Thse de doctorat de lINSTITUT NATIONAL DES TELECOMMUNICATIONS dans le cadre

de lcole doctorale SITEVRY en co-accrditation avec lUNIVERSITE DEVRY-VAL DESSONNE

et en cotutelle avec lECOLE SUPERIEURE DES COMMUNICATIONS DE TUNIS

Spcialit : Rseaux et Tlcommunications / Technologies de lInformation et de la Communication

Par M. Anis Masmoudi

Thse prsente pour lobtention du grade de Docteur de lINSTITUT NATIONAL DES TELECOMMUNICATIONS

et de lECOLE SUPERIEURE DES COMMUNICATIONS DE TUNIS

Capacit et dimensionnement des rseaux daccs radio UMTS et volution

Soutenue le 13 dcembre 2008 devant le jury compos de :

M. Abdelaziz SAMET (Professeur lINSAT) Prsident M. Mongi MARZOUG (Responsable la direction technique dOrange-FT) Rapporteur M. Mohamed SIALA (Professeur SupCom) Rapporteur M. Nazim AGOULMINE (Professeur lUniversit dEvry-Val dEssonne) Examinateur M. Hatem BOUJEMA (Matre de Confrences SupCom) Examinateur M. Djamal ZEGHLACHE (Professeur TELECOM & Management SudParis) Directeur de thse M. Sami TABBANE (Professeur SupCom) Directeur de thse

Thse n 2008INT0019

DDddiiccaaccee

A qui je dois ce que je suis,

A ma chre Maman et mon cher Papa, qui je dois le meilleur de moi-mme,

en tmoignage de ma reconnaissance infinie, pour leur guide dans mes tudes, leur amour dont ils mont entour,

pour leur patience et les nombreux sacrifices quils nont cess de consentir ; quils veuillent trouver dans ce travail lexpression de mon profond attachement !

A toute ma famille.

A ceux qui me sont chers et proches. A tous ceux que jaime et qui maiment.

A tous mes amis.

Ce mmoire leur est ddi.

Anis"

RREEMMEERRCCIIEEMMEENNTTSS

Ce travail a t effectu au sein de lunit de recherche en rseaux radio-mobiles

multimdia MEDIATRON de lcole Suprieure des Communications de Tunis

(SupCom) sous la direction de Monsieur le Professeur Sami TABBANE, responsable de

lunit MEDIATRON, et au dpartement Rseaux et Services Multimdia Mobiles

(RS2M) de TELECOM et Management SudParis (ex. INT) sous la co-direction de

Monsieur le Professeur Djamal ZEGHLACHE, Directeur du dpartement RS2M et

membre du laboratoire de recherche Samovar.

Au terme de ce modeste travail, jai le grand plaisir de remercier tous ceux qui mont engag ou aid de faons diverses prparer cette thse dans les meilleures

conditions. Quils trouvent ici lexpression sincre de ma profonde gratitude.

Je tiens, tout dabord, adresser mes plus vifs remerciements au Professeur

Djamal ZEGHLACHE pour mavoir accueilli avec beaucoup de gnrosit dans le

dpartement RS2M et facilit des stages de recherche de haut niveau au sein de lquipe

radio-mobile. Son grand savoir, sa comprhension, ses directives, ses conseils aviss et sa

disponibilit pendant mes sjours lex. INT malgr sa constante proccupation mont toujours t de grande utilit et dun appoint inestimable dans llaboration de ce travail.

Je tiens galement exprimer mes sincres remerciements et ma profonde

reconnaissance mon co-directeur de thse Mr Sami TABBANE, Professeur SupCom,

pour mavoir encourag entamer et finaliser cette thse, pour ses prcieux conseils et

les suggestions efficaces et constructives quil ma donn durant la ralisation de ce

projet. Je suis particulirement touch par sa passion, son esprit critique et son

exprience dans le domaine des systmes radio-mobiles et pour mavoir guid et dirig

tout au long de cette thse, ce qui ma permis de mener terme ce travail.

Je remercie par ailleurs Monsieur le Professeur Abdelaziz SAMET pour mavoir

fait lhonneur en acceptant de prsider mon jury de thse.

Je voudrais aussi tmoigner de ma gratitude Monsieur Mongi MARZOUG,

Responsable la Direction Technique dOrange (Groupe FranceTlcom), pour avoir accept de rapporter mon travail de thse, et dhonorer ma soutenance de thse avec sa

prsence et son expertise. Je lui serai reconnaissant en particulier pour le temps quil

ma consacr Orange France pour me prodiguer des remarques prcieuses et des

conseils fructueux lors de lun de mes sjours en France.

Je tiens galement remercier Monsieur le Professeur Mohamed SIALA davoir

soigneusement relu ce manuscrit de thse et pour ses remarques constructives et

enrichissantes. Ses suggestions fort judicieuses et bien pertinentes, en tant que

rapporteur de ma thse, ont beaucoup contribu lamlioration de ce mmoire. La

qualit finale de ce document doit beaucoup aux nombreuses critiques quil a formules.

Ma profonde gratitude sadresse en outre Monsieur Nazim AGOULMINE,

Professeur lUniversit dEvry-Val dEssonne, ainsi qu Monsieur Hatem

BOUJEMA, Matre de Confrences SupCom davoir accept de faire partie en tant

que membres examinateurs de ma thse.

Je noublie pas non plus dexprimer mes remerciements aux responsables et tout

le personnel administratif et technique de TELECOM & Management SudParis pour

leur soutien et aides. Je cite en particulier Mmes Isabelle REBILLARD et Chantal

LEMAIRE. Jadresse galement mes vives reconnaissances aux Drs Badii JOUABER et

Marc GIROD GENET pour leurs aides particuliers et sympathie, ainsi qu tout le

personnel des bibliothques de TELECOM & MANAGEMENT SudParis, de lUniversit

dEvry-Val dEssonne et de SupCom.

Jadresse aussi mes vifs remerciements mes collgues Mohamed ASSAD,

docteur de lex. INT pour son soutien et sa collaboration pour mener certains aspects lis

sa thse au sein du dpartement RS2M de TELECOM & Management SudParis.

Jadresse galement un merci amical aux enseignants de TELECOM & Management

SudParis et de SupCom, et particulirement aux chercheurs des dpartement RS2M et

RST de TELECOM et Management SudParis pour mavoir accueilli et encourag

pendant mes stages de recherche, ainsi qu tous mes collgues du CERT (Centre

dEtudes et de Recherche en Tlcommunications), de lINSAT (Institut National des

Sciences Appliques et de Technologie de Tunis), de lISECS (Institut Suprieur

dElectronique et de Communication de Sfax) pour leurs infinis encouragements, et leur

prcieuse amiti, et toute lquipe de MEDIATRON.

Par ailleurs, le prsent travail est le fruit dappuis matriels et de prises en

charges de mes participations aux confrences ltranger pour prsenter mes travaux

de recherche (communications) et mes sjours de stages doctoraux lex. INT. Je cite

en particulier les appuis de lIFC (Institut Franais de Coopration, de lambassade de

FRANCE en Tunisie), de lAgence Universitaire de la Francophonie (AUF), du

dpartement RS2M, de lex. Ministre de la recherche scientifique et de la technologie

sans oublier les appuis des diffrentes institutions denseignement et structures de

recherche auxquelles jtais ou je suis affili (Universit 7 novembre de Carthage,

INSAT, ISECS, SupCom, MEDIATRON).

Enfin, tout acte de recherche ntant que la concrtisation personnelle dun

travail collectif, mes remerciements vont aussi toutes les personnes que je nai pas cit

et qui ont particip de manire directe ou indirecte llaboration de ce mmoire et qui

mont offert leur aide pertinente pour la russite du prsent travail.

Sfax, Novembre 2008

AAVVAANNTT--PPRROOPPOOSS

Lvolution rapide des rseaux radio-mobiles incite les oprateurs mobiles

ladaptation de leurs mthodes de planification et dingnierie aux nouvelles

technologies et standards apparus et aux tendances des services multimdia. Les

modles de dimensionnement et les dmarches de planification des rseaux 3G (3rd

Generation) tels quils sont adopts dans la littrature soit manquent de la

prcision, soit sont trs complexes et ncessitent des outils coteux et

consommateurs en temps de calcul.

Dans cette thse, des modles et des mthodologies de planification la fois simples

et de prcision acceptable ont t labors tout en intgrant les nouvelles techniques

et procdures radio [1] et ses aspects avancs (notamment la Rel. 6 de la norme

3GPP : 3rd Generation Partnership Project [2]). Pour atteindre ce compromis, on a eu

recours la combinaison de modlisations analytiques avec lutilisation doutils

statiques et dynamiques de simulations. Cela a permis de concevoir de nouvelles

rgles dingnierie pour le dimensionnement des rseaux UMTS (Universal Mobile

Telecommunication System) bass sur la technique HSDPA (High Speed Downlink

Packet Access).

Le test et la validation des modles et rgles conues ont amen loptimisation de

quelques techniques de gestion des ressources radio telles que le contrle de

puissance ou lordonnancement. A titre dexemple, on a propos de nouvelles

techniques dordonnancement (ou de squencement) de paquets adaptes pour le cas

de services multiples et agrgs en HSDPA.

Dautre part, peu de travaux de recherche traitent de faon prcise le lien

descendant (DL, DownLink). Pour cela, le premier volet de la thse montre

limportance particulire du paramtre f dinterfrence extracellulaire dans la

planification du lien DL et que les travaux de la littrature y affrents sont

gnralement approximatifs ou bass sur des valeurs moyennes. Pour cela, on a

tabli le modle mathmatique exact de distribution de ce paramtre dont

lexploitation permet dobtenir des rsultats de planification plus prcis avec des

calculs simplifis. Ce modle labor a t galement utilis pour amliorer les

performances des procdures radio telle que la macro-diversit. Ces amliorations

ont t appliques au processus de dimensionnement afin daugmenter la capacit

du rseau. Par ailleurs, la rsolution de la problmatique du lien descendant en

littrature na pas, en particulier, trait les diffrentes rgles de partage des

ressources radio entre les utilisateurs : Notre mthodologie inclut diffrentes options

de gestion et de partage des ressources radio compares en termes de performances

(porte radio et efficacit spectrale) afin de laisser une marge de choix aux

oprateurs selon leurs stratgies. Elle utilise des courbes et des tableaux gnrs par

un outil de dimensionnement auquel on a intgr les diffrentes rgles conues et

notamment le processus itratif tabli pour lquilibrage de charge.

La composante conomique de la planification en termes de cot dinfrastructure a

t galement analyse et applique une tude de cas de cellules concentriques.

Si la premire partie de la thse traite le cas multicellulaire pour la nature et la

simplicit de lapproche statique adopte, le second volet de la thse a port sur le

cas monocellulaire du fait de la complexit des procdures radio mises en uvre

dans ltude dynamique. Lvolution rapide de la norme UMTS vers le HSDPA et la

cadence rapide de la transmission des paquets font du HSDPA un choix privilgi

dtude de cas adapt lapproche dynamique.

Lanalyse du mcanisme dAdaptation de Modulation et du Codage (AMC : Adaptive

Modulation and Coding) en HSDPA a permis dlaborer un modle mathmatique

pour la distribution (discrte) de lindicateur de qualit CQI (Channel Quality

Indicator). Ce modle analytique tabli a t valid par des simulations dynamiques.

Il a t combin avec un modle de correspondance simple entre qualit et dbit

directement li aux tailles des blocs de transport de la couche MAC-HS (Medium

Access Control High Speed). Ce modle a permis de concevoir de nouvelles rgles

traitant les diffrents cas limits soit par la couverture soit par la capacit. Les

rgles labores peuvent se prsenter sous formes de courbes et servent comme une

mthodologie adquate pour le dimensionnement du HSDPA. Cette mthode conue

tient compte de leffet de masque et du type dordonnancement des paquets dont la

formulation analytique a t intgre dans loutil de dimensionnement dvelopp.

Cet outil de nature statique et semi-analytique est enrichi des fonctionnalits

HSDPA telles que modliss mathmatiquement. De mme que pour lUMTS

standard (Rel. 99), plusieurs principes de dimensionnement ont t labors et

proposs dans cette thse de faon permettre loprateur de choisir le plus adapt

en termes de cot et de QoS (Quality of Service). Certains de ces principes sont

optimiss et amliors par rapport aux techniques existantes pour une performance

globale accrue.

Nos travaux sur laspect de planification du HSDPA se diffrentient des quelques

articles publis par la modlisation mathmatique des techniques dordonnancement

et de lAMC, et par lextraction de rgles dingnierie pratiques adapts pour le cas

du HSDPA.

Enfin, limpact de diffrents facteurs sur les performances et la planification a t

tudi tels que celui du taux de codage et de la puissance du node B en UMTS R99,

et de linterfrence intracellulaire et la diversit multi-utilisateurs en HSDPA. Les

paramtres analyss et simuls sont le dbit net coul, le dlai de latence, la gigue,

le taux de retransmission, la catgorie du terminal, etc

Mots-cl : UMTS, Dimensionnement, Equilibrage de charge, Gestion des ressources radio, Gestion dinterfrences, Contrle dadmission, Optimisation,

Simulateur statique, Simulation dynamique, Performance, HSDPA,

Ordonnancement, Adaptation en Modulation et Codage (AMC).

EXECUTIVE SUMMARY (Extended Abstract)

The fast challenge of mobile radio networks push operators to adapt their planning

and engineering procedures to the new technologies and multimedia services.

3G networks dimensioning models and procedures in literature are either not

accurate or complex requiring expensive and time consumers professional tools.

The objective of this thesis is to elaborate simple and accurate planning models and

methodologies integrating advanced and evolved new standardized radio techniques

and procedures (Rel. 6 radio evolutions). In order to reach this compromise, we

combined analytical models with static and dynamic simulation tools. This allowed

us to establish new engineering rules for HSDPA-based UMTS networks.

Test and validation of those models and rules allowed us to optimise some radio

resource management techniques such as power control or scheduling: For example,

we have introduced new scheduling techniques for aggregated and multiple services

in HSDPA.

On the other hand, few research works discuss deeply downlink. For that, the study

of the other-to-own-cell interference (f-parameter) in downlink has been dedicated

particular interests since traditional investigations use approximations or are based

on the average value. In fact, we established its exact mathematical distribution

model allowing operators to get more accurate and less computing planning results.

We got also benefit by this elaborated model to improve performance of some radio

procedures such as macro-diversity. Then, we have applied those improvements to

the dimensioning process in order to enhance UTRAN (UMTS Terrestrial Access

Network) capacity. Furthermore, downlink resolution in literature has not specified

different radio resource sharing rules among users: Our elaborated methodology

includes different alternatives to manage and share radio resources. The proposed

alternatives are compared in terms or performance (radio range and spectral

efficiency) to let operators the appropriate one(s) according to their strategies. It

uses abacuses and tables generated by a developed dimensioning tool integrated

with our suggested rules and concepts such as the iterative process for load

balancing.

The economic component of radio planning in terms of infrastructure cost has been

eventually analysed and applied to the case study of concentric cells (Reuse

Partitioning).

Whereas the first part of this thesis investigates multi-cellular case for the nature of

the adopted static approach, the second one is simplified to mono-cellular case due to

complexity of radio procedures as in dynamic study. Fast upgrade of UMTS standard

releases to HSDPA and fast packet transmission pushed HSDPA to be the best case

study adapted to dynamic approach.

The deep analysis of Adaptation in Modulation and Coding (AMC) used in HSDPA

technique allowed us to elaborate a mathematical distribution model (discrete) of

Channel Quality Indicator (CQI). This model has been validated by means of

dynamic simulations. Combined with simple correspondence between quality and

rate, we have created new dimensioning rules either for coverage or capacity limited

case. The elaborated method uses abacuses and includes shadowing effect for

different scheduling techniques. The HSDPA methods and concepts introduced and

mathematically modeled have been incorporated in the developed dimensioning tool

having a static and semi-analytical nature.

As standard UMTS (Rel. 99), various dimensioning principles are introduced in this

thesis in order to provide enough margin for operator to choose suitable

alternative(s) according to its priorities in terms of cost and/or one of the users

satisfaction arguments. Some of those principles have been optimised and improved

when compared to existent techniques in order to reach a global enhanced

performance.

Our HSDPA engineering aspects work and results can be easily differentiated from

the few published papers from literature by the mathematical modeling of

scheduling techniques and the AMC, and also by the practical engineering rules

extracted for the HSDPA case.

Finally, the impact of different factors on planning has been issued like that of

coding rate or the available power for node B in UMTS R99, and the intracellular

interference and multiuser diversity in HSDPA. The simulated parameters are

throughput, latency delay, jitter delay, retransmission rate, terminal category,

Keywords: UMTS dimensioning, load balancing, Radio resource management, Interference management, admission control, optimisation, Static simulator,

Dynamic simulation, performance, HSDPA, scheduling, Adaptation in Modulation

and Coding (AMC).

SSOOMMMMAAIIRREE Liste des acronymes INTRODUCTION GENERALE................................................................................i CHAPITRE 1 : Planification radio de lUMTS (WCDMA) et tude de cas ........... 1

I.1. Etat de lart de la planification du rseau daccs radio UMTS.................................1 I.1.1 Spcificit de la planification en CDMA par rapport celle en TDMA...............1 I.1.2 Dimensionnement initial dun rseau daccs radio WCDMA .............................3

I.2. Mthode itrative du point fixe ...................................................................................7 I.2.1 Mthode itrative du point fixe en UL ..................................................................7 I.2.2 Mthode itrative du point fixe en DL ................................................................11

I.3. Simulations par loutil de dimensionnement .........12 I.3.1 Organigramme des simulations par loutil de dimensionnement initial ...13 I.3.2 Modlisation des simulations de dimensionnement initial ..15 I.3.3 Rsultats des simulations : Etude de performance ....16 I.4. Etude de cas : Cellules concentriques en WCDMA ...33 I.4.1 Efficacit spectrale en WCDMA .............33 I.4.2 Nouveau concept des cellules concentriques dans les systmes WCDMA ....36 I.5. Composante conomique de la planification ...41 I.5.1 Importance du cot conomique ......41 I.5.2 Optimisation Cot/Efficacit : Etude de cas (cellules concentriques) 41 CHAPITRE 2 : Etude multi-cellulaire statique de lUMTS standard ................. 45

II.1. Problmatique de lallocation de puissances en UMTS ..........................................45 II.1.1 Lien montant (UL) ..............................................................................................46 II.1.2 Lien descendant (DL)..........................................................................................55 II.2. Etude analytique multicellulaire de linterfrence en DL ......................................63

II.2.1 Importance et difficults du DL dans la planification radio.............................63 II.2.2 Modle analytique de la distribution du paramtre f .......................................65

II.3. Impact du modle du paramtre f sur les approches de planification et doptimisation............................................................................................................74 II.3.1 Impact du modle du paramtre f sur la planification (DL) ...76 II.3.2 Utilit du paramtre f pour loptimisation de la macro-diversit .....83 II.4. Simulation statique de lUMTS................................................................................87 II.4.1 Diffrentes approches des simulateurs 3G .87 II.4.2 Exemple de simulation statique pour la planification radio de lUMTS ..88 CHAPITRE 3 : Simulation dynamique et extension des travaux vers le HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) ........................................ 99

III.1. Validation des rsultats du simulateur statique : Comparaison avec la simulation dynamique.........................................................99 III.2. Motivations pour ltude de cas dynamique du HSDPA .....................................104

III.3. Fonctionnalits du HSDPA (Etat de lart) ...........................................................105 III.3.1 Adaptation en Modulation et Codage (AMC) .................................................105 III.3.2 Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) ...................................................106 III.3.3 Ordonnancement rapide (Fast Scheduling) ...................................................107

III.4. Formulation analytique ........................................................................................107 III.4.1 Cas dutilisateurs la mme distance du node B : Notations.......................108

III.4.2 Analyse mathmatique des techniques de squencement.............................109 III.4.3 Etude de cas : Trafic uniforme dans la cellule ...............................................121

III.4.4 Impact de linterfrence intracellulaire..........................................................126 III.4.5 Impact de la diversit multi-utilisateurs sur la capacit totale ..............130 III.4.6 Impact de leffet de masque ............................................................................134

III.5. Modle et paramtres du simulateur dynamique................................................135 III.5.1 Modle des simulations ...................................................................................135

III.5.2 Hypothses et paramtres dentre des simulations .....................................137 III.6. Rsultats des simulations dynamiques ...............................................................138

III.6.1 Histogrammes des CQIs..................................................................................138 III.6.2 Comparaison des diffrentes techniques de squencement ..........................139 III.6.3 Comparaison des catgories 1 et 10 des terminaux.......................................142 III.6.4 Rsultats des simulations du cas multiservices.............................................145

III.7. Choix recommands des techniques de squencement .......................................147 CHAPITRE 4 : Conception de rgles dingnierie et de mthodes de dimensionnement pour le HSDPA ............................................. 151

IV.1. Reformulation de la notion de couverture radio en HSDPA ...............................151 IV.2. Impact du modle du CQI sur le dimensionnement du HSDPA.........................153

IV.2.1 Mthodologie de dimensionnement avec prise en compte de leffet de masque......................................................................................................................................153 IV.2.2 Impact de leffet de masque sur le processus de planification : Proposition dun organigramme pour le dimensionnement du HSDPA .......154

IV.3. Application du dimensionnement au HSDPA ......................................................155 IV.3.1 Mthode adopte pour le dimensionnement limit par la couverture ..........155

IV.3.2 Exemple dapplication des tableaux de dimensionnement ............................155 IV.3.3 Gnration dabaques pour le dimensionnement limit par la couverture ..156

IV.4. Extension de loutil de dimensionnement vers la technique HSDPA .................158 IV.4.1 Organigramme de fonctionnement de loutil ..................................................158

IV.4.2 Rsultats de simulations par loutil de dimensionnement ............................171 IV.5. Comparaison des rsultats numriques de dimensionnement du HSDPA et de lUMTS standard (Rel. 99 en DL).....................................................................179

IV.5.1 Paramtres dentre pour le dimensionnement du HSDPA ..........................180 IV.5.2 Tableaux comparatifs des rsultats de dimensionnement ............................180 CONCLUSION GNRALE ...I ANNEXES IVII ANNEXES II...XVII ANNEXES IIIXXIII ANNEXES IV..XXV ANNEXES V...XXIX ANNEXES VI.XXXI

ANNEXES VIIXXXIII ANNEXES VIIIXXXV ANNEXES IX..XXXIX ANNEXES X..XLIII ANNEXES XI...XLVII ANNEXES XII...XLIX BIBLIOGRAPHIELI PUBLICATIONS ET CONTRIBUTIONS.....LIX

LLiissttee ddeess aaccrroonnyymmeess

16-QAM 16Quadrature Amplitude Modulation 3G 3rd Generation

3GPP 3rd Generation Partnership Project

AC Admission Control

AMC Adaptive Modulation and Coding

CBR Constant Bit Rate

CC Chase Combining

CDF Cumulative Distribution Function

CDMA Code Division Multiple Access

CERT Centre dEtudes et de Recherches en Tlcommunications

CIR Carrier-to-Interference-Ratio

CP Contrle de Puissance

CQFD Ce Quil Fallait Dmontrer

CQI Channel Quality Indicator

DL DownLink

Eb/N0 Signal Energy per bit to Noise power density per Hertz

Ec/I0 Energy per Chip to Interference density Ratio

EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution

FCS Fast Cell Selection

FDD Frequency Division Duplex

FPA Fair Power Allocation

FPP Fair Power Partitioning

FR Fair Resource

FT Fair Throughput

FTP File Transfer Protocol

GPRS General Packet Radio Service

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest

HHO Hard Handover

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel IR Incremental Redundancy

LTE Long Term Evolution

MAC-HS Medium Access Control High Speed

MAI Multiple Access Interference

MAPL Maximum Allowed Path Loss

MCS Modulation and Coding Scheme

MMS Multimedia Messaging Service

MRC Maximal Ratio Combining

MS Mobile Station

NR Noise Rise

NRT Non Real Time

NS-2 Network Simulator version 2

OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor

P-HS-DSCH Physical High Speed Downlink Shared Channel

PA Power Amplifier

PDF Probability Distribution Function

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RAB Radio Access Bearer

RL Radio Link

RLC Radio Link Control

RNC Radio Network Controller

RP Reuse Partitioning

RRM Radio Resource Management

RT Real Time

SF Spreading Factor

SHO Soft Handover

SIR Signal-to-Interference-Ratio

SINR Signal-to-Interference-and-Noise-Ratio

SNR Signal-to-Noise-Ratio

TB Transport Block

TBS Transport Block Size

TDMA Time Division Multiple Access

TTI Transmission Time Interval

UE User Equipment

UL UpLink

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

VBR Variable Bit Rate

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

WiFi Wireless Fidelity

WRR Weighted Round Robin

i

IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN GGEENNEERRAALLEE

1. Motivations et Objectifs de la thse

Depuis le dbut des annes 1990, lindustrie radio-mobile a connu des

dveloppements considrables en termes de technologie et dabonns. Les rseaux

cellulaires de troisime gnration UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

bass sur le WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) en mode FDD

(Frequency Division Duplex) sont en cours de dploiement et test dans certains pays, et

sont oprationnels commercialement dans dautres. Avec cette volution rapide des

nouvelles techniques multimdias mobiles et la panoplie de services offerts, il est ainsi

crucial pour les oprateurs des rseaux mobiles dentamer une planification dont les

procdures et dmarches soient la fois simples, peu coteuses et robustes tenant

compte des tendances de la technologie. Cette conscience de limportance de la

planification et du dimensionnement a t reconnue avec le dploiement des rseaux

mobiles actuels et leur besoin daboutir un rseau de meilleures qualit et capacit

avec le moindre cot. La problmatique devient encore plus complexe avec la diversit

des services offerts aux utilisateurs et des quipements de constructeurs diffrents, les

fluctuations du trafic et de lenvironnement, les volutions de la norme et de la

technologie elle-mme, les cots de linfrastructure, etc.

Dans ce cadre, notre travail de thse a pour but didentifier des processus et des

mthodologies pour la planification et le dimensionnement des rseaux UMTS en se

focalisant sur linterface daccs radio. Des exigences nouvelles ou amliores de

spcifications doivent tre mises en place dans les plates-formes logicielles utilises pour

la planification dans lobjectif dun meilleur rsultat. Alors que pour le GPRS (General

Packet Radio Service) et lEDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) bass sur le

TDMA (Time Division Multiple Access), le dimensionnement des services de donnes

paquet est bas sur le trafic offert moyen [3][5] ; lutilisation de la technique daccs CDMA (Code Division Multiple Access) en UMTS gnre de nouveaux dfis pour

concevoir et trouver de telles rgles et processus surtout que les modles de tltrafic

conus pour le mode paquet ne sont pas suffisants pour le dimensionnement des

systmes CDMA (Code Division Multiple Access). En fait, ces modles ne tiennent pas

compte de laspect couverture et qualit du lien radio (SINR : Signal-to-Interference-and-

Noise-Ratio) auxquelles la capacit est lie directement. En effet, la couverture, la

capacit et la qualit des rseaux WCDMA influent chacune sur lautre. Un plan

convenable nest quun compromis entre ces trois volets ; cependant leur

interdpendance et interactions mutuelles les uns sur les autres compliquent davantage

ii

le processus doptimisation envisager. Par consquent, le bilan de liaison de lUMTS

que le planificateur tablit doit tre dynamique puisque la marge dinterfrence

dpend de la charge de la cellule, ce qui rend mme le dimensionnement prliminaire

qui doit tre aussi simple que possible plus long et compliqu que dans le cas des

anciens systmes mobiles, engendrant des processus itratifs parfois divergents surtout

si la charge de la cellule est leve. En effet, contrairement au systme UMTS, dans les

anciens systmes mobiles de seconde gnration bass sur le TDMA tels que le GSM, la

planification de la couverture se fait indpendamment et de manire isole de

laffectation des frquences puisque la capacit et la couverture ninflue pas lune sur

lautre. Cela est d principalement au fait que le systme UMTS bas sur le WCDMA

utilise une seule porteuse pour toutes les cellules induisant de linterfrence

extracellulaire, ce qui influe sur la couverture de la cellule par lintermdiaire de la

respiration des cellules. Ceci nest pas le cas des systmes bass sur le TDMA qui

utilisent au moins une porteuse par cellule. Dautre part, les nouveaux services de

donnes UMTS requirent des paramtres de QoS (Dbit et dlais) qui interviennent

plus particulirement dans le mcanisme de squencement de paquets dans les buffers

(non implment dans les rseaux de seconde gnration). Pour cela, une extension des

travaux labors a eu lieu dans le cas dabsence du mcanisme de contrle de puissance

en se basant sur une tude du cas de la technique HSDPA (High Speed Downlink Packet

Access). Par ailleurs, grce aux mcanismes intervenant en HSDPA tels que le

squencement et la retransmission spcifiques la technique de commutation par

paquets, il est possible de mener une tude dynamique applique au HSDPA pour

explorer de manire fine et approfondie la ralit instantane de chaque connexion

active prsente dans le rseau. Ceci afin den tirer les tendances pouvant influer sur la

planification, et par la suite de raffiner les rgles dingnierie tablies dans ltude

statique en les adaptant aux changements impliques par lvolution vers le HSDPA

(connu comme le 3,5 G).

Ce travail a t partag en deux parties afin de sparer et dtudier linfluence de

chaque composante majeure sur la planification : Dune part limpact de la multiplicit

des cellules engendrant linterfrence extracellulaire et dautre part leffet dynamique et

instantan de chaque connexion radio. La premire partie (multi-cellulaire) assimile les

liens radio un tat quasi-statique visant un compromis entre le temps de calcul et la

prcision. Pour ce faire, on sest bas sur une modlisation mathmatique de la

distribution de linterfrence extracellulaire. Limpact de ce modle analytique sur la

simplification des procds de la simulation statique classique de Monte-Carlo est mis au

point pour donner rapidement des solutions au problme dquilibrage de charge. De

telles solutions approches sont cependant utiles pour fournir le processus de

dimensionnement initial le plus adquat et le plus simple possible. Le second volet de la

thse est bas sur la simulation dynamique ayant pour but ltude en profondeur des

iii

mcanismes radio du HSDPA et de leurs interactions mutuelles instantanes. Cette

partie sert faire lextraction de rgles de dimensionnement adquates au HSDPA en

tirant les tendances petite chelle des paramtres de performance convenables aprs

avoir t matriss. Le simulateur dynamique a galement permis la validation et le test

de lefficacit et de la prcision des mthodologies ainsi conues. En plus, la premire

partie (chapitres 1 et 2) de la thse est focalise sur la planification base sur les canaux

ddis plus adapts et similaires au mode circuit. La seconde partie (chapitres 3 et 4)

traite plus laspect paquet en mettant laccent sur les canaux partags par

lintermdiaire de ltude de cas du HSDPA.

La thse a t particulirement focalise sur la liaison descendante surtout dans

la seconde partie (chapitres 3 et 4) du fait de son importance dans le dimensionnement

dune liaison radio (partage de la puissance du node B et des codes entre les diffrents

canaux et la dissymtrie des nouveaux services des systmes de troisime gnration :

3G actuels). Dautre part, le lien descendant (DL : DownLink) est plus dlicat et critique

tudier que le lien montant (UL : Uplink). En effet, pour le sens montant, le paramtre

f (Rapport de linterfrence extracellulaire par celle intracellulaire) est dfini une seule

fois pour toute la cellule car linterfrence extracellulaire est totalement reue par la

station de base, tandis que pour le lien descendant, le paramtre f a une valeur

diffrente pour chaque mobile et donc dpend forcment de son emplacement dans la

cellule, ce qui rend toute tude analytique pralable de laspect multicellulaire plus

complexe que pour le lien UL. Par ailleurs, le bilan de liaison en DL est particulirement

plus difficile calculer puisquil dpend de la rpartition des mobiles dans la zone de

couverture, des dbits des diffrents services assurs par la station, etc. [6]. De plus il est

souvent bas sur des valeurs moyennes arbitraires du paramtre f dinterfrence

extracellulaire et dans la plupart des cas loin de la ralit.

2. Contexte et Problmatique

La premire partie de ce travail est consacre ltude dun rseau

multicellulaire en supposant ltat du rseau stable un instant donn. On y tudie le

paramtre f qui modlise limpact de linterfrence engendre par les autres cellules sur

la cellule serveuse. Le paramtre f est souvent utilis dans les calculs de bilans de

liaisons pour tenir compte de limpact du brouillage extracellulaire. La distribution de ce

paramtre a t tablie pour un seul interfreur puis tendue plusieurs tout en

analysant lerreur engendre par le modle gnralis. On a tabli par lintermdiaire

dune mthode semi-analytique un procd qui corrige et simplifie lancienne approche

de calcul du bilan de liaison pour dimensionner le lien descendant. La mthode

classiquement adopte suppose soit que la puissance transmise vers le mobile est

constante (sans contrle de puissance), soit fait recours plusieurs itrations pour les

iv

diffrents services prsents dans le systme de faon ne pas dpasser la puissance

nominale du node B et la capacit de la cellule. La premire approche nest pas toujours

valable surtout si le contrle de puissance est activ, et donc la puissance de

transmission doit varier dun utilisateur un autre suivant son emplacement et ltat du

canal pour quil puisse atteindre la qualit de service cible. De plus, la seconde mthode

ncessite un temps de calcul important relativement un pr-dimensionnement qui

requiert des temps raisonnables et des traitements simples. Par ailleurs, notre mthode

est valide en la comparant quantitativement aux rsultats des mthodes classiques (de

bilan de liaison) souvent optimistes. Ensuite, cette mthode de dimensionnement

prliminaire est raffine pour tenir compte avec prcision du gain engendr par la

macrodiversit. En fait, le recours une constante arbitraire pour le gain de Handover

dans le bilan de liaison peut engendrer un surdimensionnement de la couverture et par

consquent un recouvrement important des couvertures des sites radio. En particulier,

on propose de ne pas dpasser une valeur maximale de puissance transmise vers les

mobiles situs dans la zone de chevauchement entre les cellules. Lintrt de cette

mthode est analys quantitativement ainsi que son impact sur la mthodologie de

dimensionnement prsente grce une relation directe entre le paramtre f et la marge

(fentre) de SHO (soft handover).

Ltude dun environnement multicellulaire ltat statique permet de cerner le

fonctionnement de certains mcanismes et phnomnes de gestion de linterface radio

UTRAN (Contrle de puissance, Contrle dadmission des connexions, Contrle de

charge) mais de faon projete et approche en faisant abstraction du paramtre

temps . Cette tude reste donc limite pour tenir compte, avec prcision, de tous les

mcanismes intervenant de faon dynamique tels que le squencement, la

retransmission, les priorits, la diffrentiation de services, ladaptation des dbits sur la

voie descendante, etc. Ces mcanismes permettent en effet de bien comprendre et

analyser ltat instantan de chaque connexion active du rseau. En effet, ces techniques

ont un impact direct sur les paramtres de performances qui doivent tre considrs

dans les scnarios de dimensionnement envisags. A titre dexemple, le choix de la

technique de squencement dicte par les critres de paramtres de qualit de service

cibls influe sur la porte de la cellule. Cest pourquoi une simulation dynamique est

primordiale pour tendre et gnraliser les mthodes tablies surtout avec les dernires

volutions de la norme UMTS visant amliorer son dbit. Ces simulations permettent

galement dobtenir des rsultats plus prcis du fait de la prise en compte de la

dimension temporelle pour lextraction de rgles dingnierie convenables et prcises. En

outre, les mthodes et les processus obtenus et raffins par ltude dynamique sont

intgrs dans un outil de dimensionnement permettant de tester les mthodologies ainsi

tablies par lintermdiaire des simulations afin de les valider en les comparant des

rsultats de la littrature.

v

Cette thse sintresse galement la technique HSDPA introduite dans la

version 5 de la norme 3GPP (volution 3,5G de lUMTS) avec ses mcanismes et

protocoles radio [7] pour le but de llaboration de mthodes de dimensionnement qui lui

sont adquates. Le HSDPA dfinit de nouvelles couches MAC-HS (Medium Access

Control High Speed) et RLC (Radio Link Control) pour augmenter la capacit et le

dbit des rseaux UMTS. Ltude de cas du systme HSDPA a t choisie cause de son

originalit et rapidit par rapport lUMTS standard qui a fait lobjet de la premire

partie. En effet, le HSDPA ne met pas en uvre de contrle de puissance qui est

remplac par la technique dAdaptation en Modulation et Codage (AMC), et donc

ncessite lintroduction de nouvelles rgles de dimensionnement diffrentes de celles de

lUMTS de la Release 3 (1999). En plus, le HSDPA se base sur des techniques rapides (2

ms de cadence du TTI : Transmission Time Interval) telles que le squencement

(scheduling) et la retransmission HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) oprant au

niveau du node B. Ces techniques font intervenir plus clairement la dynamique

temporelle que les systmes UMTS de releases prcdentes. Lintrt et la ncessit

dune simulation dynamique sont donc plus importants dans ce cas puisque la cadence et

la rsolution dintervalles de temps en HSDPA est 5 fois plus importante quen UMTS

standard (WCDMA). Dautre part, le SHO nest pas support par le canal partag

HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel) du HSDPA, do le SHO nest pas

implment dans le simulateur dynamique utilis. En effet, le HHO (hard handover)

dune cellule une autre se passe quasi-instantanment (grce au FCS : Fast Cell

Selection). Par ailleurs, les utilisateurs HSDPA simuls dans les paragraphes III.5. et

III.6. sont tous en mode paquet et nutilisent que le canal partag du HSDPA

(HS-DSCH) ne supportant pas le SHO (alors que les canaux ddis ntant pas simuls

dans ces paragraphes).

Les mthodes de dimensionnement conues sont dduites des simulations

dynamiques du rseau et inspires des enseignements et leons tirs. En particulier, les

tendances de la simulation dynamique ont permis de dgager une

modlisation mathmatique permettant de retrouver de faon systmatique le dbit par

utilisateur, la capacit de la cellule, et ltendue de la cellule couverte en fonction de la

technique de squencement. Cette dernire est choisie selon les types de services

dployer. Par exemple, la technique FT ( Fair Throughput ) est plus adapte aux

services en mode circuit ncessitant un dbit garanti donn pour tous les utilisateurs,

alors que la technique FR ( Fair Resource/Time ) est prfrable pour les services

interactifs ou en mode de tlchargement, fournissant un compromis entre la capacit

globale de la cellule en terme de dbit, et lquit des utilisateurs. Une formulation

analytique globale est tire des rsultats des simulations (tenant compte de toutes les

composantes y affrant), et partir de laquelle on extrait une mthodologie simple et

prcise de dimensionnement des rseaux UMTS bass sur la technique HSDPA (y

vi

compris la couverture et la capacit). Ce processus de dimensionnement est illustr par

des tudes de cas avec ou sans effet de masque en tenant compte des diffrents facteurs

influenant une liaison HSDPA telle que la technique dordonnancement, etc.. On

tablit particulirement la loi de distribution discrte de lindicateur de qualit du canal,

et on montre que sous certaines conditions, il peut tre exprim laide de la diffrence

de deux lois gaussiennes. Enfin, on teste et on valide les procdures dduites laide du

mme simulateur dynamique dans le but dtendre lapplicabilit des mthodes

introduites au cas du HSDPA.

Parmi les principales contributions du chapitre 3, llaboration et la dfinition de

nouvelles mthodes de squencement dans le cas multiservices complexe permettant

doptimiser la QoS des utilisateurs HSDPA. En effet, en plus de limplmentation des

techniques de la littrature, quatre nouvelles mthodes de scheduling sont proposes et

introduites dans le simulateur et testes avec des services multiples. Ces nouvelles

techniques constituent lune des bases de notre contribution qui sest notamment

matrialise par la ralisation dun module englobant ces mthodes de squencement

introduites dans le simulateur du projet Eurane [8]. Elles sont bases sur la

diffrentiation des services avec priorit ou leur pondration, et dautres mthodes

hybrides tenant compte de la qualit du canal en fonction des vanouissements rapides

de Rayleigh. Ce travail peut constituer une aide prcieuse pour un oprateur souhaitant

optimiser la satisfaction de ses utilisateurs dans un environnement multiservices et par

suite implanter et dployer la technique HSDPA dans un rseau UMTS.

Au dbut de chacune des deux parties de la thse (chapitres 2 et 3), on labore

une tude mathmatique relative au contexte de chacune des deux parties. Ces tudes

analytiques consistent en la formulation mathmatique des processus de

dimensionnement des liens UL et DL et du HSDPA pour en tirer par la suite des

solutions simples et proches de lidal (comme lquilibrage de charge itratif) au

problme conjoint de la couverture lie la charge en fournissant les expressions

mathmatiques donnant la porte ncessaire de la cellule dans des conditions radio

simples, i.e. sans fluctuations rapides du canal radio. La porte trouve par la

modlisation mathmatique donnant directement le nombre de sites radio ncessaires

pour une zone bien dtermine est approximative mais suffisante pour dmarrer une

tude statique de planification et affiner la couverture et la rpartition de charge aux

cellules, par exemple dune manire itrative par la mthode de Monte-Carlo (Cette

dernire mthode a t mene grce lutilisation de loutil de planification professionnel

PLANET-EV qui a galement permis deffectuer la tche de positionnement des sites

radio). Par ailleurs, la formulation mathmatique prliminaire a aussi servi pour

percevoir lavance les difficults de ltude du lien descendant de lUMTS standard

(Release 99), pour la modlisation du paramtre dinterfrence.

vii

Enfin, lefficacit technique en termes de performance, qualit, capacit et

couverture ne doit pas masquer limportance du cot conomique engendr par les

infrastructures dployer pour un oprateur. Lingnierie radio-mobile touche aux

investissements et aux cots oprationnels. Pour cela, on a consacr le dernier

paragraphe du premier chapitre introductif de notre travail tudier la composante

conomique et son impact sur les choix requis lors de la planification. Pour cela, un

rapport qualit-cot a t dfini pour optimiser lefficacit spectrale tout en tenant

compte des cots engendrs par le dploiement des sites et des cellules. Ce concept de

cot a t appliqu ltude de cas des cellules concentriques dont la notion a t

nouvellement introduite en WCDMA avec ou sans sectorisation, en mono ou multi-

porteuses et prsente au premier chapitre. Dans ce contexte, on a pu retrouver le

nombre optimum de cellules concentriques dployer pour obtenir une performance

acceptable sans impliquer de cots supplmentaires pour loprateur tout en maximisant

le rapport qualit-cot ainsi introduit. Par ailleurs, on a tabli que ce partitionnement

na dintrt que si le coefficient dattnuation de la propagation nest pas infrieur une

valeur donne de faon obtenir une efficacit et un rendement, et ceci avec une

efficacit et rendement dautant plus importants que les quipements relatifs au site

sont coteux par rapport ceux de la cellule ou le secteur (ex : lachat dun pylne ou la

location du site dinstallation de lantenne, etc).

3. Apports et Contributions

Cette thse a permis dapprofondir la connaissance des mcanismes danalyse et

de planification des systmes radio-mobiles avancs et notamment ceux du HSDPA. Elle

contribue par lintroduction de nouvelles techniques, par lamlioration dautres

mcanismes, et par la proposition de rgles dingnierie optimises et de mthodes

globales et complmentaires de dimensionnement ncessaires pour un design et

dploiement efficaces. Les apports de cette thse pour les nouveaux rseaux mobiles et

leurs aspects avancs peuvent tre utiles aussi bien pour la communaut de recherche

quindustrielle, pour les ingnieurs de planification ainsi que pour les scientifiques ayant

besoin de modles analytiques assez prcises pour les dernires volutions et prts pour

tre utiliss de diverses manires.

Parmi les contributions principales de notre thse, on peut citer les points

suivants :

Principe des cellules concentrique en WCDMA (partitionnement des cellules) avec lexpression de son efficacit spectrale (Voir paragraphe I.4.2). Ce travail a t

prsent et publi dans les actes du Symposium (IEEE) sur les Tendances des

Communications (SympoTIC04, Octobre 2004, Bratislava, Slovaquie) [9].

viii

Impact du cot conomique sur la planification et le dploiement des cellules concentriques, et optimisation du nombre de partitions formant le motif RP (Reuse

Partitioning) donnant un compromis entre lefficacit du partitionnement et son cot

conomique engendr. Loriginalit de cette partie se situe au niveau de laspect

conomique qui nest pas souvent considr dans la littrature et les travaux de

recherche de nature technique. Cette partie de la thse a t prsente et publie

dans les actes du Symposium IEEE sur les Tendances des Communications

(SympoTIC04, Octobre 2004, Bratislava, Slovaquie) [9].

Rsolution analytique directe du problme global dallocation de la puissance dans un contexte multicellulaire en UL et en DL. Lexpression de la puissance mise par

chaque mobile dans la cellule a t galement tablie par la rsolution de ce problme

dans le cas mono-cellulaire puis le travail a t gnralis au cas multicellulaire.

Loriginalit de ce travail se situe, dune part, dans la prise en compte de plusieurs

cellules (avec leurs mobiles) et non pas une seule cellule comme dans la littrature

(Voir paragraphes II.1.1.1.3 b/ & II.1.2.1.3 b/), et dautre part dans la rsolution de

la problmatique du sens DL (Voir paragraphe II.1.2.1.3 a/) : seulement le sens UL

du cas de mono-cellule a t trait dans la littrature.

Elaboration du modle analytique de distribution du paramtre f dinterfrence extra intra-cellulaire. Loriginalit de ce modle propos rside dans sa nature exacte et

non base sur des approximations comme les modles classiques (Voir

paragraphe II.2.2). Ce travail peut apporter une ventuelle aide au dimensionnement

des rseaux daccs UMTS. En effet, les imprcisions des dimensionnements

classiques tablis en DL sont dues principalement lutilisation dans lquation de

charge du DL de valeurs moyennes du paramtre f et de celui dorthogonalit ; en

plus ces valeurs moyennes correspondent souvent des conditions et environnements

particuliers. Cette partie de la thse a t publie dans le journal Wireless Personal

Communications (WPC) de lditeur Springer [10], et prsente et publie aux actes

du 7me symposium international sur la Modlisation, lAnalyse, la Simulation des

Systmes Radio-Mobiles (MSWiM04, Octobre 2004, Venise, Italie) [11].

Nouvelle approche dallocation de la puissance dans une cellule en prsence du SHO (semi-active power control) : Voir paragraphe II.3.2.

Introduction de nouvelles techniques dordonnancement des paquets adaptes pour le cas des services multiples (Voir paragraphe III.4.2.3). On a prsent et publi dans

les actes du congrs World Wireless Congress (WWC 2005, 24-27 Mai 2005, San

Francisco, Californie, USA) [12] la description des techniques proposes et

loptimisation par simulations des paramtres caractristiques de ces techniques

(CQI seuil, pondrations,) de faon maximiser les dbits et satisfaire le maximum

dutilisateurs. Des formulations mathmatiques de deux des nouvelles techniques de

squencement introduites ont t labores dans les deux paragraphes III.4.2.3.1 a/

& c/. Ce travail a t galement prsent et publi dans les actes du Colloque

ix

Francophone sur lIngnierie des Protocoles (CFIP06, Octobre / Novembre 2006,

Tozeur, Tunisie) [13].

Elaboration dun modle analytique de la distribution discrte de lindicateur de qualit CQI en prsence de leffet de masque (Voir paragraphe III.4.6.1). Cette partie

de la thse a t prsente et publie dans les actes de la confrence Sciences of

Electronic, Technologies of Information and Telecommunications (SETIT 2007, 25-29

Mars 2007, Hammamet, Tunisie) [14] (section 2). La validation de ce modle

analytique a t galement effectue par des simulations (Voir paragraphe III.6.1.1)

et publi dans la section 4 du mme article [14].

4. Organisation et Structure du manuscrit

Le prsent mmoire est organis en quatre chapitres.

Le premier chapitre est consacr la description du processus de la planification

et les approches du dimensionnement initial telles que prsentes dans la littrature. Il

introduit ensuite une mthode de dimensionnement inspire du mcanisme de

respiration des cellules. Cette mthode itrative fondements analytiques est explicite

pour lquilibrage de charge et la dtermination de la taille de la cellule. Cette mthode

dquilibrage de charge que lon a appel Mthode itrative du point fixe est ncessaire

pour le dimensionnement initial des cellules de type WCDMA. La mthode conue est

la base des diffrentes techniques (principes de dimensionnement) labores en UL et en

DL, puis implmentes dans un outil de dimensionnement initial des rseaux UMTS

R99 effectuant lopration dquilibrage de charge tout en tenant compte de diffrentes

techniques de gestion des ressources radio RRM : Radio Resource Management (avec et

sans contrle de puissance, nouvelle technique introduite FPP (Fair Power Partitioning)

de partitionnement quitable de puissance). Ces diffrentes techniques RRM proposes

et compares constituent un apport pour les oprateurs et des options diverses mis

leurs choix selon leurs priorits en termes de critres de planification. Des courbes de

performance et des courbes de capacit et de couverture ainsi que des rsultats

numriques sont fournies par loutil ainsi dvelopp. Ce premier chapitre introductif se

termine par lextension de lapplication de la notion des cellules concentriques au

WCDMA telle que lon a propose tout en envisageant leur sectorisation, et avec la

distinction des cas dune seule et de plusieurs porteuses pour les partitions. Lexpression

de lefficacit spectrale est galement donne pour les cellules concentriques sectorises

ou non.

A la fin de ce premier chapitre, on envisage limpact de la composante conomique

sur loptimisation de la planification, et ceci pour le cas des cellules concentriques (RP)

sectorises ou non, et dont le principe pour le cas du WCDMA a t dj introduit dans

un paragraphe prcdent de ce premier chapitre. Le nombre de sous-cellules a t

x

optimis afin de maximiser un rapport qualit-cot qui a t aussi introduit et dfini

pour chercher un compromis entre le cot conomique et lefficacit en termes de

capacit et qualit.

Le second chapitre traite la planification de lUMTS standard avec lapproche

statique multicellulaire illustre par lanalyse du paramtre f dinterfrence. Parmi les

tches du planificateur radio, on peut citer le problme dallocations des puissances aux

diffrentes stations (mobiles et de base). Ce problme peut se rsoudre dans un contexte

statique, mais il est de plus en plus difficile et dlicat pour un rseau multicellulaire.

Dabord, nous prsentons une formulation mathmatique de la problmatique de

lallocation de la puissance radio (UL et DL) en UMTS dans le langage de la recherche

oprationnelle. Plusieurs alternatives analytiques sont prsentes pour la rsolution de

cette problmatique, telles que lutilisation de valeurs propres, la programmation

linaire, laffectation minimale de la puissance, et la thorie des jeux. Nous analysons

ensuite comment les mthodes par simulation comme le contrle de puissance itratif

parviennent rsoudre cette problmatique. Les deux liens montant et descendant ont

t tudis sparment et minutieusement tout en prcisant la spcificit de chacun. En

particulier, on a not que lallocation de puissance et la rpartition de la charge (par

quilibrage de charge) ne peuvent se rsoudre en DL sans spcifier une condition ou une

politique de partage des ressources radio entre les utilisateurs. Cest dans le cadre de

cette subtilit du lien descendant quon a choisi un principe bas sur la technique de

partage des ressources pour dimensionner le lien descendant laide du bilan de liaison.

A cause de la difficult laquelle le lien DL fait face, on sest propos dlaborer un

modle mathmatique de la distribution (PDF : Probability Distribution Function) du

paramtre f. En effet, on tablit le modle analytique de distribution du paramtre f en

DL dans le cas de la propagation dterministe puis on la gnralis en prenant en

considration leffet de masque. Notre modle est affin galement au cas

multi-interfreurs, et envisag les deux cas de trafic uniforme et non uniforme. Lintrt

particulier de la connaissance prcise de ce paramtre et de sa distribution a t

prsent du fait quil permet de rduire denviron la moiti la complexit des calculs

classiquement effectus dans les simulateurs statiques de type Monte-Carlo. Le modle

exact tabli a contribu aussi la correction et lamlioration de la prcision de la valeur

moyenne de la littrature du paramtre f. Ensuite, on se sert de la valeur corrige de ce

paramtre dans lintroduction dune nouvelle procdure semi-analytique de

dimensionnement radio base mathmatique rutilisant les bilans de liaisons service

multiples dans le lien descendant. La procdure de dimensionnement prsente amliore

les anciennes approches adoptes dans le bilan de liaison en DL. Puis on utilise notre

modle analytique tabli dans lamlioration du processus doptimisation

post-planification en proposant une nouvelle technique dallocation hybride de puissance

en prsence de SHO et de macrodiversit qui dsactive (supprime) le CP (Contrle de

xi

Puissance) uniquement dans la zone de chevauchement entre les cellules, et active le CP

ailleurs. On modlise de faon prcise le gain apport par cette nouvelle mthode de

gestion de la puissance du node B en DL tout en exploitant ltude dj effectue sur le

paramtre f. Aprs avoir prsent et compar les diffrentes approches de simulations

(simulateurs statiques ou dynamiques), on labore une tude de cas de simulation

statique effectue laide dun outil de planification commercial (PLANET-EV) sur une

zone urbaine de la ville de Tunis. Les rsultats de planification de cette tude de cas sont

prsents selon les phases projetes ainsi que et ceux gnres par loutil PLANET-EV

(rsultats graphiques et numriques). De tels rsultats de simulation sont prsents

avec des exemples concrets et dtaills et la configuration finale retenue aprs la

planification par loutil statique PLANET-EV.

Par dfaut de prcision du simulateur statique, la seconde partie de ce travail

(chapitres 3 et 4) est consacre une tude dynamique plus fine pour valider les

rsultats du chapitre 2. Le chapitre 3 dbute par une partie de comparaison des rsultats

gnrs par loutil de planification statique ceux tirs par un simulateur dynamique

appliqu lUMTS standard avec la mme configuration. En effet, la prise en compte de

laspect dynamique permet de modliser et dapprhender de faon prcise la qualit de

service relle perue par lutilisateur et par les nuds du rseau en termes de dbit

coul, paquets retransmis ou perdus, etc Ensuite, nous prsentons une description

succincte des diffrentes techniques sur lesquelles se base le HSDPA pour amliorer les

performances et acclrer le dbit de la liaison descendante de lUMTS. Ensuite, une

analyse mathmatique du HSDPA et de ses paramtres est effectue pour trouver une

relation simple entre le dbit dun mobile et la distance au node B. Ceci est relev par

lutilisation du modle qualit / dbit mis en jeu dans la norme [1] et implment dans le

simulateur. On a modlis aussi la limitation de la capacit du HSDPA par le nombre de

codes pour parvenir par la suite distinguer les mthodes de dimensionnement du

HSDPA selon quil soit limit par la couverture ou par la capacit tout en tenant compte

de la technique de squencement utilise. Des tudes analytiques portent aussi sur le cas

multi-services et sur la diversit multi-utilisateurs. Ltude de cette dernire est motive

par le fait que le facteur dactivit dun service a un impact important sur le

squencement des paquets et par suite sur la capacit globale de la cellule. Limpact de

linterfrence intracellulaire sur les performances du HSDPA est galement analys en

testant deux valeurs de linterfrence intracellulaire. En parallle avec la modlisation

mathmatique des diffrentes techniques dordonnancement des paquets, de nouvelles

techniques adaptes au cas de services multiples sont introduites et modlises

analytiquement. Les techniques classiques de squencement sont insuffisantes pour

grer des services de diffrentes natures, cest pour cela quon propose limplmentation

des nouvelles techniques que introduites, dans ce manuscrit, pour le HSDPA dans le cas

multi-services. A la fin de ltude mathmatique, on tablit un modle mathmatique de

xii

la distribution de lindicateur de qualit du HSDPA (CQI : Channel Quality Indicator)

avec prise en compte de leffet de masque ; et ceci en mettant en jeu leffet du mcanisme

dadaptation en modulation et codage pour diffrentes techniques de squencement. Des

rsultats de performances sont fournis par le simulateur dynamique pour un ou

plusieurs services pour la validation du modle analytique tabli de distribution du

paramtre CQI en prsence de leffet de masque. Pour le cas multiservices, on

implmente et optimise les paramtres des nouvelles techniques dordonnancement

introduites en fonction des rsultats de performance des tests effectus (en termes de

dbits et de satisfaction des diffrents types de services). Ces techniques sont galement

intgres dans le simulateur dynamique et testes de nouveau pour leur validation. Des

rsultats de performance issus de plusieurs simulations sont prsents et exploits pour

comparer par la suite les techniques de squencement testes (du point de vue dbit net,

temps de latence, taux de retransmissions). Le choix de la catgorie du terminal en

fonction de la technique de squencement est galement introduit comme rsultat des

simulations effectues. A la fin de ce chapitre, on prsente une perspective concernant la

combinaison des deux tudes statiques et dynamique en incorporant le paramtre f dans

le modle canal introduit dans le simulateur dynamique pour ltendre au cas multi-

cellulaire,

Enfin, dans le dernier chapitre, on envisage limpact des diffrentes techniques du

HSDPA sur la conception de nouvelles mthodes adquates de dimensionnement radio

de ce systme. En effet, la relation tablie entre la taille de la cellule et le dbit net

support par la liaison sert llaboration dune mthodologie prliminaire base

semi-analytique, et dun organigramme propos pour le dimensionnement des rseaux

bass sur le HSDPA. Le modle mathmatique incluant limpact du facteur dactivit, de

leffet de masque, et du type de la technique de squencement et qui est valid par les

simulations effectues sert ensuite pour automatiser la mthode de dimensionnement

dj conue et enrichir loutil de dimensionnement dj dvelopp par les nouvelles

fonctionnalits du HSDPA. Des exemples dtudes de cas concrtes sont introduits pour

mettre en application les mthodes conues bases sur la gnration de tableaux et de

courbes de dimensionnement et de couverture radio du HSDPA, et pour comparer les

rsultats de dimensionnement du HSDPA avec ceux de lUMTS standard. Des

alternatives de dimensionnement sont ensuite proposes loprateur HSDPA, bases

sur la technique de partage des ressources radio.

1

CChhaappiittrree 11 :: PPllaanniiffiiccaattiioonn rraaddiioo ddee llUUMMTTSS

((WWCCDDMMAA)) eett ttuuddee ddee ccaass

Des modles et des procdures de planification ont t labors dans la

littrature afin de faciliter le travail des industriels et des oprateurs de

lUMTS. La premire partie de ce chapitre est consacre ltude des

processus de dimensionnement entams dans la littrature pour la

planification prliminaire dun rseau daccs radio UMTS avec la

formulation analytique ncessaire pour matriser la charge en UL et DL.

On introduit ensuite une mthode pour le dimensionnement initial en

mettant en jeu le mcanisme de respiration de cellules (mthode itrative

du point fixe), et ce pour chacun des liens UL et DL. Cette mthode est

intgre dans un outil de dimensionnement quon a dvelopp. La

procdure de dimensionnement ainsi propose est base sur des abaques

pouvant tre gnres par notre outil.

Le chapitre se termine par une tude de cas particulire de la planification

dun motif de cellules concentriques (RP) dont le principe a t

nouvellement introduit en WCDMA. Lexpression de lefficacit spectrale

gnralise de ce nouveau concept a t galement fournie la fin du

chapitre. Cette tude sert comme support pour la partie de loptimisation

conomique des cellules concentriques (RP). En effet, puisque le volet

conomique est important pour les oprateurs UMTS, un rapport

qualit-cot est introduit ensuite pour optimiser la configuration de ce

motif RP.

I.1. Etat de lart de la planification du rseau daccs radio

UMTS

I.1.1 Spcificit de la planification en CDMA par rapport celle en

TDMA

Alors que pour les rseaux analogiques ou GSM, la planification radio revient

dfinir un motif de rutilisation de frquences et un espacement minimum entre les

frquences dune mme cellule, le problme des frquences radio-lectriques est

beaucoup plus simple rsoudre dans un rseau UMTS puisque le nombre de porteuses

utiliss par un seul oprateur est limit (2 3 porteuses). En revanche, la subtilit

daffectation de frquences en GSM est remplace par celle de la planification des codes

dembrouillage par cellule pour chaque porteuse utilise.

Les rseaux cellulaires de type TDMA, comme le GSM et a fortiori GPRS,

reposent sur la dcomposition du processus de dimensionnement ou planification en

2

deux tches. Ces dernires bien qutroitement lies permettent un processus de

dimensionnement itratif comportant deux phases. Une premire tape consiste

prvoir les besoins en couverture radio (nombre de sites radio et zone de couverture par

site) sur la zone gographique avec prise en compte des donnes terrains et des lois de

propagation. La densit de trafic est aussi prise en compte ce stade pour choisir des

tailles de cellules adaptes au besoin dcoulement de la demande des abonns.

Laffectation de ressources intervient ensuite pendant la deuxime phase. Plus

communment, on parle de plan de frquences dont le but est dattribuer des frquences

aux stations de base tout en minimisant les interfrences (ou maximisant le C/I). Pour

les systmes de type TDMA il sagit donc de converger de manire itrative vers des

solutions offrant des qualits de service acceptables (contrle du C/I par service) au

moindre cot (minimiser le nombre de sites radio et sauvegarder le spectre allou

loprateur en utilisant le moins de porteuses possibles). Une premire tude de

planification des rseaux CDMA a t entame en [15] pour passer aux nouvelles

technologies radio. Une tude complmentaire sur la planification de frquence a t

galement mene dans [16]. Il sagit dans le cadre de cette thse de mener terme ce

passage vers la nouvelle gnration des rseaux mobiles de type cellulaire en

envisageant ses nouvelles techniques et particularits et leur impact sur le processus de

dimensionnement et la planification radio.

Contrairement aux systmes prcdents comme GSM, de type TDMA, o le

processus de dimensionnement peut tre spar en plusieurs tches, les systmes CDMA

de la nouvelle gnration de rseaux europens de type UMTS ncessitent une

optimisation conjointe : Couverture radio et trafic sont troitement lis. Il ne sagit plus

de trouver un plan de frquence adquat pour une prvision de couverture donne, mais

dallocation de puissance optimale aux terminaux. Sur la voie montante du mode FDD de

lUMTS, cest surtout un problme de porte. Les bilans de liaison pour plusieurs

services (voix 16 Kbps, services donnes 128 Kbps et 384 Kbps) sur la voie radio

indiquent que la porte maximale ne dpasserait pas 2,5 Km. Cest en ralit la voie

descendante qui limite vraiment la couverture de chaque site cause de la limitation en

la puissance totale du node B. La taille de la cellule diminue en fonction de la charge de

trafic pour maintenir la qualit de service ou limiter les interfrences. Une forte densit

de trafic peut donc imposer une densification des sites. Le dimensionnement consiste en

grande partie prdire ou trouver les bonnes tailles de cellules suite la rsolution du

problme doptimisation conjointe.

Laspect conjoint mentionn ci-dessus de la couverture et de la capacit en

UMTS est du lemploi dune seule porteuse dans la technique daccs multiple utilise

CDMA (Pas daffectation de frquences comme en GSM) do la limitation de la capacit

du systme par le niveau dinterfrence reue. Le mcanisme de respiration de cellule en

CDMA illustre cette interdpendance. A cet aspect sajoute le fait que lUMTS utilise non

seulement le mode circuit comme le GSM mais aussi le mode paquet. Cela implique des

3

changements dans la philosophie, le processus et les procdures de planification en

UMTS cause des nouvelles techniques et composantes introduites en UMTS par

rapport au GSM tel que le canal partag qui a t normalis spcifiquement pour les

services en mode paquet pour lesquels les donnes transmises sont sporadiques et que le

standard UMTS doit supporter.

I.1.2 Dimensionnement initial dun rseau daccs radio WCDMA

Le dimensionnement initial ou la planification prliminaire dun rseau WCDMA

est la premire tape du processus global de la planification permettant une premire

valuation rapide de la densit et de la configuration des sites requis, de la capacit

offerte des lments du rseau WCDMA planifier et de la couverture estimer

conjointement avec la capacit. Cette tape prcde la planification dtaille

(proprement dite) souvent base sur des outils logiciels professionnels assez performants.

Elle permet de donner une ide initiale mais importante sur nombre de sites radio

dployer et les cots de linfrastructure engendrs. Cette tape est dsigne dans le reste

du manuscrit par dimensionnement initial ou planification prliminaire. Le

dimensionnement initial radio comprend :

- Le bilan de liaison radio permettant de dfinir lattnuation maximale que la cellule peut supporter en uplink (UL) et en downlink (DL). Il est ralis pour

chaque type de service et inclue les aspects spcifiques au WCDMA tels que la

marge de dgradation de linterfrence due laugmentation supplmentaire du

niveau du bruit caus par le trafic prsent, la marge de lvanouissement rapide

due au contrle de puissance rapide qui doit suivre minutieusement (chaque 0,66

ms) les fluctuations rapides du fast fading, et le gain du SHO (Soft Handover)

spcifique aux rseaux de type CDMA,

- Analyse conjointe de la couverture et de la capacit, - Estimation du nombre ncessaire de sites radio et de nodes B.

Les paramtres dentre de notre problme de dimensionnement sont :

9 la distribution des services aux diffrents utilisateurs (taux de pntration des diffrents services parmi les mobiles actifs),

9 la densit de trafic (nombre des utilisateurs par unit de surface pour chaque zone de service planifier),

9 les estimations de la croissance chronologique des nombre dabonns pour chaque service,

9 la qualit de service requise (QoS cible) en termes de rapport Eb/N0 (Signal Energy per bit to Noise power density per Hertz) par service et de probabilit de

couverture cible,

9 et la GoS cible (Grade of Service) en termes de taux de blocage tolrable (en cas de services en mode circuit) ou de dbit minimum garanti pendant un pourcentage

de temps de service requis (en cas de services en mode paquet).

4

I.1.2.1 Aspects et paramtres spcifiques au WCDMA dans le bilan de

liaison radio

I.1.2.1.1 Facteur de charge en UL

Le facteur de charge pour le lien montant dfini par [17][18][19] :

( ))1(

1

1

,0

f

NERW

k

kULbk

UL ++

= o Rk est le dbit utilis par le mobile k (MSk), W est la largeur de la bande du WCDMA,

(Eb/N0)UL,k reprsente la qualit de service requise par le service utilis par le mobile k

en UL, i.e. le seuil minimal de QoS que doit recevoir le node B par le mobile k pour que le

service considr soit satisfait, f est le facteur dinterfrence dfini par :

own

oth

II

f =

o Iown est la puissance totale mise par tous les mobiles dans la cellule et Ioth est

linterfrence reue par les mobiles connects aux autres cellules (interfrence

extracellulaire) suppose directement proportionnelle Iown (par la constante de

proportionnalit f).

Pour inclure la charge due au mcanisme de SHO, il convient de sommer sur le

nombre de toutes les connexions de la cellule [18][20] gal N(1 + CSHO) ; o N est le nombre de mobiles en absence de SHO, et CSHO est le facteur SHO Overhead (fraction du

nombre des mobiles en prsence de SHO par rapport celui en labsence de SHO).

La marge dinterfrence en UL (augmentation de linterfrence par rapport au

bruit) ou Noise Rise est dfinie par :

)1(1

_UL

riseNoise =

I.1.2.1.2 Facteur de charge en DL

Le facteur de charge en DL est donn par [17][18][19][21] :

( ) ( ) +=j

jjj

jjDLbDL fRW

vNE)1(

.,0

o

Ri est le dbit du service utilis par le mobile, W est le dbit chip, (Eb/N0)DL,i reprsente la QoS requise pour le mobile i en DL incluant les diffrents

gain du bilan de liaison radio ainsi que laugmentation moyenne de la puissance due

au contrle de puissance rapide,

vj est le facteur dactivit en DL, j est le facteur dorthogonalit qui dpend de la propagation multi-trajets, et

(1.1)

(1.3)

(1.2)

(1.4)

5

fj est le facteur dinterfrence extra intracellulaire pour le mobile j (en DL) donn par :

=mn jn

jmj L

Lf

,

,

avec Lm,j est laffaiblissement entre la station node B serveuse m et le mobile j, et Ln,j est

laffaiblissement entre une autre station node B n (diffrente de m) et le mobile j.

De mme quen UL (paragraphe I.1.2.1.1), on pourra sommer, dans (1.4), sur le

nombre total des connexions radio de la cellule N(1 + CSHO) pour inclure la charge due aux mobiles en SHO [18][20].

La puissance totale du node B m (station serveuse) en DL scrit [21] :

( )( )

+

=

i mn inim

iiiiDLb

iim

iiiDLbN

L

L

W

vRNE

LW

vRNEP

P

,

,,0

,,0

)1(1

o PN est la puissance de bruit au niveau du mobile (UE : User Equipment). Pour le cas

spcial dun seul service N utilisateurs, (1.6) devient :

( )( ) ( )fN

WRvNE

LNW

RvNEP

PDLb

DLbN

+=

)1(1 0

0

avec L , et f sont respectivement lattnuation moyenne dans la cellule, le facteur dorthogonalit moyen et le rapport dinterfrence extra intracellulaire moyen.

Dans ce cas, la valeur moyenne DL du facteur de charge en DL dans la cellule sera dfini par :

( ) ( ) +=j j

jjDLbDL fRW

vNE)1(

.,0

Dans le cas de plusieurs services, la puissance ncessaire (1.6) peut tre

gnralise en [21] :

( )( )

=

=

+

=s

j

jjjjjj

DLb

s

j

jjjjj

DLbN

fNW

vRNE

LNW

vRNEP

P

1

)()()()()()(

0

1

)()()()()(

0

)1(1

avec s est le nombre de services, N(j) est le nombre des utilisateurs du service j,

(Eb/N0)DL(j), R(j) et v(j) sont respectivement la QoS cible, le dbit et le facteur dactivit du

service j et )( j

L , )( j et )( jf sont respectivement les valeurs moyennes de lattnuation,

du facteur dorthogonalit et du facteur dinterfrence extra intracellulaire du service j

dans la cellule, dpendant de la distribution des utilisateurs concerns par ce service.

(1.9)

(1.5)

(1.6)

(1.7)

(1.8)

6

I.1.2.2 Estimation de la marge de shadowing : Equations de couverture

Le bilan de liaison radio permet destimer lattnuation isotropique maximale

permise (MAPL). Ce bilan ncessite lextraction de la valeur de la marge de shadowing

(Evanouissement lent) qui est lie la probabilit de couverture.

La probabilit de couverture dpend des paramtres suivants :

- Constante n du modle de propagation (donnant la pente de laffaiblissement) : 3,5 par exemple,

- Ecart-type du fading lent log-normal, - Autres pertes (Indoor, Incar, ) : En Indoor, lcart-type de leffet de masque

(shadowing log-normal) = 10 12 dB, alors quen Outdoor, il est de 6 8 dB.

La probabilit de couverture surfacique Fu scrit de la manire suivante [22][17] :

+=b

bab

baaerfFu

.11.

..21exp)(1

21

2

o

2.0

rPxa

= et 2.

log..10 10

enb =

avec

: Ecart-type de leffet de masque x0 : Seuil moyen de la sensibilit de puissance

Pr : Niveau moyen de puissance sur le contour de la cellule

La diffrence x0 Pr dsigne la marge de shadowing

erf : fonction erreur error function dfinie par :

= x t dtexerf 0 22)( La probabilit de couverture Cu sur le contour est donne par

[ ])(121

aerfCu =

I.1.2.3 Analyse de la capacit et de la couverture dans la phase initiale

de la planification

La relation conjointe et troite entre la couverture et la capacit en CDMA est

observe clairement travers le phnomne classique de respiration des cellules (Cell

breathing). Au cours du dimensionnement initial, limpact du trafic sur la porte de la

cellule se situe au niveau du paramtre Noise rise qui limite lattnuation maximale

(MAPL) dans le bilan de liaison. Ce paramtre traduit linterfrence maximale supporte

par le rseau (supplmentaire au bruit du rcepteur). Le bilan de liaison tient compte, en

plus des paramtres de pertes et de gains classiques, du dbit par service (qui apparat

dans le gain dtalement), de la vitesse du mobile (incluse dans la marge de fading

(1.10)

(1.11)

(1.12)

(1.13)

7

rapide), du rapport de qualit requis (Eb/N0), de la macro-diversit (par le gain de SHO),

etc.

La porte de la cellule dpend donc du nombre dutilisateurs simultans dans la

cellule par lintermdiaire du paramtre Marge dinterfrence . Ainsi, loprateur doit

avoir une vision claire sur la distribution des abonns et leur croissance puisque la

charge a un impact direct sur la couverture. Rappelons que le dimensionnement global

dun rseau UMTS multiservices quivaut au dimensionnement du service le plus

contraignant.

Dhabitude, un rseau daccs CDMA doit tre dimensionn avec un facteur de

charge de 50% (Niveau dinterfrence gal celui du bruit) mais ne dpassant pas 75%

(Noise rise de 6 dB), sinon il y a un risque dinstabilit (Voir simulations du paragraphe

I.3.).

I.2. Mthode itrative du point fixe

A cause de la dpendance mutuelle de la capacit et de la couverture en WCDMA

par lintermdiaire de la respiration des cellules, le bilan de liaison radio ne doit pas tre

simplement statique mais plutt dynamique. Ainsi le dimensionnement radio utilisant

un bilan de liaison classique ne donne pas des rsultats prcis : En effet, il fournit soit

un sous-dimensionnement (non souhait), soit un sur-dimensionnement (coteux). Pour

cela, le planificateur doit appliquer le rsultat dquilibre induit par la respiration de

cellules.

Dans ce paragraphe I.2., la mthode itrative du point fixe est propose pour

chacun des liens (UL et DL) permettant de retrouver le point dquilibre de la respiration

de cellules, do un dimensionnement initial prcis. Cette mthode accepte une densit

de trafic (dutilisateurs par service) dont la prvision doit tre planifie par phases tout

en tenant compte des marges radio ncessaires. Dans la suite de ce chapitre (paragraphe

I.3.), les simulations de dimensionnement sont effectues sur la base de cette mthode

dont la description se trouve ci-aprs.

I.2.1 Mthode itrative du point fixe en UL

Dans la prsente mthode propose, les puissances des mobiles sont supposes

fixes la valeur maximale tolre par le terminal de faon chercher la taille

maximum possible par cellule et par la suite minimiser le nombre de sites radio requis

pour le dimensionnement. Pour cela, la distribution des utilisateurs est connue selon les

types de services (pourcentages), et la densit de trafic est suppose uniforme dans la

zone de service tudie (au lieu de donner les gains hi des liens entre le mobile i et

chaque node B comme prcdemment). La mthode itrative ci-dessous est base sur la

respiration de cellules et la dpendance mutuelle de la couverture et la charge de la

cellule. Le cas de trafic non uniforme (ou de cellules charges diffrentes ou non

8

quilibres) est envisag dans le paragraphe II.2.2.2.3. Puisque cette mthode est base

sur un bilan de liaison (dynamique), le SHO est pris en compte par lintermdiaire dun

gain radio. Par ailleurs, un sur-dimensionnement supplmentaire devra tre effectu

pour tenir compte de la zone de chevauchement entre les cellules contenant les mobiles

en SHO. Ce sur-dimensionnement peut tre substitu par la considration du nombre de

connexions total N(1 + CSHO) dans le facteur de charge (paragraphe I.1.2.1.1). Pour le lien montant, la relation conjointe et troite entre la couverture et la

capacit en CDMA est observe clairement dans le phnomne classique de respiration

des cellules (Cell breathing). Au cours du dimensionnement initial, limpact du trafic sur

la porte de la cellule se situe au niveau du paramtre Noise rise qui limite lattnuation

maximale (MAPL) dans le bilan de liaison. Ce paramtre (Noise rise) traduit

linterfrence maximale supporte par le rseau (supplmentaire au bruit du rcepteur).

Le bilan de liaison tient compte, en plus des paramtres de pertes et de gains classiques,

du dbit par service (dans le gain de traitement PG), de la vitesse du mobile (dans la

marge de fading rapide), du sens de la liaison (par lintermdiaire de Eb/N0), de la

macro-diversit, etc.

Lquation gnrique du CDMA (Expression de Eb/N0) permet dtablir le facteur

de charge (pour les deux liens) dfini ci-dessous (daprs (1.1) ). On peut aussi extraire ces expressions partir du bilan de liaison :

=

+

+=N

j

jjb

UL

vRNE

Wf

1

0

1

1)1(

avec f est le rapport entre linterfrence extracellulaire et intra-cellulaire. Le Noise Rise

nest autre que UL1

1.

Un rseau daccs CDMA est typiquement dimensionn avec un facteur de charge

maximum de 50% par exemple (Niveau dinterfrence gal celui du bruit) mais ne

dpassant pas 75% (Noise Rise de 6 dB), sinon il y a un risque dinstabilit (Voir

simulations avec leurs organigrammes au paragraphe I.3.).

Lexpression (1.14) du facteur de charge en UL peut tre regroupe en services :

( ))1(

1,0

f

NERW

N

j

jULbj

jUL +

+=

avec Nj est le nombre dutilisateurs du service j. Dans notre simulation, la distribution

des utilisateurs selon les services est suppose selon des fractions j dutilisation dun service j tel que :

Nj = j.N avec N est le nombre dutilisateurs total de notre zone de service. Ainsi (1.15) devient :

(1.15)

(1.16)

(1.14)

9

( )aNNf

NERW

j

jULbj

jUL =

+

+= )1(