un seul type detrafic (voix) et galement pour des trafics mixtes (voix et donnes). En outre, dans lestravaux developps dans (Mandayam et al., 1997), la capacit du lien montant est tu-die en prsence de deux trafics : le trafic en temps rel est transmis continuellement, et

le non-temps rel est transmis en temps partag. Dans (Altman, 2002), lauteur calculela capacit du lien montant de systmes CDMA avec un contrle de puissance idalisqui contient des applications de type best-effort, cest dire des applications dont le tauxde transmission peut tre contrl. Un appel de type best effort qui arrive est supposavoir une quantit fixe de donnes transmettre, ce qui fait que le dbit de transmissionqui lui est allou par le systme dtermine la dure de cet appel. Lauteur permet unevarit de services et donc des terminaux mobiles peuvent avoir des qualits requisesde services diffrentes selon le type dappel. Il garantit la qualit de sevice dappelsen cours en supposant quil y a un contrle daccs exerc afin dempcher un nouvelappel darriver quand le systme est satur. Les auteurs dans (Hegde et Altman, 2003)tendent la notion de capacit dfinie dans (Altman, 2002) dautres type de la QoS.

Ils considrent deux types de trafics savoir, le trafic temps rel et best effort. Puis, ilstudient limpact de la bande passante fixe par appel de type best effort sur la capacitdErlang du systme et montrent quune trs faible bande passante rserve aux ap-pels best effort indique une dure dappels trs longue. La capacit correspondante auxappels best effort pour un certain temps de sjour est dfinie comme le taux darrivede ces appels que le systme peut grer avec la contrainte que leurs dlais moyens detransmission prvue ne dpassent pas un seuil fix par loprateur de tlcoms.

Dans (Kelif et Altman, 2004), les auteurs considrent le systme WCDMA en prsencede deux trafics, temps rel (RT) et non temps rel (NRT) . Ils supposent que les appels enRT ont des ressources ddies par le systme, par contre les appels en NRT partagent

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des ressources libres. Ils tudient la probabilit de blocage des nouveaux appels dutrafic RT et le temps de sjour prvu pour les appels du trafic NRT sur les deux liens de

transmission montant et descendant (uplink et downlink) avec et sans macro diversit.Puis, ils proposent un contrle dadmission CAC (call admission control) afin davoirune QoS pour les deux trafics et donnent une extension de leurs travaux en incluant lehandover.

Dans (Bonald et Proutire, 2005) un modle gnral a t propos pour analyser la ca-pacit des rseaux cellulaires en se basant sur une prdiction par la thorie de linforma-tion. Ce travail est premirement applicable dans les systmes qui utilisent la mthodede multiplixage temporelle (time-multiplexed) comme CDMA 1xEV-DO, UMTS HSDPAet frquentielle (frequency-multiplexed) comme OFDM. Une comparaison a t effectueavec la capacit maximale obtenue par la thorie de linformation. Le modle dcrit

une relation entre les taux de transmission de donnes et la quantit des ressourcesutilises en terme du niveau de puissance dans les systmes cits ci-dessus. Les au-teurs prsentent des rsultats qui accentuent limportance de modliser le systme enprenant en considration les arrives et les dparts dynamiques dappels. La principalecontribution de ces auteurs est le dveloppement dune relation rcursive entre les tatsdu systme. En se basant sur cette relation pour obtenir les limites infrieures et sup-rieures, des probabilits de blocage sont tablies quand le contrle dadmission est bassur un taux minimum de transmission de donnes.

Dans (Fodor et Telek, 2005), les auteurs dfinissent une nouvelle mthode en tendantla formule classique de Kaufman-Roberts dans le systme CDMA supportant des ser-

vices best effort. Les services de cette classe peuvent adapter dynamiquement leur tauxde transmission en fonction des interfrences. Les auteurs utilisent la formule de Kaufman-Roberts pour calculer ltat dquilibre en fixant des taux de transmissions dans le sys-tme. Ils donnent une approximation dune chane de Markov irrversible par celle r-versible et obtiennent des limites infrieures et suprieures de probabilits de blocagesdes nouveaux appels dans ltat dquilibre.

Le CAC dcide daccepter un nouvel appel sil ne dgrade pas la QoS des appels encours (Tang et Goldsmith, 2001; Leong et Zhuang, 2002). Le CAC dans le rseau detroisime gnration UMTS a fait galement lobjet de plusieurs travaux de recherche(Elayoubi et al., 2004, 2005, 2006) pour le lien montant et descendant. Les auteurs ont

en particulier calcul la capacit du systme pour trois types de rcepteurs, savoir leFiltre Adapt (Matched Filter), MMSE (Minimum Mean Square Error) et le Dcorlateur(Decorrelator). En plus du rapport signal sur interfrence plus bruit SINR (signal to noise

plus interference ratio), ils prennent en compte dautres contraintes, telles que la couver-ture et la mobilit. Ils ont galement mis en oeuvre plusieurs algorithmes de contrledadmission dappels, qui grent les priorits entre les nouveaux appels et ceux en hand-over ou en mobilit, tout en considrant le trafic voix et donnes dans leur tude. Ils ontutilis deux approches : celle proactive, fonde sur mesure et celle ractive, base surla compression du trafic de donnes. Tous ces travaux nous ont encourag proposerdautres mthodes efficaces qui nous permettent de trouver explicitement les perfor-mances du systme (voir les chapitres 2 et 3).

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Dans (Assaad, 2006), Assaad et al tudient limpact du TCP (Transmission Control Pro-tocol) sur la capacit et la performance du systme UMTS-HSDPA. Les auteurs pro-

posent une mthode analytique pour lvaluation de cet impact et une mthode derduction de leffet du protocole TCP relatif au dbit binaire sur le rseau mobile sansfil UMTS en utilisant des canaux partags.

Puisque la qualit du signal varie en fonction de la distance du mobile par rapport sa station de base, et donc le mobile aura un dbit qui se dgrade quand il sloigne dela station de base. Plusieurs chercheurs ont ax leur tude sur ce problme en subdi-visant la zone couverte par la cellule en un nombre fini de rgion concentriques. Dans(Bonald et Proutire, 2003), les auteurs considrent un rseau sans fil de donnes o lenombre de mobiles actifs est dynamique et les mobiles partagent les ressources radiodu lien descendant dans les systmes CDMA/HDR. Ils dveloppent analytiquement

les performances du systme comme la probabilit de blocage et le dbit total, ainsique la taille de la cellule et la densit du trafic, tout en se basant sur le dimensionne-ment de la zone couverte par la station de base en un nombre fini de rgions.

Dans (Chahed et al., 2008), les auteurs prsentent un modle pour tudier la capacitdu systme HSPA en combinant les deux liens de transmissions montant et descendantavec la prsence de deux classes de service temps rel et best effort. La dernire classeest gouverne par le protocole TCP dans la couche de transport et dont les paquetssont transmis sur le lien descendant et ACKs sur le lien montant. Les appels tempsrels ont des ressources ddies et ceux en best effort partagent quitablement les res-sources libres. Les appels best effort restent longtemps dans le systme sil y a moins deressources libres et le quittent rapidement quand ils ont plus de ressources libres. Les

auteurs analysent le systme HDR/HSDPA en offrant les performances du systme etproposent un contrle dadmission pour les appels best effort dans les deux liens detransmission.

Les auteurs dans (Li et Sampalli, 2007) dveloppent un contrle dadmission sur liendescendant du rseau haut dbit WiMAX et HSDPA en se basant sur ladaptation dulien radio de linterface air. Ils dcomposent la cellule en nombre fini de rgions prenanten compte un modle simple de propagation oprant avec uniquement un path loss enfonction de la distance entre le mobile et la station de base. Ils considrent dans leurtude une seule classe de service et modlisent le systme par le rseau de files dat-tentes de type BCMP (Baskett et al., 1975; Chao et al., 2001) dont le nombre dutilisa-

teurs actifs est fixe. Les auteurs supposent que les taux darrive dappels dans chaquergion uniquement en fonction du nombre moyen de mobile qui se dplacent danscette rgion. Ainsi, ils considrent que le temps moyen de service dpend seulementdu temps que le mobile reste dans la rgion.

Les auteurs dans (Horrich et al.) sintressent la gestion de ressource des rseauxHSDPA et WiMAX en tenant compte de la mobilit. Ils prsentent trois schmas RRM(Radio Resource Management) de gestion de ressources dans un systme coopra-tif contenant HSDPA et WiMAX et comparent les performances dans ces schmas entermes de probabilit de blocage des nouveaux appels, de perte dappels en cours et detemps de transfert de fichiers. Les auteurs se basent sur un modle de Markov avec la

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thorie des jeux pour la gestion de ressources en prsence de plusieurs rgions deffi-cacit de modulation. Ces travaux font la motivation principale de notre contribution

dveloppe dans le chapitre 4.

La gestion de la qualit de service et lvaluation de performances dans la coucheMAC du rseau IEEE 802.16e ont t largement effectues en simulation ; et peu dersultats analytiques ont t prouvs dans la litrature. Dans (Won et al., 2003), les au-teurs analysent les performances du protocole daccs alatoires dans un environne-ment OFDMA-CDMA utilisant les intervalles de contention pour lengagement desconnexions, en fonction du dlai moyen MDT. Dans (Seo et al., 2004), les auteurs d-finissent un modle de performance bas sur un contrle adaptif de la taille de chaquefamille de codes : linitilisation de connexions (IR), la demande priodique (PR) et lademande de bande passante (BR), afin damliorer lefficacit des accs comptition.

De nombreuses tudes antrieures partent du principe que les paquets, ou les appels,arrivent dans le systme en suivant un processus de Poisson. Ceci, en vue de la simpli-fication du modle analytique. De plus, ils considrent que les processus des arrivesde tout type dappels ou paquets sont independents. Nanmoins, puisque dans le Wi-MAX, tous les mobiles partagent un nombre fini de codes CDMA, les arrives de cesappels devraient tre dpendents, comme prouv par (Peyre et al., 2008). En effet, dans(Peyre et al., 2008), les auteurs dveloppent un modle daccs en couche MAC des re-qutes de signalisation en se basant sur les diffrentes classes de priorites utilisant ladiffrentiation des paramtres backoff et les codes libres pour ces classes. Ils considrentle cas de la classification des connexions base sur les codes de partitionnement entreles classes dappels avec une sous plage de codes rserve pour la classe temps rel et

une autre sous plage de codes partage avec celle non temps rel.Le travail dvelopp dans (Wongthavarawat et Ganz, 2003), dfinit une architecture deQoS associant un planificateur et un algorithme de contrle dadmission. De manireplus riche et subtil, ltude (Wang et al., 2005) dveloppe un algorithme de contrledadmission aboutit et dynamique afin dassurer la qualit de service de chaque classede trafic du standard IEEE802.16e. Lalgorithme rserve sur les ressources disponiblescelles demandes par les trafics non temps-rel. Ces derniers seront alors refuss si lacapacit de la cellule est dpasse par la nouvelle demande de ressources. En paral-lle, les autres types de trafic partageront les ressources restantes. En outre, le prin-cipe dallocation propos ici introduit une volution dynamique dite de dgradation

de ressource. En effet, larrive de nouveaux appels temps rels aboutira la rduc-tion progressive et adaptative des ressources restantes partages entre les appels nontemps rel. Ainsi, lauteur assure la plus grande priorit aux trafics UGS et rtPS touten maximisant le dbit global par une attribution adaptative de la bande passante auxautres trafics. Ce principe, faisant autorit dans la littrature, sert de base llaborationdu contrle dadmission dvelopp au chapitre 5. En outre, nous voyons au travers de(Benameur et al., 2001), une base thorique menant un partage efficace et quitabledes ressources radio disponibles. En effet, ce travail constitue la base des algorithmesvolus de contrle dadmission. Il propose une gestion indpendante des trafics tempsrel et non temps rel. Les premiers reoivent en priorit les ressources demands, lesautres se partagent quitablement la bande passante laisse libre. Par contre aucun des

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deux trafics nobtiendra une nouvelle connexion si les trafics non temps rel ne dis-posent plus dun minimum de bande passante. Ce principe vise empcher la famine

de ressource pour les trafics non temps rel. Dans une toute autre approche, nous pr-sentons les travaux de (Ball et al., 2005). Ce travail propose un ordo

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