Chap5-Mobilité

8/18/2019 Chap5-Mobilité

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Gestion de la mobilité dans les

réseaux radio-mobiles


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Mobilité vs Technologies


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Mobilité vs Distance


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Gestion de mobilité : objectifs et problèmes


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Introduction et définition générales

Services de mobilité =

Disposer de services de télécommunications sur unezone,

Poursuivre une communication tout en se déplaçant.

Service offert au sens le plus large dans les systèmescellulaires (e.g. GSM avec couverture internationale).


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Gestion de mobilité : niveaux de gestion

• 2 définitions de la mobilité Gestion de la mobilité radio (mobilité locale) :

permettre à un abonné de changer de cellule tout

en maintenant sa communication

Gestion de la mobilité réseau (mobilité globale,itinérance) : permettre à un abonné de bénéficier

des services auxquels il a souscrit sur toute unezone de couverture

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Mobilité radio & Mobilité réseau


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Présentation générale

Principales fonctions liées à la mobilité :

Capacité pour un mobile de recevoir ou d’émettre desappels en cours de déplacement

gestion de la localisation,

Sélection/resélection de cellules,

Maintien d’une communication en cours sans coupure

Handover,


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Augmentation de la mobilité au niveau spatial

Locale (sans fil, radiomessagerie privée),

Régionale (systèmes de radiocommunications privés),

Nationale (réseaux cellulaires),

Internationale (roaming avec GSM),

Globale (GMPCS : Iridium, Globalstar, Odyssey, ICO,

Teledesic).


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Augmentation de la mobilité au niveau trafic

Les abonnés :

Utilisent les systèmes mobiles de plus en pluscouramment (sans fil résidentiel, radiomessagerie,

cellulaires, WLANs,…)

Services de plus en plus riches (capacité plusimportante)


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Augmentation de la mobilité au niveau services

• Services de voix,

• Fax,

• GSM = RNIS radio,

• Services de données ( Mobile Internet ) parsystèmes cellulaires ou par satellites,

• Multimédia, vidéo, …


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Impact de la mobilité sur les réseaux

Coût de la mobilité :

Réseau de signalisation (SS7) : réseau cellulaire : 4 à 11 fois plus chargé que RNIS

PCN : 3 à 4 fois plus chargé qu’un réseaucellulaire

Charge des MSC/VLR dans les réseaux

urbains jusqu’à 40% pour la mobilité (HO, localisation,…)


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Le contexte des réseaux Radio-Mobiles

• Position du problème :

Apparition des réseaux radio-mobiles

Nouveaux problèmes :Utilisation d’un canal radio,

Mobilité des utilisateurs


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Impact du canal de transmission

Utilisation d’un canal radio

Fiabilité médiocre

débits de transmission limités

Ressource rare

à économiser

L’interface radio = goulet d’étranglement du système


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Impact de la mobilité des abonnés

• Réseaux de télécommunications fixes :Usager associé à son terminal et son terminal

associé au point d’accès réseau.

• Systèmes de communications mobiles :Les terminaux n’ont pas de point d’attache fixe. Ils

communiquent de façon dynamique avecl’infrastructure fixe via des canaux radio. Association dynamique entre le terminal et le

point d’accès réseau.


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Mécanismes en jeu

• Mobile actif (état dédié ) : Handover ou transfert inter/intra-cellulaire

• Mobile inactif (état de veille) : deux processus activésSélection/ resélection de cellules

Gestion de la localisation ou roaming

Impact sur la QoS : proba (blocage d’appel)

proba (coupure d’appel)

…


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Gestion de la mobilité réseau

• Processus de Sélection/resélection de cellules : permet au mobile

de recevoir les informations du réseau (caractéristiques descellules, paramètres d’accès au réseau et localisation)

de se caler (camping) sur une cellule particulière.

• Gestion de la localisation (itinérance) : permet au système deconnaître à tout moment la position du mobile avec plus ou moins

de précision


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Sélection/resélection de cellules (1)

Objectif : permettre à la station mobile de choisir une cellule particulière du réseau pour :

Enregistrer les informations diffusées par le réseau aux mobiles,

Être prête à se connecter au réseau en cas de communication,

Signaler ses mouvements au réseau,

Infos diffusées + mesures des signaux reçus choix d’une BTS privilégiée.

Nécessité d’être en état de veille

Sélection : réalisée uniquement à la mise sous tension du mobile

Resélection : réalisée lors du déplacement du mobile, après une première

sélection Mais la même procédure de choix de cellule


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À la mise sous tension : Recherche des porteuses du système : Scruter tous les canaux du système, Utiliser une liste établie lors de la dernière phase d’activité,

Sélection de porteuses parmi les plus puissantes,

Recueil des informations diffusées : état des cellules, paramètres d’accès,localisation, paramètres de handover, synchronisation, emplacement descanaux en fréquence et en temps,…

Enregistrement éventuel dans la zone de localisation de la cellule choisie.

En mouvement (resélection) : si la cellule n’est plus perçue alors resélectiond’une meilleure cellule


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En cours de déplacement :Si la cellule n’est plus reçue, resélection d’une meilleure cellule,

Si réception d’un message de recherche ( paging), demande

d’établissement de connexion avec le réseau,

Si la zone de localisation a changé, mise-à-jour de localisation,

Si plus aucune cellule du réseau sélectionné n’est reçue, un

nouveau réseau est sélectionné .


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Paramètres utilisés pour lasélection/resélection de cellule

Les plus couramment utilisés : Niveau du signal reçu sur le canal balise,

État de la cellule : certaines cellules peuvent être interdites à l’accès pour différentes raisons (saturation des ressources, panne d’un lienou d’un émetteur/récepteur de la cellule,…),

Identité du réseau : dans le cas où plusieurs réseaux couvrent la zoneoù se trouve la station de base,

Zone géographique : dans le cas où des abonnements par région sont possibles.

Des paramètres de type temporisation peuvent également êtreutilisés


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Pour sélectionner une cellule, une MS doit écouter les

canaux de diffusion de cette cellule pour pouvoir :Recevoir les informations du système provenant du

réseau (synchronisation, position des canaux, paramètres d’accès à la cellule, paramètres de

handover, etc…)

Recevoir les messages de paging de la part du réseau(cas d’un appel entrant),

Engendrer des établissements d’appels (appelssortants ou mise-à-jour de localisation).


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Phase de sélection/resélection decellule et de PLMN


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Tâches du mobile dans les modesveille et connecté


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Contraintes pour la sélection d’unecellule

• Faire partie du réseau sélectionné

• Ne pas être interdite à l’accès (barred )

• Ne pas se trouver dans une zone de localisation

interdite• Affaiblissement radio entre MS et BTS inférieur à unseuil

Après le choix d’une cellule, la MS cherche

régulièrement s’il n’y a pas de meilleure cellule,Si oui, celle-ci est sélectionnée.


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Gestion de la localisation / itinérance

Deux mécanismes fondamentaux utilisés dans la gestion delocalisation localisation : le système connaît la position d’un mobile à chaqueinstant, Recherche d’abonné : le système peut retrouver un mobile

Mais mécanismes antagonistes du point de vue consommation des ressources !

Compromis entre les 2 procédures

localisation Précise Floue

Consommation desressources

pour la localisation

ImportanteFaible

Consommation des

ressources pour la recherche Faible

Importante


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Niveau « 0 » : pas de localisation,recherche dans tout le réseau

Premiers systèmes (téléphone de voiture)

Opératrices, pas de localisation des abonnés

Messages de paging (recherche) à destination des mobilesémis par toutes les stations de base

Réseaux cellulaires à petite capacité Principe : pas de gestion de mobilité

recherche du mobile sur toute la couverture radio

Avantage : simplicité de gestion

Inconvénient : pas satisfaisante pour les réseaux de taille importante avec

nombre d’abonnés élevés et taux d’appels importants


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Localisation manuelle

Méthode utilisée dans le système sans cordon CT2 à bornes bubliques

Précision de la localisation = borne ou groupe de bornesRecherche en priorité auprès de la borne où l’abonné s’est

enregistré. Si pas de réponse, recherche étendue aux bornes voisines.

Principe : l’abonné se localise manuellement.Avantage : simplicité (côté réseau : gestion d’un indicateur –

côté mobile : recherche d’un message de paging).Inconvénient : faible ergonomie


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Utilisation de zones de localisation

Méthode de gestion de localisation la plus répandue à l’heureactuelle

Définit des zones de localisation (location areas).

Gestion de la localisation sans intervention de l’usager .

Le système suit les usagers dans le réseau.

La recherche a lieu dans la zone de localisation courante del’abonné.

Ressources consommées limitées à la zone de localisation del’abonné


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Définition des zones de localisation• Zone de localisation = quelques cellules ou quelques dizaines de

cellules• Zone de localisation identifiée chacune par un LAI ( Location Area

Identity)


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Les zones de localisation dans le GSM


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Mise-à-jour de localisation périodique(time-based )

• Le mobile envoie son identité périodiquementau réseau

Avantage : simplicité.

Inconvénient : consommation de ressourcesindépendante de la mobilité de l’usager.


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Mise-à-jour de localisation surchangement de zone (distance-based )

• Principe :

Le mobile écoute les informations diffusées par leréseau

Il enregistre le numéro de sa zone de localisation

Si ce numéro est différent du dernier numéro stocké

Mise-à-jour de localisation

Avantage : Mise-à-jour de localisation déclenchéeuniquement dans les cas où le mobile se déplace


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Méthodes Hybrides

• Utilisées dans la plupart des cas.La plus commune : mise-à-jour de localisation sur

changement de zone de localisation et mise à jour

de localisation périodique (GSM)


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Optimisation des tailles des zones delocalisation (1)

Méthodes analytiques (hypothèses très restrictives)

Méthode très simple : rayon des cellules R, vitesse moyenne des mobiles ,coût d’une mise-à-jour de localisation LUcost , coût d’une recherchePAGcost et N cellules/zone de localisation.

Hypothèses : cellules circulaires, densités et répartitions d’abonnés et detrafic homogènes, trajets aléatoires décorellés.

Nombre optimum de cellules par zone de localisation :

t

t

opt LU R

PAG

N cos

cos


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Optimisation des tailles des zones delocalisation (2)

Approches heuristiques

Nécessaires dans les cas réels : formes des cellules et motifsde réutilisation irréguliers, charges de trafic variables enfonction des cellules, mouvements des abonnés non décorellés

et franchissements des zones de localisation non uniformémentrépartis,…

Problème de partitionnement et de détermination des taillesoptimales des zones de localisation

Approches empiriques nécessaires pour approcher la solution

optimale Algorithmes génétiques, réseaux de neurones, …


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Architecture des bases de données pourla gestion de localisation (1)

La base de données nominale

Unique dans le réseau

Utilisée pour stocker les informations des abonnés du

réseau : nom, numéro, droits d’accès, données desécurité, … et la localisation courante de l’abonné

La recherche d’un abonné mobile commence toujours par l’interrogation de la base de données de cet

abonnéDans GSM : HLR ( Home Location Register )


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Bases de données visiteur

Plusieurs bases de données visiteur par réseau

Stocke les informations des abonnés enregistrés dans

les zones de localisation dépendant de cette base dedonnées

Informations stockées = recopie partielle desinformations de la base de données nominale des

abonnés + zone de localisationDans GSM : VLR (Visitor Location Register )


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BD nominale

Architecture centralisée


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Architecture des bases de données pourla gestion de localisation (4)Réseau 1 Réseau 2

Réseau 3Réseau 4

BD nominale

BD visiteur Architecture distribuée


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BD nominale

BD visiteur

Architecture hybride


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Exemple du GSM - Bases de données

• Gérées par le Network Sub-System (NSS)HLR (Home Location Register)

- Informations pour la fourniture des services (droits,…),

- Information de localisation de l’abonné.

• Ordinateur sans fonction de commutation.• Capacité : quelques centaines de milliers d’abonnés.• Distinct parfois de l’Authentication Centre (AuC).

• Informe l’ancien VLR du mobile pour que celui-ci effacel’enregistrement de l’abonné.


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VLR (Visitor Location Register)

• Relié à un ou plusieurs MSCs

• Stocke temporairement des données d’abonnementdes abonnés situés dans la zone de service de sesMSCs

• Garde la localisation de ces abonnés de façon plus précise que le HLR

Entité

Information delocalisation

HLR VLR

VLR courant del’abonné

Zone de localisationcourante de l’abonné


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Numérotation liée à la mobilité

IMSI (International Mobile Subscriber Identity)- identifie chaque usager,- international et invariant dans le temps,- on évite de le transporter sur l’interface radio,- identifie l’abonné et permet de l’appeler (si TMSI non disponible)

- Mobile Country Code (MCC) : pays de l’abonné.- Mobile Network code (MNC) : PLMN nominal de l’abonné.- Mobile Subscriber Identification Number (MSIN) : identifie l’abonnémobile à l’intérieur du réseau GSM.

MCC MNC MSIN

NMSI

IMSI


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TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)

- varie au cours des déplacements,

- attribué localement (par un VLR),

- n’est pas utilisé en dehors de cette zone,- intervient lors d’un établissement d’unecommunication pour identifier le mobile appelé ouappelant.


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MSISDN (Mobile Subscriber ISDN)

- numéro RNIS (Mobile Station ISDN),

- identifie l’abonné pour le « monde extérieur »,

- numéro composé par une personne désirant joindre unabonné mobile.

- Country Code (CC) : code du pays où la MS est enregistrée.

- National (significant) Mobile Number : composé du

National Destination Code (NDC) et du Subscriber Number (SN).

CC NDC CSN


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MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number)

- utilisé pour router les appels du G-MSC vers le MSC courantde la MS,

- attribué de façon temporaire, lors d’un appel à la MS par leVLR du mobile.

Structure :

- code du pays du VLR courant du mobile.

- NDC du réseau GSM ou de la zone de numérotation.

- un numéro d’abonné.- MSRN et MSISDN peuvent être identiques dans certains cas.


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Mise-à-jour de localisation périodique dans GSM

Valeurs possibles : 6 minutes-24 heures (valeur infinie possible pour annuler la m-à-j de localisation périodique). Utilisée pour palier aux pannes éventuellesdes HLR et VLR

Procédures IMSI Attach et Detach

• IMSI Attach

• IMSI Detach : Mise hors tension ou retrait de la carte

SIM


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Procédures pour la gestion de mobilité dans GSM

3 cas de m-à-j de localisation :

• inter-VLR avec IMSI (mise en œuvre lorsque

le mobile a perdu son TMSI)

• inter-VLR avec TMSI

• intra-VLR (le mobile change de zone delocalisation sans changer de VLR)


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B. Gestion de la mobilité radio

• Introduction

• Le mécanisme de handover

• Exemples dans les systèmes de première et deuxièmegénérations


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Handover (1)

Transfert automatique intercellulaire ou handover

Se produit uniquement en cours de communication.

Nécessaire pour la mise en œuvre du concept cellulaire.

Objectifs :Maintenir une qualité de communication acceptable.

Minimiser le niveau d’interférences global.

Principe général :

Changement de(s) canal (canaux) fréquentiel(s) et/ou decellule.


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Handover (2)

Causes : Déplacements du mobile et/ou des éléments environnants.

Station A Station B Station A Station B

Avant le handover Après le handover

Déroulement d’un handover inter-cellulaire


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Handover (3)

Fonctions :• Déplacement pendant l’appel,

• Éviter la rupture du lien pour causes radio « rescue handover »

• Équilibrer le trafic entre cellules « traffic handover »

• Maintenir une qualité acceptable si arrivée d’interférants,

• Optimiser l’utilisation des ressources radio, minimiser

consommation d’énergie des mobiles et niveaud’interférence global

« confinement handover »


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Handover (4)

Procédure qui touche à la fois des aspects radio et réseau.

Niveau physique – liaison de données

Changement complet des caractéristiques de la liaison radio,

Niveau réseau

Changement du point d’accès (la MS passe d’une BS à une

autre et éventuellement d’un MSC à un autre) : commutationdes liens dans le MSC.


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Handover (5)

Principe de base :

Pendant la communication (usager ou signalisation)

lien radio mesuré et évalué périodiquement.

Situation anormale alarme

Alarme choix d’une cellule cible et/ou d’unnouveau canalSi elle/il existe, alors handover,

Sinon, la communication continue sur le même canal et handovers tentés périodiquement.


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Importance croissante du Handover

Systèmes de première génération (analogiques) :

handover phénomène très rare.

Systèmes de deuxième génération (numériques) :

handovers fréquents.

Systèmes de troisième génération (futurs) :

handover mécanisme crucial.


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Déroulement du Handover (1)

Différentes phases : Réalisation des mesures et de supervision du lien,

Détermination de la cellule cible et de déclenchement,

Exécution (transfert effectif des liens).

Déclenchement

MSC MSC MSC

Qualité + Niveau dechamp

DonnéesBSA

BSB1

BSB-n BSA BSBi

…

…

BSA Données

BSBi

BSB-n

Qualité +

Niveau dechamp

Niveau de champ +

Identités

Niveau de champ +

Identités

Commutation

Réalisation de mesures et Choix de cellule cible

Réalisation de mesures et Choix de cellule cible

Exécution


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Principales mesures effectuées :

RSSI (la puissance du signal reçu),

BER (cas des systèmes numériques), permet de déduire C/I,

distance mobile-station de base (grâce à l’avance en temps).

Paramètres diffusés par une station de base :

identité de la station de base,

fréquences des canaux balises des stations de base voisines,

position (en fréquence et en temps) des différents canaux.


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Sélection des cellules candidates : exemple du système IS-95

Le mobile gère la liste des BSs candidates (candidate set ).

Une BS y est incluse ou retirée quand :

la puissance du canal pilote passe au dessus d’un seuil,

le mobile, reçoit l’identité de cette BS et reçoit les signauxde cette BS avec une puissance supérieure au seuil,

si la temporisation associée à cette BS expire,

si le mobile ajoute une BS à la liste et que la liste contient

déjà un nombre maximum de cellules, la BS dont latemporisation doit expirer le plus tôt est retirée de la liste.


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Mécanisme de déclenchement

Les critères de déclenchement utilisent principalementtrois variables de base qui sont :

durée de la fenêtre de moyennage des mesures,

niveau des seuils (seuil de puissance des signaux etseuil de qualité typiquement),

marge d’hystérésis.


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Critères de déclenchement

Puissance relative des signauxPuissance relative des signaux avec utilisation d’un seuilPerformances dépendant fortement de la valeur du seuil.

Puissance relative des signaux avec utilisation d’unhystérésisPuissance relative des signaux avec hystérésis et seuilsTechniques de prédictionBasées sur la valeur prévue de la puissance du signal.

Inconvénient principal : la complexité de traitement et difficultéde prédire les fluctuations du signal radio.


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Procédure d’exécution (1)

Hard Handover

MSC MSC MSC

Avant Pendant Après

Circuit établi (lien physique et logique) Circuit non établi


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Seamless Handover

MSC MSC MSC




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Soft Handover

MSC MSC MSC



Diffé d h d d é


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Différents types de handovers vus du réseauRTC

Réseau Mobile 1 Réseau Mobile 2

MSC A MSC B MSC C

BSC BSC BSC BSC BSC

12 3 4 5 6

1 : HO intra-cellulaire 2 : HO intra-BSC 3 : HO intra-MSC 4 : HO inter-MSC 5 : HO subséquent (A vers B puis B vers C)6 : HO inter-réseau

Handover dans les systèmes


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Handover dans les systèmesanalogiques

Développées à partir de la fin des années 1970. Principal paramètre utilisé : RSSI, Received Signal Strength

Indicator .Mesures réalisées uniquement par les BSs et à intervalles

allant jusqu’à plusieurs secondes. Les mobiles exécutent les ordres de transfert des liens.

Ne conviennent plus aux systèmes actuels à petites cellules. grandeur mesurée (RSSI) pas assez précise,

mesures réalisées à intervalles trop longs (plusieurs secondes), traitement réalisé au niveau du commutateur du servicemobile.

E l d h d d l è d


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Exemple de handover dans les systèmes de première génération : AMPS (1)

• Chaque BS mesure périodiquement les signaux provenant des MSs situées dans sa cellule et en coursde communication.

• Si la puissance du signal sur le canal de trafic, pourune MS donnée, devient trop faible, alors la BSdemande un handover au MSC.

• Le MSC détermine alors les cellules adjacentes, etleur envoie une demande de handover en indiquant lecanal de trafic utilisé par la MS ainsi que son identité.


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Exemple de handover dans les systèmes de première génération : AMPS (2)

• Chacune des BSs choisies écoute et mesure le canal de traficde la MS. Si la puissance reçue sur ce canal est suffisante pouraccueillir la MS, un acquittement est envoyé au MSC.

• En recevant l’acquittement, le MSC choisit un canal de trafic

et l’indique à la BS cible. Il envoie à la BS courante du mobileun message (fréquence du canal de trafic, identité de la BScible). Cet ordre de handover est transmis par la BS courante àla MS sur le canal de trafic (signalisation dans la bande).

• La MS se porte alors sur le canal de trafic de la BS cible. La

libération du lien avec l’ancienne BS est réalisée dès que leMSC reçoit un acquittement de la part de la BS cible.


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HO dans les systèmes de deuxièmegénération

Principales innovations :

Mesure du BER pour les liaisons point-à-point,

Mobile-assisted Handover .

Dans le cas des systèmes à pico-cellules, MobileControlled HandOver , transfert commandé par le

mobile et non plus par le réseau


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Exemple du DECT

Chaque MS scrute les canaux (slots) des BSs courante et voisines.

Elle stocke les mesures de C/I et RSSI pour chaque canal et chaque BS.

Si le signal d’une BS voisine, reçu par un mobile, est supérieur à celui de la BScourante d’au moins une certaine valeur (8 dB par exemple), alors un handover estdéclenché par le mobile.

Le mobile envoie alors une demande de connexion à la BS cible, sur le slot le moinsinterféré.

Pendant la phase d’établissement d’appel avec la BS cible, la MS garde le lien detrafic avec l’ancienne BS.

Lorsque le handover est terminé, le commutateur route les données usager vers lanouvelle BS.


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HO GSM

• MS et BTS effectuent des mesures sur les canaux radio. LeBSS moyenne les résultats des mesures suivantes : Mesures reportées par la MS (sur le SACCH) : – Puissance du signal reçu (RXLEV) sur le lien descendant (DL :

Downlink)

– Qualité du signal reçu (RXQUAL) sur DL – RXLEV des BCCH des cellules voisines

Mesures réalisées à la BTS : – RXLEV sur le lien montant (UL : Uplink) – RXQUAL sur UL – Distance MS-BTS – Niveau d’interférence sur les slots libres de cette BTS


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Conclusions

• Le Handover est l’opération la plus critiquelors d’une communication

• Il conditionne :

La qualité de service (coupures d’appels et qualitéde communication)

La capacité du système (minimisation desinterférences principalement)

Optimisation des paramètres de HO

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