2_Couverture -Codes UMTS - Pfe -Smi Tabbane -Bougares-Kamel

Cycle de formation des ingnieurs en Tlcommunications

Option :

Rseaux et Services Mobiles

Rapport de Projet de fin dtudes

Thme :

Dveloppement dun outil de simulation de la couverture radio en UMTS

Ralis par :

Kamel BOUGARES

Encadrants :

M. Sami TABBANE

M. Hichem GHARBI

Anne universitaire : 2005/2006

Ddicaces

A mon cher pre Ali & ma chre mre Aicha A mes chres surs Nejeh, Awatef, Mounira, Fethia A mes oncles et toute ma famille A mes ami(e) s A tous mes enseignants A tous ceux qui mont aid raliser ce travail A tous que jaime et maiment

A tous ceux- ci je ddie ce travail

Remerciements

Je tiens exprimer ma profonde gratitude mes encadreurs de projet de fin dtudes dingnieur, M. Sami TABBANE matre de confrence SUPCOM et M. Hichem

GHARBI pour les efforts quils ont consenti et les prcieux conseils quils ont prodigus.

Mes sincres remerciements iront aussi tous mes enseignants pour la qualit de lenseignement quils ont bien voulu me prodiguer durant mes tudes afin de me donner une

formation efficace.

Jexprime toute ma gratitude envers tous ceux qui nont pas hsit maider, ainsi que le personnel de ladministration de SUPCOM pour llaboration de ce projet

Finalement, je remercie les membres de jury pour avoir accepter dvaluer ce travail.

Du fond du coeur, merci.

Kamel

Table des Matires

Introduction Gnrale.............................................................................................................. 1 Chapitre I : Introduction au rseau UMTS........................................................................... 3 Introduction .............................................................................................................................. 3 I. Le systme UMTS................................................................................................................. 3

I.1 Prsentation de lUMTS ................................................................................................... 3 I.2 Architecture dun rseau UMTS....................................................................................... 4

I.2.1 Le rseau daccs UTRAN ........................................................................................ 4 I.2.1.1 Le Node B ........................................................................................................... 4 I.2.1.2 Le RNC ............................................................................................................... 5 I.2.1.3 Les interfaces ...................................................................................................... 5

I.2.2 Le rseau cur CN..................................................................................................... 5 I.2.3 Lquipement utilisateur UE...................................................................................... 6

II. Les modes daccs ............................................................................................................... 6 II.1 Le Spectre de frquence .................................................................................................. 6 II.2 Le Mode TDD ................................................................................................................. 7 II.3 Le Mode FDD.................................................................................................................. 7

III. La couche physique du rseau UMTS ............................................................................ 7 III.1 La technique daccs multiple CDMA........................................................................... 7 III.2 Principe du DS-CDMA .................................................................................................. 8

III.2.1 Les interfrences intracellulaires............................................................................. 9 III.2.2 Les interfrences intercellulaires........................................................................... 10

III.3 Les codes dtalement .................................................................................................. 10 III.3.1 Les codes dembrouillage.......................................................................................... 11

III.3.2 Les codes de canalisation ...................................................................................... 11 III.4 Les canaux de trafic en mode FDD.............................................................................. 13

IV. Mcanismes du rseau daccs radio ............................................................................. 14 IV.1 Le handover.................................................................................................................. 14

IV.1.1 Le softer handover ................................................................................................ 14 IV.1.2 Le soft handover.................................................................................................... 14 IV.1.3 Le hard handover .................................................................................................. 15

IV.2 Le contrle de puissance .............................................................................................. 15 IV.2.1 Le contrle de puissance en boucle ouverte.......................................................... 16 IV.2.2 Le contrle de puissance en boucle ferme .......................................................... 16

Conclusion............................................................................................................................... 17 Chapitre II : Planification de la couverture radio UMTS.................................................. 18 Introduction ............................................................................................................................ 18 I. Les services du rseau UMTS............................................................................................ 18

I.1 Domaines des services UMTS........................................................................................ 18 I.2 Evolution de la chane de valeurs ................................................................................... 21 I.3 Les Services End User Centric ....................................................................................... 23

II. Dimensionnement.............................................................................................................. 26 II.1 Objectifs du dimensionnement ...................................................................................... 26 II.2 Le bilan de liaison.......................................................................................................... 26

II.2.1 Les paramtres du bilan de liaison ......................................................................... 26 II.2.2 Bilan de liaison pour le lien montant...................................................................... 28 II.2.3 Bilan de liaison pour le lien descendant ................................................................. 28

II.3 La propagation dans lenvironnement radio.................................................................. 30 II.3.1 Les modes de propagation ..................................................................................... 30 II.3.2 Les chelles de variation........................................................................................ 30

II.3.2.1 Variations grande chelle.............................................................................. 31 II.3.2.2 Variations moyenne chelle.......................................................................... 31 II.3.2.3 Variations petite chelle............................................................................... 31

II.3.3 Les modles de propagation ................................................................................... 31 II.3.3.1 Le modle COST 231 Hata ............................................................................. 31 II.3.3.2 Le modle de Walfisch-Ikegami..................................................................... 32

II.4 Estimation du rayon de la cellule .................................................................................. 34 Conclusion............................................................................................................................... 35 Chapitre III : Simulation de la couverture radio ................................................................ 36 Introduction ............................................................................................................................ 36 I. Le cahier de charge du simulateur.................................................................................... 36

I.1 Les inputs ........................................................................................................................ 36 I.2 Les Outputs ..................................................................................................................... 36

II. Les donns utiliss par le simulateur............................................................................... 37 II.1 Les paramtres du bilan de liaison ................................................................................ 37

II.1.1 Paramtres dinitialisation ...................................................................................... 38 II.1.2 Les services offerts ................................................................................................. 39 II.1.3 Paramtres de la liaison montante .......................................................................... 40 II.1.4 Paramtres de la liaison descendante...................................................................... 41

II.2 La zone planifier ........................................................................................................ 42 III. Les rsultats obtenus ....................................................................................................... 42

III.1 Planification pour un seul service ................................................................................ 43 III.2 Planification pour plusieurs services............................................................................ 44 III.3 Visualisation des rsultats sur la carte.......................................................................... 47

Conclusion............................................................................................................................... 48 Conclusion Gnrale .............................................................................................................. 49 Bibliographie........................................................................................................................... 50 Abrviations............................................................................................................................ 51

Liste des figures

Figure I.1 : Architecture du rseau UMTS 4 Figure I.2 : Spectre de frquence (GHZ) .. 6 Figure I.3 : Etalement de spectre par squence directe.. 9 Figure I.4 : Arbre de gnration des codes OVSF12 Figure I.5 : Mcanisme de soft handover en UMTS.15 Figure II.1 : Evolution du rseau UMTS..19 Figure II.2 : Chane de valeurs 2G21 Figure II.3 : Chane de valeurs 3G22 Figure II.4 : Approches services en UMTS..24 Figure II.6 : Processus de dimensionnement....26 Figure III.1 : Menu du simulateur ....37 Figure III.2 : Les paramtres dinitialisation38 Figure III.3 : La configuration des services..39 Figure III.4 : Les paramtres de la liaison montante....40 Figure III.5 : Les paramtres de la liaison descendante....41 Figure III.6 : La zone planifier...42 Figure III.7 : Les rsultats obtenus pour un seul service..43 Figure III.8 : Les rsultas(1).....44 Figure III.9 : Les rsultats pour le service 64/64 Kbps.45 Figure III.10 : Les rsultats pour le service 64/384Kbps..46 Figure III.11 : Rsultats (2)...47 Figure III.12 : Visualisation des rsultats sur la carte...48

Liste des tableaux

Tableau I.1 : Les interfaces radio en UMTS. 5 Tableau I.2 : Les caractristiques des modes daccs....... 7 Tableau II.1 : Les valeurs de K. 35

Introduction gnrale

Introduction Gnrale

Les deux caractristiques des tlcommunications, au cours de la dernire dcennie, sont

le dveloppement explosif des radiocommunications mobiles et lapparition de nouveaux

services en particulier lInternet et les applications multimdia. Les radiocommunications

mobiles de troisime gnration associent les dveloppements effectus dans ces deux

domaines.

Le rseau mobile de troisime gnration a t conu pour utiliser un mme support de

transmission pour le transport des applications en mode paquet et en mode circuit. LUMTS

(Universal Mobile Telecommunications System) constitue aujourdhui le rseau de troisime

gnration le plus connu. Ce systme permet doffrir une couverture et une mobilit

universelle, indpendamment de lenvironnement avec des dbits de service levs (objectifs

de 2 Mbit/s) et une efficacit spectrale suprieure aux systmes de deuxime gnration

existants.

La nouvelle mthode daccs WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access),

adopte pour le mode FDD du systme UMTS est totalement diffrente de celles qui existent

pour les rseaux 2G (Second Generation). En WCDMA, tous les utilisateurs partagent la

mme bande de frquence. Cest pour cette raison, quapparaissent des interfrences daccs

multiples. Afin de remdier ce type de problme, des mcanismes amliors de gestion des

ressources radio sont spcifis dans la norme. Ces modifications du rseau mobile actuel

ncessitent de nouvelles mthodes de dimensionnement, de planification qui seront diffrentes

de celles utilises en GSM (Global System for Mobile Communications).

Avant la mise en place dun rseau UMTS, les oprateurs sont engags faire la

planification pour garantir une bonne couverture radio. De ce fait, lutilisation dun outil de

simulation de la couverture radio savre dune extrme importance.

Projet de Fin dEtudes - 2005/2006 1

Introduction gnrale

Cest dans ce cadre que nous projet de fin dtudes sinscrit. On se propose de dvelopper

un simulateur UMTS permettant de prvoir la couverture radio.

Dans le premier chapitre de ce rapport, nous allons prsenter une vue gnrale du rseau

UMTS. Ensuite, nous allons mettre laccent sur de linterface radio en dtaillant la mthode

daccs utilise et les principaux canaux de trafic. Enfin, nous prsenterons les deux notions

de handover et de contrle de puissance.

Le deuxime chapitre sera rserv prsenter les diffrents services offerts par le rseau

UMTS. Ensuite, nous allons faire ltude complte du processus de la planification de la

couverture radio en dtaillant les paramtres du bilan de liaison.

Dans le dernier chapitre, nous allons prsenter loutil de simulation de la couverture radio

dvelopp dans le cadre de ce projet. Il permettra dtablir le bilan de liaison afin de

dterminer le rayon de la cellule. Ce rayon servira tracer les stations de base sur la carte de

la zone planifier et les rgions couvertes par chaque station.


Chapitre I Introduction au rseau UMTS


Introduction

Dans ce chapitre nous allons nous intresser au rseau UMTS. Nous allons commencer

par prsenter son architecture et les modes daccs quil utilise. Ensuite, nous dtaillons la

couche physique de ce systme et surtout mettre le point sur la technique daccs multiple

CDMA. Enfin, nous introduisons les deux notions savoir le handover et le contrle de

puissance.

I. Le systme UMTS I.1 Prsentation de lUMTS LUMTS pour Universal Mobile Telecommunications System dsigne une norme cellulaire numrique retenue dans la famille dite IMT 2000 comme norme pour les systmes

de tlcommunications mobiles de troisime gnration. Plusieurs objectifs ont t fixs pour

lUMTS. Tout dabord, il doit supporter des services multimdias large bande qui peuvent

atteindre un dbit de 2 Mbit/s. Il doit en plus assurer la convergence entre les rseaux fixes et

mobiles. Un autre objectif pour lUMTS est doffrir un service de mobilit universelle,

dpassant les limitations dues la multiplicit des systmes et des rseaux. Par consquence,

la couverture de lUMTS sera mondiale. Enfin, les rseaux UMTS doivent garantir une

qualit de service quivalente celle des rseaux filaires.

Cette norme est en cours de dveloppement par le partenariat de projet 3me Gnration

(3GPP) et un rassemblement de plusieurs organisations dveloppeuses de standards.



I.2 Architecture dun rseau UMTS Larchitecture dun rseau UMTS est divise en trois entits principales selon les

spcifications du groupe de normalisation 3GPP [5] [6]. La premire correspond au rseau

daccs radio UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), la seconde au rseau coeur

CN (Coeur Network) et la troisime lquipement terminal UE (User Equipement).

Figure 1.1 : Architecture du rseau UMTS

I.2.1 Le rseau daccs UTRAN

I.2.1.1 Le Node B

Son rle principal est dassurer les fonctions de rception et de transmission radio pour

une ou plusieurs cellules de lUTRAN, c'est--dire quil peut comporter une antenne

omnidirectionnelle ou des antennes sectorielles. Il permet dassurer les fonctions de gestion

daccs au rseau coeur et des ressources sur linterface radio de lUMTS. Mais sa principale

tche est de grer la couche physique de linterface air avec ses diffrentes caractristiques

(codage canal, entrelacement, adaptation de dbit et talement).



I.2.1.2 Le RNC (Radio Network Controllers)

Le RNC est un organe trs important de lUTRAN, il permet de grer les ressources radio

du rseau daccs de faon quasi autonome, dchargeant de cette fonction complexe le coeur du

rseau. Il assure principalement le routage des communications entre noeud B et le rseau coeur

dune part et le contrle et la supervision du Noeud B dautre part.

I.2.1.3 Les interfaces

Tableau I.1 : Les interfaces radio en UMTS

I.2.2 Le rseau cur CN Il est constitu [7] dune partie commutation de circuits (MSC : Mobile Services Switching Center) et dune partie commutation de paquets (SGSN : Serving GPRS Support Nodes). Bien

entendu, les noeuds de signalisation, de gestion de mobilit et des services IN (Intelligent

Network), HLR (Home Location Register), AuC (Authentication Center), EIR (Equipment

Identity Register) subiront une mise jour pour intgrer les nouveauts de lUMTS.

Le CN permet linterfaage du rseau UTRAN avec les rseaux distants tels que RTCP

(Rseau Tlphonique Commut Public), rseaux Internet, LAN (Local Area Network) distants.

Sa principale fonctionnalit, en plus de la gestion de localisation et du contrle des paramtres

du rseau, est la commutation et le routage des donnes utilisateurs et de signalisation entre les

terminaux mobiles et les rseaux distants via linterface radio.



I.2.3 Lquipement utilisateur UE LUE consiste [8] en un ME (Mobile Equipement) et un USIM (UMTS Subscriber

Identity Module). Le ME est le terminal radio employ pour la communication radio sur

linterface radio Uu. LUSIM est une carte puce dans laquelle sont stockes toutes les

donnes concernant lutilisateur et son abonnement telles que son identit, les cls de

chiffrement et dauthentification.

II. Les modes daccs

II.1 Le Spectre de frquence Le spectre de frquence allou lUMTS contient des bandes rserves lUMTS-FDD

et dautres lUMTS-TDD. On distingue [9] :

Deux bandes de frquences attribues lUMTS-FDD : la premire allant de 1920 MHz

1980 MHz pour la liaison montante et la deuxime de 2110 MHz 2170 MHz pour la liaison

descendante.

Deux bandes de frquences attribues lUMTS-TDD : la premire allant de 1900 MHz

1920 MHz et la deuxime de 2010 MHz 2025 MHz.

Figure 1.2 : Spectre de frquence (GHZ)

La norme UMTS prsente deux techniques de multiplexage sur linterface radio : le TDD

(Time Division Duplex) et le FDD (Frequency Division Duplex). Dune manire gnrale, le

mode FDD est bien adapt tous les types de cellules, y compris les grandes cellules,

mais nest pas trs souple pour grer des trafics asymtriques. Quant au mode TDD, il permet

dadapter le rapport de transmission montante/descendante en fonction de lasymtrie du trafic,

mais exige une synchronisation des stations de base et nest pas bien adapt aux grandes

cellules cause du temps de garde trop important.



II.2 Le Mode TDD En TDD, une seule et unique frquence est utilise alternativement par les deux voies de

communications. Ce mode utilise une technique daccs multiple mixte TD/CDMA contenant

une composante TDMA et une composante dtalement de spectre lintrieur des intervalles

de temps avec sparation par codes.

II.3 Le Mode FDD

En FDD, chaque sens de communication (mobile vers le rseau et rseau vers mobile)

utilise deux frquences radio spares. Le mode FDD utilise le concept W-CDMA (Wideband

CDMA). Il sagit dune technique daccs multiple par rpartition de code utilisant une

modulation par squence directe

Le tableau (I.1) prsente les caractristiques de chacune de ces deux techniques.

Tableau I.1 : Les Caractristiques des modes daccs [4]

III. La couche physique du rseau UMTS III.1 La technique daccs multiple CDMA Les deux modes de fonctionnement possibles, W-CDMA et TD-CDMA, utilisent un accs

CDMA (Code Division Multiple Access) 3.84 Mchips/sec dans une canalisation frquentielle

de 5 MHz. Lintrt dune telle largeur de bande est sa compatibilit avec la fourniture de

dbits 384 kbits/s, comme requis dans les spcifications de lIMT 2000, voire mme 2 Mbits/s

sous certaines conditions. La modulation utilise est la QPSK. Deux options ont t retenues



pour le codage de canal :

Un code convolutif de taux 1/2 ou 1/3 Un turbocode, recommand pour les services de trs haute qualit.

Le CDMA est aussi connu sous le nom d'accs multiple par talement de spectre. En effet,

l'talement de spectre est la technique sur laquelle repose le CDMA et qui permet plusieurs

utilisateurs d'tre prsents simultanment sur une mme bande de frquence. Cette technique

permet de transmettre un signal d'information sur une largeur de bande plusieurs fois suprieure

la largeur de bande ncessaire pour transmettre le signal. Dans un systme talement de

spectre, le signal transmis est tal partir d'un code indpendant du message d'information.

Aprs s'tre synchronis avec l'metteur, le rcepteur doit utiliser ce mme code pour dstaler

le signal et pouvoir par la suite rcuprer le message d'information.

La technique d'accs multiple par rpartition de codes se base donc sur une division

suivant les codes et pour distinguer physiquement entre les utilisateurs, il faut utiliser des codes

orthogonaux. Ceci se base sur des modulations talement de spectre pour lesquelles chaque

utilisateur possde un code d'talement priv. Ces modulations peuvent tre ralises par

diverses techniques dtalements tel que le saut de frquences, le balancement temporel ou la

technique de squence directe (DS). Cette dernire technique est la plus utilise en UMTS.

III.2 Principe du DS-CDMA Le DS-CDMA ou CDMA squences directes consiste multiplier le signal binaire

d'information par une squence binaire pseudo alatoire (code PN Pseudorandom Noise) dont

la frquence des symboles (appel chip) est beaucoup plus leve que la frquence des

symboles du signal. Cela a donc pour effet d'taler la largeur de bande du signal. De mme, la

puissance du signal se retrouve rpartie sur toute la nouvelle largeur de bande. Le signal se

retrouve alors noy dans le bruit (ce bruit est constitu de toutes les sources d'interfrences et

du bruit thermique). A l'arrive, le signal tal est re-multipli par le mme code PN. Les

caractristiques particulires des codes PN (notamment l'orthogonalit entre eux) font que l'on

peut ainsi retrouver le signal de dpart. En effet, le signal arrive au rcepteur noy dans le bruit

et la multiplication par la squence pseudo-alatoire permet d'extraire le signal car seul le signal

qui avait t multipli au dpart par cette squence verra sa largeur de bande rduite, tandis que

le bruit restera tal sur la largeur de bande totale.



Information binaire

Code de canalisation

Modulation et mission

Code dembrouillage

Horloge Chip

Figure 1.3 : Etalement de spectre par squence directe

On constate que le signal tal rsiste fort bien aux interfrences. C'est grce cette

robustesse vis--vis des interfrences que l'accs multiple est possible. Cependant, mme si les

usagers sont spars entre eux par leur code PN respectif, une autre condition est ncessaire

pour assurer que le message transmis pourra tre dcod avec un minimum d'erreur : le rapport

Eb/N0 du signal la rception doit tre suffisamment lev. Eb reprsente l'nergie par bit du

signal reu (en Joule) et N0 la densit spectrale du bruit (interfrences+bruit thermique) (en

Watt/Hz). Ce rapport est directement li au rapport signal bruit SIR (Signal to Interference

Ratio), rapport de la puissance du signal reu sur la puissance du bruit, par lquation suivante :

Eb/N0 = SIR * W/R (I.1)

On met ainsi en vidence un paramtre cl de tout systme d'accs radio talement de

spectre qui est le gain de traitement (Processing Gain). Ce dernier est dfini comme le rapport

de la largeur de bande occupe par le signal d'information aprs (largeur de bande W) et avant

(largeur de bande R) talement. Ainsi, on voit que plus le rapport W/R est grand (donc plus le

signal est tal), plus on peut se permettre un rapport signal bruit petit tout en assurant un Eb

suffisamment lev, d'o l'importance de ce gain de traitement.

Deux types dinterfrences peuvent affecter la transmission radio savoir les interfrences

intracellulaires et les interfrences intercellulaires.

III.2.1 Les interfrences intracellulaires Elles reprsentent l'interfrence mutuelle entre les utilisateurs de la cellule. Des codes

orthogonaux sont utiliss la fois dans la voie descendante et dans la voie montante, et si cette



orthogonalit tait prserve alors les signaux des diffrents usagers de la cellule seraient d-

corrls entre eux et il n'y aurait pas d'interfrences intracellulaires.

Dans la voie descendante, en absence de trajets multiples, les signaux gardent leur

orthogonalit car ils sont transmis aligns dans le temps par la station de base: les codes sont

synchroniss en temps (les stations de base respectent en effet une rfrence de temps unique

pour transmettre, cette rfrence de temps pouvant tre fournie par un systme de navigation

par satellite). Dans la ralit on a toujours des trajets multiples, c'est--dire que plusieurs copies

du signal transmis arrivent au rcepteur des instants diffrents. Du fait de ces trajets multiples,

les codes dans la voie descendante ne restent pas parfaitement orthogonaux, et on introduit

donc dans ce sens un facteur d'orthogonalit w, w = 0 correspondant une orthogonalit

parfaite et pas d'interfrences intracellulaires, w = 1 correspondant au fait que tous les signaux

de la cellule interfrent pleinement entre eux. A la diffrence de la voie descendante, dans la

voie montante, toujours en absence de trajets multiples, les signaux des diffrents utilisateurs de

la cellule ne restent pas orthogonaux car les utilisateurs de la cellule transmettent de faon

indpendante et non synchronise. Ainsi, dans le sens montant, les signaux interfrent

pleinement avec ou sans trajets multiples.

III.2.2 Les interfrences intercellulaires Dans le sens montant, l'interfrence intercellulaire reprsente les interfrences dues aux

signaux envoys par les mobiles des cellules voisines et qui viennent constituer du bruit

supplmentaire au niveau de la rception la station de base de la cellule. Dans le sens

descendant, l'interfrence intercellulaire reprsente les interfrences dues aux signaux envoys

par les stations de base des cellules voisines et qui viennent constituer du bruit supplmentaire

au niveau du mobile en rception.

III.3 Les codes dtalement Avec le rseau UMTS loprateur cherche offrir aux utilisateurs plusieurs services avec

des dbits et des taux derreurs variables. Pour cela, il faut utiliser un groupe de codes

dtalement, ces derniers peuvent tre diviss en deux groupes :

Les codes de canalisation. Les codes dembrouillage.



III.3.1 Les codes dembrouillage Le scrambling ne provoque pas d'talement, il s'agit simplement d'une multiplication

chip chip d'un signal tal par une squence dite de scrambling. Pour le scrambling uplink, il

existe 224 codes. Ces codes ou squences, vont donc sparer les mobiles entre eux, ils sont

attribus par les couches hautes du rseau.

On a deux types de codes : les codes longs (des portions de squences de Gold) et les codes

courts. Ces derniers sont utiliss dans le cas de dtection multi-utilisateurs au niveau de la

station de base. Le premier type est utilis dans le cas de dtection mono-utilisateur.

Actuellement, les codes dembrouillage courts de longueur 256 chips sont utiliss puisque la

station de base est quipe dun annuleur dinterfrences ou dun dtecteur multi-utilisateur.

Pour le scrambling downlink, il existe 8192 codes qui vont permettre de sparer les stations

de base entre elles. Chaque station de base peut scrambler les donnes dun utilisateur avec une

squence parmi un jeu de 512 mises sa disposition. Ces codes sont des portions de squences

de Gold; ces portions ont une longueur de 38400 bits et leur priode est donc de 10 ms (dure

de la trame UMTS).

Les codes dembrouillage sont rpartis comme suit [9] :

512 codes dembrouillage primaires. Ces codes sont diviss en 64 groupes de 8 codes chacun. Le code dembrouillage primaire consiste aux nimes codes dembrouillage

avec n=16*i et i=0511. Le jime groupe est constitu des codes primaires dembrouillage

16*8*j+16*k, o j=0..63 et k=0..7. A chaque cellule est attribu un unique code

dembrouillage primaire.

15 codes dembrouillage secondaires pour chaque code dembrouillage primaire. Le iime groupe de codes dembrouillage secondaires est constitu des codes

dembrouillage 16*i+k, o i = 0..63 et k=1..15. III.3.2 Les codes de canalisation Les codes de canalisation permettent essentiellement de transformer les donnes en un

nombre de chips. Le nombre de chips par bit de donnes est appel facteur dtalement (SF).

En liaison descendant (DL), les codes de canalisation permettent de distinguer entre

les utilisateurs dune mme cellule c'est--dire un code par utilisateur. En liaison ascendant

(UL), ils permettent de distinguer donnes et contrle dun mme utilisateur [9]. En mode

downlink, on a intrt utiliser des squences d'talement orthogonales. En effet, il n'y aura pas

de dsynchronisation temporelle des squences entre elles et l'orthogonalit pourrait tre



conserve. Cependant, les multitrajets du canal de propagation vont en partie dtruire cette

proprit d'orthogonalit. Le problme consiste malgr cela identifier un jeu de squences

d'talement orthogonales alors qu'elles sont de longueurs diffrentes. L'UMTS propose alors

une technique appele OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). Il s'agit simplement

d'un algorithme de choix de squences sur un arbre de Hadamard. Ces codes sont de longueur

variable ce qui permet davoir diffrents SF (Spreading Factor) variant entre 4 et 256 en UL et

4 et 512 en DL. De ce fait, diffrents dbits peuvent tre assurs.

SF =1 SF = 2 SF = 4

Figure I.4: Arbre de gnration des codes OVSF

La figure (I.4) reprsente un arbre qui dfinit la longueur du code pour un certain facteur

dtalement. La longueur du code dtalement est inversement proportionnel au dbit

utilisateur. Un mobile ne peut pas utiliser tous les codes canaux simultanment. Lorsqu'une

squence correspondant une branche de l'arbre est retenue, toutes les squences des branches

manant de cette branche sont interdites. Cette technique rduit le nombre de squences

possibles mais permet ainsi d'assurer le maintien de l'orthogonalit entre squences de

longueurs diffrentes.

Ainsi, pour chaque communication, le rseau alloue un code de canalisation au mobile

pour la transmission de son canal montant DPCCH (Dedicated Physical Control CHannel) et

au moins un code de canalisation pour la transmission de son canal montant DPDCH

(Dedicated Physical Data CHannel).



III.4 Les canaux de trafic en mode FDD Comme en GSM et en GPRS, on distingue les canaux physiques et les canaux logiques

auxquels viennent sajouter un type intermdiaire savoir les canaux de transport [10]. Les

canaux logiques correspondent aux diffrents types dinformation vhiculs par les protocoles

radio de lUTRAN.

On distingue deux canaux logiques de trafic :

Le DTCH (Dedicated Trafic Channel) utilis pour transmettre les donnes sur un

canal de communication connect au rseau dun mobile donn.

Le CTCH (Common Trafic Channel) est un canal unidirectionnel utilis pour

transmettre des informations un groupe dutilisateurs donn.

Les canaux de transport sont utiliss pour multiplexer plusieurs services dun ou plusieurs

utilisateurs.

Les canaux logiques de trafic prcdents sont organiss par la couche MAC dans les trois

canaux de transport suivants :

DCH (Dedicated Channel) : cest le seul canal de transport ddi. Il peut tre

utilis dans les deux sens. Ainsi, lorsque le rseau dcide dallouer des

ressources de trafic ddi une communication mobile rseau, le canal logique

DTCH sera support par des canaux de transport de type DCH.

FACH (forward Shared Channel) : cest un canal de transport commun

unidirectionnel (rseau vers mobile)

DSCH (Downlink Shared Channel) : ce canal est une variante du FACH. Cest

galement un canal de transport partag unidirectionnel rseau vers mobile.

Les canaux de transport sont rellement supports par les canaux physiques. Ceci est assur par

la couche physique.

DPDCH (Dedicated physical Data Channel) : cest un canal physique qui

transporte les canaux de transport ddis DCH. Il reprsente une partie des

canaux physiques ddis sur le lien descendant DPCH (Dedicated Physical

Channel). Lautre partie cest celle du contrle DPCCH (Dedicated Physical

Control Channel).

PDSCH (Physical Downlink Shared Channel): ce canal physique transporte le

canal de transport DSCH.

S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel) : ce canal physique

permet de supporter le canal de transport FACH.



IV. Mcanismes du rseau daccs radio IV.1 Le handover Le handover gre la mobilit des usagers. Notons que les terminaux mobiles et les stations

de base utilisent plusieurs rcepteurs corrlation qui forment un rcepteur de Rake pour

rcuprer le maximum d'nergie du signal sur les diffrents trajets emprunts et ventuellement

sur les diffrentes antennes. Diffrents types de handover existent suivant la position de l'usager

mobile dans la cellule : soft handover, softer handover ou hard handover.

Lutilisation du soft handover et du softer handover permet d'accrotre les performances de

la liaison en y ajoutant une forme de diversit. Il est cependant ncessaire de minimiser les

situations de soft handover, sous peine de gaspiller les ressources et diminuer la capacit du

systme. Le traitement de handover est dfini pour les services de type circuits et les services de

types donns. Pour le premier cas de figure, les handovers peuvent tre implants comme soft,

softer ou hard handover. Pour les services de types donns, le seul type de handover dfini est la

re-slection de cellule.

IV.1.1 Le softer handover Le softer handover se produit quand les stations de base sont sectorises. Ainsi, quand le

terminal mobile se trouve dans une zone de couverture commune deux secteurs adjacents

d'une mme station de base, les communications avec la station de base empruntent

simultanment deux canaux radio, un pour chaque secteur. Deux codes d'talement doivent

alors tre utiliss dans le sens DL afin que le terminal mobile puisse distinguer les deux signaux

issus des deux secteurs et on a donc deux connexions simultanes pour cet usager. Dans le sens

UL, les signaux provenant du terminal sont reus par les deux secteurs de la station de base et

routs vers le mme rcepteur de Rake. Les signaux sont ainsi combins au niveau de la station

de base. On compte gnralement 5 10 % des terminaux mobiles d'une cellule qui sont en

situation de softer handover.

IV.1.2 Le soft handover Durant un soft handover, le terminal mobile se trouve dans la zone de couverture

commune deux stations de base. L'tat o un mobile est en liaison avec deux stations de base

ou plus est appel macrodiversit. Les communications entre le terminal mobile et les stations

de base utilisent simultanment deux canaux radio, un pour chaque station de base. Du point de



vue du terminal mobile, il existe trs peu de diffrences entre le softer et le soft handover.

En revanche, dans le sens UL ces deux handovers diffrent car, dans le cas du soft

handover, les signaux reus par les stations de base sont routs et combins au niveau du RNC.

Cela permet cette dernire de slectionner la meilleure trame reue. Un usager mobile peut

tre en situation de soft handover avec deux, trois ou quatre stations de base. Si il quitte la zone

de couverture commune pour se rapprocher d'une station de base, alors cette dernire le prend

en charge.

Figure I-5 : Mcanisme de soft handover en UMTS

Le soft handover permet de limiter la perte de connexion quand un usager se dplace vers

une autre cellule. On considre que 20 40 % des usagers sont en situation de soft handover. Il

est donc indispensable de prendre en compte les connexions supplmentaires dans une cellule

dues au soft handover lors du dimensionnement du rseau.

IV.1.3 Le hard handover Il existe deux autres types de hard handover : le hard handover inter-frquences qui

permet un terminal mobile de passer d'un spectre de frquence un autre et le hard handover

inter-systmes qui permet au terminal mobile de passer d'un systme un autre comme d'un

mode FDD un mode TDD ou pour passer dun systme 2G un systme 3G (pendant la

priode de coexistence des deux systmes).

IV.2 Le contrle de puissance Comme nous l'avons vu prcdemment, il faut s'assurer qu' la rception le rapport Eb/N0

est suprieur un certain seuil critique pour assurer le dcodage du signal reu. Pour cela,



lmetteur (le mobile ou la station de base) peut augmenter sa puissance dmission. Le but du

contrle de puissance est de veiller ce que chaque mobile ou chaque station de base envoie le

minimum de puissance ncessaire pour que le rapport Eb/N0 soit au niveau du seuil requis. Ceci

amliore la capacit du systme en minimisant les interfrences. Une autre utilit du contrle de

puissance est de palier aux fluctuations de puissance dues aux pertes dans le milieu extrieur.

Les deux types de contrle de puissance utiliss dans les systmes fonds sur le CDMA

sont le contrle de puissance en boucle ouverte OLPC (Open Loop Power Control) et le

contrle de puissance en boucle ferme CLPC (Closed Loop Power Control).

IV.2.1 Le contrle de puissance en boucle ouverte Ce type concerne uniquement le mobile (sens montant) et son but est de dterminer le

niveau de puissance du signal transmettre avant de rentrer en communication avec la station

de base. Ce niveau de puissance est calcul en fonction de l'affaiblissement de parcours ou

pathloss mesur dans la voie descendante sur des canaux dfinis dans ce but par le rseau. Le

contrle de puissance en boucle ouverte permet de compenser des vanouissements long

terme (affaiblissement de parcours du des distances importantes entre l'metteur et le

rcepteur) et, en particulier, les vanouissements dus au phnomne de l'effet de masque ou

shadowing (vanouissement du la prsence d'obstacles tels que des arbres, des collines ou des

immeubles).

Une trs forte hypothse prise en compte dans le contrle de puissance en boucle ouverte

est de considrer que les vanouissements dans les voies montante et descendante sont

identiques. Or, en mode FDD o la voie descendante et la voie montante se trouvent dans des

frquences diffrentes, ce type de contrle de puissance n'est pas trs efficace pour compenser

les effets des vanouissements rapides car ces derniers dpendent de la frquence porteuse du

signal de transmission et de la vitesse du mobile. En effet, les vanouissements rapides sont

caractriss par des variations rapides de la puissance du signal dans des intervalles de temps

assez courts, et ils trouvent leur origine dans les rflexions du signal transmis sur les diffrents

obstacles et dans la vitesse relative entre le mobile et la station de base. Cela entrane une

dgradation de type effet doppler avec un dcalage en frquence.

IV.2.2 Le contrle de puissance en boucle ferme Le contrle de puissance en boucle ferme est utilis dans le but de compenser les

vanouissements rapides. Il est appel boucle ferme puisque, la diffrence du contrle de



puissance en boucle ouverte, le rcepteur concern calcule des commandes de contrle et les

envoie la source mettrice pour que celle-ci rgle sa puissance d'mission.

Une fois que le mobile a tabli un lien de communication avec la station de base, le

contrle de puissance en boucle ferme est activ. Dans la voie montante, la station de base

mesure de manire permanente la qualit du signal en termes du rapport Eb/N0. Si la qualit du

signal est en dessus de la valeur Eb/N0 cible, la station de base envoie une commande sur le

canal descendant au mobile pour lui demander de rduire la puissance d'mission. Par contre, si

la qualit du signal est en dessous de cette valeur, la station de base demande au mobile

d'augmenter la puissance d'mission. Ces informations sur lajustement des puissances

dmission sont transmises chaque time slot soit toutes les 0.67 ms via le canal de contrle

ddi.

Conclusion Dans ce chapitre, nous avons tudi tout dabord larchitecture du rseau UMTS. Puis,

nous avons vu les caractristiques de la couche physique savoir la mthode daccs CDMA.

En outre, nous avons introduit les deux notions de handover et de contrle de puissance, deux

notions critiques au niveau du rseau UMTS du fait quelles influent sur la qualit et la

capacit du rseau.

Dans le chapitre suivant nous allons prsenter les caractristiques des services offerts par le

rseau UMTS et faire ltude complte du processus de la planification de la couverture radio.


Chapitre II Planification de la couverture radio UMTS


Introduction

En UMTS, le dimensionnement dune zone quelconque ncessite lanalyse du bilan de

liaison entre mobile et station de base afin de calculer le pathloss maximal et dterminer le rayon

de la cellule. Ce chapitre se divise en deux parties. La premire est rserve prsenter les services

offerts par le rseau UMTS. La deuxime est consacre dtailler le processus de la

planification de la couverture radio en UMTS.

I. Les services du rseau UMTS I.1 Domaines des services UMTS Le rseau cur de lUMTS utilise les architectures des rseaux existantes, il sappuie sur

les lments de base du rseau GSM et GPRS. Le rseau cur est en charge de la commutation

et du routage des communications (voie et donnes) vers les rseaux externes. Ce rseau se

dcompose en deux parties :

Le domaine circuit : il permettra de grer les services de temps rels ddis aux

conversations tlphoniques (vido-tlphonie). Linfrastructure sappuiera sur les principaux

lments du rseau GSM et GPRS afin davoir une connexion directe avec le rseau externe.

Le domaine paquet : il permettra de grer les services non temps rels (navigation Internet, e-mails). Les donnes transiteront en mode paquet. Linfrastructure sappuiera sur les principaux

lments du rseau GPRS.



LUMTS prsente des avantages qui s'appliquent autant aux communications vocales

qu'aux transferts de donnes. Comme la technologie exploite une bande de frquences plus large,

elle permet de passer trois fois plus dappels. En thorie, lUMTS devrait donc remdier la

saturation des rseaux existants et proposer des services de meilleure qualit. Le dbit cinq dix

fois plus rapide laisse apparatre le dveloppement de nouvelles applications, notamment dans le

domaine du multimdia (visiophonie, diffusion de contenu vido et audio, MMS vido ou audio).

Le haut dbit mobile facilite aussi laccs aux donnes, web et e-mails, en situation de mobilit.

Figure II.1 : Evolution du rseau UMTS

A l'heure actuelle, l'UMTS est pass en diffrentes versions ou releases dnommes R99

(finalise et sur la base de laquelle seront dploys les premiers rseaux), puis les versions R4 et

R5 [11] :

Les caractristiques majeures de la release 99 sont : Pour la partie accs UTRAN, de nouvelles stations de base (Node B) remplaceront les

BTS du GSM et les RNC de capacit accrue remplaceront les BSC. L'UTRAN reposera sur les

principes de l'ATM (Asynchronous Transfer Mode).

Pour le rseau cur, il garde partiellement les lments constitutifs du GSM/GPRS, tout en faisant voluer les MSC, GMSC, SGSN et GGSN. Le HLR (Home Location Register) volue

notablement du fait de l'introduction de nouveaux profils utilisateurs UMTS.



Des nouveaux terminaux bi-mode GSM/UMTS doivent voir le jour, munis de nouvelles

cartes UICC (Universal Integrated Circuit Card) recevant les applications SIM et USIM

(Universal Subscriber Identity Module). Les mcanismes de scurit de l'USIM sont renforcs en

particulier grce la longueur variable des paramtres de scurit pour l'algorithme

d'authentification.

Les Caractristiques majeures de la Release R4 sont :

Etablissement d'une session multimdia avec QoS garantie, Introduction du protocole IP, Transport dans l'UTRAN, Domaine IP multimdia : ensemble des services utilisant le domaine paquet comme

service support ;

Services : VoIP, services multimdia temps rel, travail partag, Les tlservices et services supplmentaires existants ne seront pas normaliss en

tant que services IP multimdia (mais on pourra raliser leur quivalent),

Les botes outils du GSM et de l'UMTS seront adaptes au domaine IP Multimdia (CAMEL, STK Sim Tool Kit, MexE -Mobile station application Execution

Environment).

La troisime gnration des rseaux mobiles se remet spectaculairement en selle avec

l'arrive de la 3,5 G, fonde sur la technologie HSDPA (High Speed Downlink Packet Access),

lien descendant du rseau vers le terminal haut dbit en mode paquet ; une mise jour

logicielle qui fournit le ultra haut dbit aux rseaux de tlphonie mobile 3G UMTS.

Les premiers rseaux pr-commerciaux se mettent en place. Certains annoncent des dbits

descendants de 3 4 Mbit/s dans un premier temps, contre 384 Kbps pour la 3G. La norme

prvoit d'atteindre 14 Mbit/s, avec un lien montant allant jusqu' 320 kbps.

Une autre alternative pour les oprateurs consiste desservir un nombre nettement plus

important d'abonns dans la mme zone de couverture, tout en conservant les dbits actuels.

Grce aux capacits tendues de transmission de donnes offertes par HSDPA, les oprateurs

UMTS vont tre en mesure de proposer des services haut dbit, tels que le streaming vido en

qualit DVD ou le tlchargement acclr de fichiers trs volumineux. Ils pourront aussi

augmenter considrablement le nombre d'abonns data grables sur leurs rseaux, optimisant

ainsi l'utilisation du spectre radio leur disposition. A titre d'exemple, HSDPA permettra aux



oprateurs d'accueillir jusqu' six fois plus d'utilisateurs UMTS dans une mme portion du

spectre, tout en les faisant bnficier de dbits sensiblement suprieurs.

En dmultipliant les canaux de donnes des rseaux UMTS, la technologie HSDPA ouvre

galement la voie au lancement par les oprateurs de la tlphonie sur IP (VoIP), ainsi que de

services multimdias plus volus sur leurs infrastructures mobiles. La VoIP 3G permet aux

oprateurs de prendre en charge des abonns voix plus nombreux moindre cot, et donc de

prenniser la rentabilit de leurs service.

I.2 Evolution de la chane de valeurs

Figure II.2 : Chane de valeur 2G

La chane de valeur 2G comporte quatre niveaux [11] :

En amont, les fournisseurs d'infrastructures rseaux (Ericsson, Alcatel, Nortel, Gemplus ) et les fournisseurs de terminaux (Ericsson, Motorola, Nokia ).

En second niveau, l'oprateur tlphonique. Le fournisseur de services ou de contenu est en retrait de la chane de valeur,

En troisime niveau les distributeurs, En quatrime niveau, l'utilisateur final avec un mobile, une carte SIM et un

abonnement (prpay ou post-pay).



La chane de valeur en 3G est plus complexe que celle en 2G :

En amont, les fournisseurs d'infrastructures rseaux (Ericsson, Alcatel, Nortel,

Gemplus ), les fournisseurs de terminaux (Ericsson, Motorola, Nokia ) et les

fournisseurs de plates-formes d'applications (Nokia ),

Figure II.3 : Chane de valeur 3G

En second niveau, toujours l'oprateur tlcoms, Le fournisseur de contenu devient un fournisseur de plateformes dapplications,

soit directement fournisseur des services,

En troisime niveau, le fournisseur de services (infrastructure de paiement scuris),

En quatrime niveau, les distributeurs, En cinquime niveau, l'utilisateur final avec un terminal, une carte SIM et un

abonnement.



I.3 Les Services End User Centric Les Services End User Centric sont des applications dveloppes par loprateur et ses fournisseurs en vue de dfinir un service pour labonn. En 2G, on distingue quatre catgories de services :

9 Communication : permettant dentrer en communication au sens large. o Appel tlphonique classique o Notification demail : rception dun SMS avec des informations sur lexpditeur,

le titre et les 100 premiers caractres du contenu de le-mail

o Echange de SMS o Session WAP : navigation sur des sites ddis au WML.

9 Vas : services additionnels o Information la demande (IOD) : Envois dinformation (mto, news) la

demande dun destinataire

o Jeux : En connexion avec le rseau de loprateur ou dautres utilisateurs ; possibilits de rponses de type quiz ou de vote

9 M-Commerce o Consultation cours de bourse. o Achats et ventes de titres.

9 Services localiss : ensemble dapplications permettant de localiser labonn pour lassister. o Conditions trafic temps rel (par SMS) o Information localise la demande (adresse du restaurant le plus proche). o My tracker : utiliser le mobile comme un outil de suivi ou de tarcking (personne

g en cas de malaise)

Lintrt de ces services est de gnrer de nouvelles sources de revenu. Il est ensuite

possible de dresser des business case permettant dtablir des scnarios afin de budgtiser

des revenus potentiels comparer ensuite avec le cot de mise en place du service.



Avec lintroduction des rseaux de 3me gnration, lapproche services comprendra deux

niveaux : Voix (revenus en diminution) et donnes (Data). Les grandes distinctions en mode

donnes : l'accs au contenu avec l'approche accs et la mobilit avec deux approches savoir

l'approche portail et lapproche services personnaliss qui englobe le canal Voix (voir figure

II.4).

Figure II.4 : Approches services en UMTS

On distingue quatre catgories de services quil est possible de les sparer en fonction de

leur sensibilit aux retards de transmission :

Conversational : temps rel, voix en mode circuit, voix en mode IP (VoIP), services de

vidoconfrence bidirectionnels. Le temps de transmission et les relations de temps entre

blocs de donnes doivent tre matriss.

Streaming : Ecoute ou visualisation de flux audio ou vido unidirectionnels ente un

serveur et un usager. Le retard est moins important car le rcepteur raligne les flux de

donnes reus mais les relations de temps entre blocs sont importants.



Interactive : Accs des serveurs de donnes : navigation Web, tlmesure. Il sagit

dchange de donnes entre un serveur et un usager en fonction des requtes de ce dernier.

Le temps daller et de retour est matris, les donnes sont fiables : faible BER (Bit Error

Rate).

Background : E-mail, messages courts (SMS), transfert de fichiers. Les exigences se

traduisent en terme de fiabilit : trs fiable BER. Le temps de transmission est moins

important que celui de la classe Interactive.

La catgorie la plus sensible aux retards de transmission est la classe Conversational, la

moins sensible tant la classe Background. La classe Streaming est adapte ventuellement au

transfert diffr dimages vido (Bufferisation).

Les deux premires classes conviennent pour le transport de trafic temps rel alors que

les deux dernires seront rserves pour des applications classiques dInternet telles que laccs

et la lecture de pages HTML. Du faite de leur nature non temps rel, ces deux dernires classes

rsistent galement mieux aux erreurs de transmission grce, notamment, la possibilit de

retransmission entre couches.

La classe Interactive possde une priorit plus leve que la classe Background qui ne

peut couler son trafic que lorsque les autres classes ne ncessitent pas de ressources de

transmission (notion de Best Effort).

Pour comprendre les enjeux de la russite des rseaux 3G, on pourra pour chacune de ces

quatre familles, et pour chaque service appartenant une de ces catgories, dfinir :

les bnfices pour loprateur ainsi que les sources de revenus. les bnfices pour lutilisateur notamment la valeur ajout du service. les cibles autrement dit quelles sont les cibles vises par ce type de service. les modifications techniques que cela implique et sur quel rseau. lintrt du march pour ce service en estimant sa demande potentielle.



II. Dimensionnement II.1 Objectifs du dimensionnement Le dimensionnement dun rseau cellulaire permet dassurer la minimisation du cot de

la liaison radio et de linfrastructure du rseau, en tenant compte de la couverture radio et de la

taille des cellules sous rserve de contraintes de la QoS. Le dimensionnement par la couverture

dun rseau UMTS permet essentiellement de calculer la taille de la cellule. Le rayon de cellule

est obtenu suite la ralisation dun bilan de liaison qui permet de dterminer laffaiblissement

maximal allou MAPL (Maximum Allowable PathLoss). Cette valeur servira pour le modle de

propagation afin de dterminer le rayon de cellule. Sachant la taille de la cellule, on pourra donc

dterminer pour la zone planifier le nombre de stations de base ncessaires.

La figure (II.5) pressente le processus de dimensionnement par couverture :

Donnes de dpart (Zone planifier, modle de trafic) Analyse du bilan de Nombre de cellules liaison WCDMA Rayon de la cellule

Figure II.5 : Le processus de dimensionnement

II.2 Le bilan de liaison II.2.1 Les paramtres du bilan de liaison

La ralisation du bilan de liaison repose principalement sur les paramtres suivants [1]:

Paramtres de transmission

Bruit thermique: sa puissance Nth est donne par k* T0 avec k est la constante

Boltzmann (k = 1.38*10-20 mW/Hz/K) et T0 = 293 K : Nth = -174 dBm/Hz.

Dbit Chip Tc : fix 3.84 Mchip/s.



Marge de fading de masquage (Shadowing margin): elle est due aux effets de masquage. Elle est en fonction de la probabilit de couverture de la cellule,

localisation de lUE et du Gain de Soft/Softer handover.

Marge de fading rapide (fading de Rayleigh). Il sagit dun fading rapide qui dpend de la qualit de service requise et de la nature de lenvironnement auquel appartient

l UE.

Paramtres de lquipement utilisateur

Puissance maximale (PUE) : elle varie selon la classe des mobiles. Pour les mobiles de classe 3, elle est de 24 dBm. Pour les mobiles de classe 4, elle est de 21 dBm.

Gain dantenne du mobile : GUE Pertes dans les cbles dalimentation de lantenne du mobile Lf

MS

Perte due au corps de lutilisateur : LBody.

Paramtres du Node B

Facteur de bruit NF (Noise Factor) : il sagit du facteur de bruit gnr au rcepteur.

Pertes de connecteurs et de feeders : LfNodeB Puissance maximale : la puissance maximale du NodeB intervient au niveau du

bilan de liaison pour le lien descendant : PNodeB

Gain dantenne : GNodeB

Paramtres lis aux services

Gain de traitement (Processing Gain) : Gp = 10* log (dbit chip / dbit service) (Eb/N0) requis : cette variable caractrise la qualit de service atteindre pour le

service considr. Elle varie en fonction de la mobilit de lutilisateur.

Gain de Soft handover (GSHO) : il correspond au gain que le mobile ralise dans une situation de soft handover. Dans cette situation, le mobile est connect plus

quune station de base et donc utilise une puissance minimale.

Marge dinterfrence (NRUL: Noise RiseUL) : Ce paramtre correspond au niveau daugmentation du bruit du laugmentation de la charge dans la cellule. Cette marge



dinterfrence est lie au facteur de charge (ul) qui mesure la charge de chaque lien (montant ou

descendant). La marge dinterfrence est importante si la capacit et donc la charge autorise

dans la cellule sont importantes .Ainsi, dans les zones urbaines, cette marge doit tre importante

alors que dans les zones rurales, la marge dinterfrence est faible. Le rseau doit tre planifi de

faon pouvoir supporter une certaine marge dinterfrence afin de garantir un rayon minimum

pour la cellule et ce, pour chaque service. La marge dinterfrence est donne par la formule

suivante :

-10* log (1- ul) (II.1)

II.2.2 Bilan de liaison pour le lien montant Pour le calcul du bilan de liaison pour le lien montant [1], il faut tout dabord dterminer

EIRP (Effective Isotropic Radiated Power). Elle correspond la puissance quil faudrait fournir

une antenne isotrope pour obtenir le mme champ la mme distance. Elle a lexpression

suivante :

EIRP (dBm) = PUE + GUE LBody LfMS

(II.2)

Laffaiblissement maximal admissible sur le lien montant est donne par :

LMax_UL = EIRP + GNodeB LfNodeB + GSHO MFad_Ray MFad_shad (II.3)

Avec :

MFad_Ray est la marge due au fading de Rayleigh.

MFad_shadow est la marge due au fading de masquage.

II.2.3 Bilan de liaison pour le lien descendant 9 Canal de trafic : Dans le cas du lien descendant, lexpression de EIRP (dBm) scrit

comme suit [1]: EIRP (dBm) = PNodeB + GNodeB LfNodeB (II.4)

Pour dterminer la perte maximale admissible, on calcule la somme totale des bruits et des

interfrences cres par tous les mobiles en suivant les tapes suivantes :



On calcule le facteur de bruit du rcepteur du NodeB. Son expression est donne par :

NNodeB = - Nth + NF +10* log (Tc) (II.5) On calcule la somme des interfrences reues au rcepteur. Sa valeur est donne par :

TOtint = 10* log [10*((NNodeB + NRul)/ 10) 10 ^ (NNodeB / 10)] (II.6) Finalement, on ajoute les bruits pour trouver la somme totale. Elle est donne par :

TOtint _ bruit = 10 * log [10^ (Totint / 10) + 10 ^ (NNodeB / 10) (II.7)

Une fois la valeur de la somme des bruits et des interfrences est calcule, on dtermine la

valeur de la sensibilit du rcepteur en utilisant la formule suivante :

SRx = (Eb / N0) + TOtint _ bruit Gp (II.8)

La perte de propagation maximum sur le lien descendant pour un canal de trafic est le suivant :

LTCH_DL

= EIRP SRx + GUE - LfMS

+ GSHO MFad_Ray MFad_shadow (II.9)

9 Canal pilote : La puissance du canal pilote doit tre ajust en fonction de la puissance de la puissance des canaux de trafic de sorte quelle ne soit pas trot lev. En effet, une puissance

importante du canal pilote a pour consquences la rduction de la puissance des canaux de trafic

et un niveau de brouillage important.

La perte de propagation maximum pour le canal pilote est exprime par la formule suivante :

LPILOT

= EIRP SRx + GUE - LfMS

+ GSHO MFad_shadow (II.10)



II.3 La propagation dans lenvironnement radio II.3.1 Les modes de propagation La propagation du signal dans un environnement radio se fait selon quatre modes de

propagation [3] :

La rflexion : Lorsque une onde, se propageant dans un milieu, rencontre un deuxime

milieu ayant des proprits lectriques diffrentes, elle est partiellement rflchie et transmise. Si

le deuxime milieu est un dilectrique parfait, une partie est rflchie et lautre est transmise sans

absorption. Sil est un conducteur parfait, toute lnergie incidente est rflchie sans perte. Le

coefficient de rflexion dpend des proprits du matriel, de la polarisation de londe, de langle

dincidence et de la frquence de londe en propagation.

La diffraction : Elle se produit lorsque le chemin entre lmetteur et le rcepteur prsente

plusieurs irrgularits aigus. Les ondes secondaires rsultant des surfaces gnantes sont

prsentes dans lespace et mme derrire les obstacles. Ce phnomne dpend aussi bien de la

gomtrie de lobjet que de lamplitude, la phase et la polarisation de londe incidente. Le

phnomne de diffraction est expliqu par le principe de Huygens qui nonce que tout point sur

lequel une onde se diffracte peut tre considr comme une source dondes secondaires, ces

ondes interfrent pour donner une onde dans la direction de propagation.

La diffusion : Lorsque le milieu dans lequel une onde se propage contient des objets qui

ont des dimensions plus petites par rapport la longueur donde, le phnomne de diffusion

apparat. Les ondes diffuses sont produites par les surfaces rugueuses, les petits objets ou par

dautres irrgularits prsents dans le canal de propagation.

La rfraction : quand une partie de lnergie de londe incidente passe travers la surface

de lobstacle (lair, une voiture .).

II.3.2 Les chelles de variation Il y a trois chelles de variation du niveau du champ lectromagntique reu par le mobile

[3] :



II.3.2.1 Variations grande chelle Ce phnomne porte le nom de pathloss. Lattnuation subite par le signal dpend de

lenvironnement de propagation, la frquence porteuse, la distance entre lmetteur et le

rcepteur.

II.3.2.2 Variations moyenne chelle Les btiments, le terrain (en extrieur) ou le mobilier ( lintrieur de btiment) ont une

influence sur la propagation du signal ce qui fait varier la valeur moyenne. Leffet de masque est

modlis par une loi log-normale. Lcart mesur entre la thorie et le terrain suit une loi de

Gauss en dB.

II.3.2.3 Variations petite chelle Cest le fading multi trajet. La propagation travers les obstacles se fait par des trajets

multiples. Le dphasage des signaux sur ces trajets multiples est alatoire ce qui implique que la

puissance du signal reu soit variable et alatoire.

II.3.3 Les modles de propagation II.3.3.1 Le modle COST 231 Hata Le modle COST 231 Hata a les mmes conditions que le modle dOkumura Hata sauf

quil est dvelopp pour tendre lutilisation de ce modle pour les bandes de 1500 2000 MHz.

Le pathloss est donn par la formule suivante [2] :

Lp = 46.33 + (44.9 6.55log (h1)) log (d) a (h2) 13.82log (h1) + C (II.11)

Lexpression de a (h2) dpend du type de la ville : petite et moyenne ville : a (h2) = (1.1log (f) 0.7) h2 1.56log (f) + 0.8 (II.12)

grande ville : a (h2) = 3.2log (11.75h2)) 2 7.97 (II.13)



La valeur de la constante C varie selon la nature du milieu : milieu urbain ; C = 0

milieu suburbain ; C = -51.11

milieu rural ; C = -30.23

II.3.3.2 Le modle de Walfisch-Ikegami Ce modle combine les approches empiriques et dterministes pour calculer les pertes de

propagation en milieu urbain. Il prend en compte aussi la perte de propagation en espace libre, la

perte par diffraction, la perte entre les toits des btiments voisins et linfluence des routes o le

mobile est situ. Les paramtres intervenant dans lexpression du modle sont les suivants [3] :

f : Frquence porteuse (MHz) :800 f 2000

h b: Hauteur dantenne (m) de la station de base par rapport au sol : 4 h b 50

h m : Hauteur dantenne (m) de la station mobile par rapport au sol : 1 h m 3

h R: Hauteur moyenne (m) des btiments, h R > h m

w: Largeur de la route (m) o le mobile est situ.

b : Distance (m) entre les centres de btiments.

d : Distance (Km) entre la BS et MS : 0.02 d 5

: Angle (en degrs) qui fait le trajet avec laxe de la route

h b = h bh R (m) : Hauteur de BS au dessus des toits.

h m = h R h m (m): Hauteur de MS au dessous des toits.

9 Cas de visibilit directe LOS (Line Of Sight) Lp = 42.64 + 26 log (d) + 20log (f) (II.14) Lattnuation en espace libre scrit comme suit : L f s = 32.45 + 20 log (d) + 20log (f) (II.15) Le pathloss en fonction de L f s est donn par lquation suivante :



Lp = L f s + 10.19 + 6 log (d) = L f s + 6log (50d) (II.16)

9 Cas de non visibilit directe NLOS (Non Line Of Sight)

Lp = L f s + Lrts + Lmsd (II.17) Avec: L f s est lattnuation en espace libre.

Lrts est lattnuation due diffraction sur les toits des btiments.

Lmsd est lestimation de la diffraction multi obstacle.

L = -16.9 - 10log (w) + 10log (f) + 20log (hrts m) + Lori (II.18)

Lori est li lorientation de la route par rapport lmetteur : -10 + 0.3574 , 0< < 35 Lori = 2.5 + 0.075 ( - 35) , 35<


54 , h m >0 Ka = 54 0.8 h m , d 0.5 et h m 0 (II.21) 54 0.8 h m d / 0.5 , d 0.5 et h m 0 Lexpression de Kd varie en fonction du signe de h m :

h m > 0 : Kd = 18 h m 0: Kd = (18 15 h m) / h m

Kf est un facteur dadaptation des diffrentes densits des btiments, il scrit comme suit :

0.7 ((f / 925) -1) , moyenne ville

Kf = - 4 + (III.22) 1.5 ((f / 925)- 1) , grande ville II.4 Estimation du rayon de la cellule Une fois nous avons dtermin le pathloss maximal dans la cellule, il ne reste plus

qu appliquer nimporte quel modle de propagation connu pour estimer le rayon de la

cellule. Le modle de propagation doit tre choisi de sorte quil soit conforme la rgion

planifie. Les critres du choix du modle de propagation sont la distance par rapport au Node

B, la hauteur de lantenne du Node B, la hauteur de lantenne du UE et sa frquence.

La zone de couverture dune cellule, si nous choisissons le motif hexagonal, est :

S= K r2 (II.23)

O S est la surface couverte, r est le rayon maximal de la cellule et K est une constante. Le

tableau suivant donne quelque valeurs de K suivant le nombre de secteurs.



Tableau II-1 La valeur de k

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

la zone planifier par la surface couverte par un site.

Conclusion

La planification de la couverture radio cellulaire est une tape fondamentale dans le cycle

de vie dun rseau. Elle ncessite trop de calcul qui peut nous induire en erreur facilement donc

en a besoin dun outil de planification UMTS pour le faire.

Dans le chapitre suivant nous allons prsenter les diffrents modules du simulateur de la

couverture radio dvelopp dans le cadre de ce projet, bas sur les principes expliqus dans ce

chapitre.


Chapitre III Simulation de la couverture radio


Introduction Le simulateur dvelopp a pour principales fonctions dtablir le bilan de liaison pour les

deux liens montant et descendant afin de dterminer le pathloss maximal et le rayon de la

cellule. Il permet galement de positionner les stations de base sur la carte de la zone planifier

et tracer les rgions couvertes par chaque station.

Dans ce chapitre, nous allons dtailler les diffrents modules de ce simulateur et prsenter

les rsultats obtenus

I. Le cahier de charge du simulateur I.1 Les inputs Le simulateur dvelopp va avoir comme donnes dentre :

La configuration des quipements utiliss (le terminal mobile et la Node B). Lenvironnement radio (le type denvironnement). Un modle de carte topographique de terrain.

I.2 Les Outputs Cet outil de simulation de la planification de la couverture radio en UMTS permet de

dterminer le pathloss maximal et le rayon de la cellule afin de reprsenter les stations de base

et les rgions couvertes par chacune delles.

Projet de Fin dEtudes- 2005/2006 36


II. Les donnes utiliss par le simulateur II.1 Les paramtres du bilan de liaison

Figure III.1 : Menu du simulateur

Comme nous avons vu dans le chapitre prcdent que la planification de la couverture radio

UMTS se base essentiellement sur lanalyse du bilan de liaison. Les paramtres dinitialisation

et les services offerts prsentent des donns de nous simulateur UMTS. Ce dernier prend ces

diffrents paramtres afin dtablir le bilan de la liaison montante et celui de la liaison

descendante. Dans la partie suivante, nous allons dtaillerons ces paramtres et les valeurs que

nous avons prises pour faire la planification de la couverture radio.



II.1.1 Paramtres dinitialisation

Figure III.2 : Les paramtres dinitialisation

Le calcul de bilan de liaison ncessite le choix de quelques paramtres dinitialisation savoir :

Les paramtres de station mobile (UE) et de station de base (NodeB). Le paramtre de la hauteur de lantenne est utilis en cas o le modle de propagation choisi est le modle de

Walfish Ikegami (voir la partie IV.3.2).

La configuration du site : quatre types denvironnement sont supports par loutil de planification (urban microcellule, urban macrocellule, suburban, rural). Le type du site

permet de fixer le modle de propagation quon doit utiliser pour planifier tel zone.

La sectorisation : pour notre outil, lantenne de la station de base est ou bien omnidirectionnelle ou tri sectorielle.

Le facteur dinterfrence : Ce facteur est le rapport entre linterfrence gnre par les cellules voisines et linterfrence gnre par la cellule elle-mme.

Le facteur dorthogonalit.



II.1.2 Les services offerts

Figure III.3 : La configuration des services

Pour faire la planification de la couverture radio, le nombre de site dpend des services

offerts et plus prcisment des dbits offerts. Les services offerts sur linterface radio de

lUMTS sont services voix (12.2Kbps), services data mode circuit et services data mode

paquet. Pour ces derniers types de services, les dbits (UL/DL) varient de 64/64 Kbps

64/2048 Kbps. Pour chaque service nous avons besoin du rapport signal sur bruit et du nombre

dabonn. Le nombre dabonns est exprim en pourcentage du nombre total.



II.1.3 Paramtres de la liaison montante

Figure III.4 : Les paramtres de la liaison montante

Dans le cas dune liaison montante, lquipement utilisateur reprsente lmetteur alors

que la station de base (NodeB) joue le rle du rcepteur. La configuration de lmetteur et du

rcepteur et les pertes de propagation (la marge de fading, marge du shadowing) sont prises en

compte pour tablir le bilan de la liaison montante.



II.1.4 Paramtres de la liaison descendante

Figure III.5 : Les paramtres de la liaison descendante

Dans le cas dune liaison descendante, le NodeB reprsente lmetteur alors que lUE est

le rcepteur. Deux paramtres viennent sajouter pour tablir le bilan de la liaison descendante

par rapport aux celles prises dans la liaison montante :

La marge Incar/Indoor : quand le UE se trouve dans une voiture ou dans un btiment sans une antenne extrieure, une marge supplmentaire doit tre prise en considration pour

comptabiliser la perte supporte par le signal pour atteindre lintrieur de la voiture ou la

btiment.



Le gain de soft handover : il correspond au gain que le mobile ralise dans une situation de soft handover

II.2 La zone planifier

Echelle : 1cm = 0.4 Km

Figure III.6 : La zone planifier

La figure (III.6) prsente le modle dune carte topographique pour une zone de la grande

Tunis (surface = 28 Km2). Lchelle de cette carte est 1cm =0.4Km

III. Les rsultats obtenus Loutil de simulation de la planification de la couverture radio dvelopp permet dtablir le bilan de liaison pour la liaison montante et descendante pour dterminer la valeur

du pathloss maximal en utilisant les quations (II.3) et (II.9). Cette valeur de pathloss servira



au modle de propagation pour calculer le rayon de la cellule. Le simulateur permet aussi de

calculer les paramtres du canal pilote.

Aprs la dtermination du rayon de la cellule, on utilise cette valeur pour reprsenter les

stations de base et les rgions couvertes par chaque station sur la carte topographique.

III.1 Planification pour un seul service

Figure III.7 : Les rsultats du bilan de liaison En supposant que tous les utilisateurs demandent un seul service (le dbit offert est le

mme), le simulateur tabli le unique bilan de liaison et permet dafficher les rsultats dcrites

sur la figure (III.7) (dans ce cas le service choisi est le service voix).

La figure (III.8) rcapitule les rsultats trouvs en cas dun service dbit 12.2 Kbps.



Figure III.8 : Rsultats (1) III.2 Planification pour plusieurs services Si les utilisateurs demandent des services ayant des diffrents dbits, le simulateur dvelopp tabli le bilan de liaison pour chaque service part. Par exemple, si nous voulons

faire la planification de la couverture en supposant que les abonns sont repartis entre deux

services ncessitant respectivement un dbit (UL/DL) 64/64 Kbps et 64/384 Kbps, le

simulateur affiche les rsultats suivants :



Figure III.9 : Rsultats pour le service 64/64 Kbps


Chapitre III Si

Documents

2_Couverture -Codes UMTS - Pfe -Smi Tabbane -Bougares-Kamel