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N° d’ordre: 07/STI/TCO Année Universitaire : 2011 / 2012
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES
en vue de l’obtention
du DIPLOME D’INGENIEUR
Spécialité : Télécommunication
Option : Systèmes de Traitement de l’Information (STI)
Par : RAHERINIRINA Hantaniaina Malalatiana Eulalie
ETUDE DES PERFORMANCES DU SYSTEME HSUPA AVEC
LE MECANISME DE CONTROLE DE PUISSANCE
Soutenu le 17décembre 2014 devant la Commission d’Examen composée de :
Président :
Monsieur RATSIMBAZAFY Andriamanga
Examinateurs :
Madame RAMAFIARISONA Hajasoa Malalatiana
Monsieur ANDRIAMANALINA Ando Nirina
Monsieur RAJAONARISON Roméo
Directeur de mémoire :
Monsieur ANDRIAMIASY Zidora
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
DEPARTEMENT TELECOMMUNICATION
i
REMERCIEMENTS
Tout d’abord, je rends grâce à Dieu pour sa bonté, pour m’avoir donné la santé, la force de
mener à bien l’élaboration de ce mémoire de fin d’études.
Je tiens à remercier sincèrement Monsieur ANDRIANARY Philippe Antoine, Professeur
Titulaire, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo.
Mes remerciements s’adressent également à Monsieur RAKOTOMALALA Mamy Alain,
Maître de Conférences, Chef de Département Télécommunications.
J'exprime aussi ma reconnaissance à Monsieur ANDRIAMIASY Zidora, Maître de
Conférences, Enseignant au sein du Département Télécommunication qui, en tant que
Directeur de ce mémoire, s'est toujours montré à l'écoute et très disponible tout au long de sa
réalisation.
Je tiens également à adresser mes vifs remerciements aux personnes suivantes sans qui ce
travail n’aurait pas pu être réalisé :
Monsieur RATSIMBAZAFY Andriamanga, Maitre de Conférences, Enseignant au
sein du Département Télécommunication, qui me fait l’honneur de présider le jury de
ce mémoire
Madame et Messieurs les membres du jury:
Madame RAMAFIARISONA Hajasoa Malalatiana, Enseignant chercheur à l’Ecole
Supérieure Polytechnique d’Antananarivo ;
Monsieur ANDRIAMANALINA Ando Nirina, Enseignant chercheur à l’Ecole
Supérieure Polytechnique d’Antananarivo ;
Monsieur RAJAONARISON Roméo, Enseignant chercheur à l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo ;
Je profite également de ces quelques lignes pour remercier les Enseignants et les personnels
de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo et plus particulièrement ceux du
Département Télécommunication.
Un grand merci à toutes les personnes qui m’ont aidé, soutenu et encouragé durant mes
années d’études et pendant la réalisation de ce présent mémoire : je pense bien sûr à ma
famille, mes amis et mes collègues. Enfin, je remercie toute personne ayant contribué d’une
manière ou d’une autre à l’aboutissement de ce travail………………Du fond du cœur, Merci
ii
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ...................................................................................................................... i
TABLE DES MATIERES ............................................................................................................ ii
LISTE DES NOTATIONS ET ABREVIATIONS .................................................................... vi
INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................. 1
CHAPITRE 1 EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ....................................................... 3
1.1 Introduction ................................................................................................................................. 3
1.2 La première génération (1G) du système cellulaire ................................................................. 3
1.3 La deuxième génération (2G) du système cellulaire ................................................................ 4
1.3.1 Présentation du réseau GSM ............................................................................................... 4
1.3.2 Architecture du réseau GSM ............................................................................................... 4
1.3.3 Limite du GSM ..................................................................................................................... 6
1.4 La deuxième génération (2.5G) du système cellulaire: GPRS ................................................ 6
1.4.1 Présentation du réseau GPRS ............................................................................................. 6
1.4.2 Architecture du réseau GPRS ............................................................................................. 7
1.5 La deuxième génération (2.75G) du système cellulaire: EDGE .............................................. 8
1.6 La troisième génération (3G) du système cellulaire ................................................................. 8
1.6.1 Présentation ......................................................................................................................... 8
1.6.2 Caractéristiques techniques ................................................................................................. 8
1.6.3 L’architecture générale du réseau UMTS .......................................................................... 9
1.6.3.1 Le réseau cœur ...................................................................................................................... 10
1.6.3.2 Le réseau d’accès UTRAN .................................................................................................... 10
1.6.3.3 Les terminaux UE ................................................................................................................. 11
1.6.4 L’architecture en couche du réseau UMTS ...................................................................... 12
1.6.5 Les différents canaux du système UMTS .......................................................................... 13
1.6.5.1 Les canaux logiques .............................................................................................................. 13
1.6.5.2 Les canaux de transport ......................................................................................................... 14
1.6.5.3 Les canaux physiques ............................................................................................................ 14
1.6.6 Les techniques d’accès FDD et TDD ................................................................................ 17
1.6.7 La technique d’accès WCDMA ......................................................................................... 18
1.6.7.1 Etalement de spectre ............................................................................................................. 18
1.6.7.2 Les bits pilotes ...................................................................................................................... 19
1.6.7.3 Les codes utilisés................................................................................................................... 19
1.6.7.4 Largeur de bande ................................................................................................................... 20
1.6.7.5 Organisation en temps ........................................................................................................... 20
iii
1.6.7.6 Caractéristiques du WCDMA ............................................................................................... 20
1.6.7.7 Avantages du WCDMA ........................................................................................................ 21
1.6.7.8 Les contraintes du WCDMA ................................................................................................. 21
1.6.8 Les services offerts par le réseau UMTS ........................................................................... 22
1.7 Conclusion ................................................................................................................................. 22
CHAPITRE 2 LA TECHNOLOGIE HSXPA .......................................................................... 23
2.1 Introduction ............................................................................................................................... 23
2.2 La technologie HSDPA (R5 du 3GPP) .................................................................................... 23
2.2.1 Modulation et codage adaptatifs (MCA) ........................................................................... 23
2.2.2 Technique de retransmission HARQ ................................................................................ 24
2.2.3 La stratégie d’ordonnancement rapide (fast scheduling) ................................................. 25
2.2.4 La technique MIMO .......................................................................................................... 26
2.2.5 Nouvelles entités protocolaires .......................................................................................... 26
2.2.6 Les canaux introduits pour le support du HSDPA ........................................................... 27
2.2.6.1 Le canal HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel) .............................................. 27
2.2.6.2 Le canal HS-SCCH (High Speed Shared Control CHannel) ................................................. 28
2.2.6.3 Le canal HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel) ........................... 29
2.2.7 Les débits du HSDPA ........................................................................................................ 29
2.3 La technologie HSUPA (R6 du 3GPP) .................................................................................... 30
2.3.1 Présentation ....................................................................................................................... 30
2.3.2 Architecture de l’interface radio ....................................................................................... 31
2.3.3 Les canaux de transport .................................................................................................... 32
2.3.4 Les canaux physiques ........................................................................................................ 33
2.3.4.1 Les canaux physiques de la voie montante............................................................................ 33
2.3.4.2 Les canaux physiques de la voie descendante ....................................................................... 35
2.3.4.3 Synthèse des canaux physiques introduites par la release 6 .................................................. 37
2.3.5 Associations des canaux physiques, de transport et logique ............................................ 38
2.3.6 Impact du système HSUPA sur la couche physique de l’UMTS ...................................... 38
2.3.7 Les débits de HSUPA ......................................................................................................... 39
2.4 Les configurations du sens montant en présence des systèmes UMTS, HSDPA et
HSUPA ............................................................................................................................................. 40
2.4.1 L’étalement dans la voie montante .................................................................................... 41
2.4.1.1 La canalisation ...................................................................................................................... 41
2.4.1.2 L’embrouillage ...................................................................................................................... 41
2.5 Comparaison des caractéristiques ........................................................................................... 44
2.6 Conclusion ................................................................................................................................. 44
CHAPITRE 3 TRANSMISSION DE DONNEES POUR LE SYSTEME HSUPA ............... 45
iv
3.1 Introduction ............................................................................................................................... 45
3.2 La couche physique du système HSUPA ................................................................................. 45
3.3 La structure de l’émetteur HSUPA ......................................................................................... 45
3.3.1 Le codeur CRC (Cyclic Redundancy Check) .................................................................... 45
3.3.2 Segmentation des blocs de transport ................................................................................. 46
3.3.3 Le codage de canal ............................................................................................................. 47
3.3.4 L’adaptation de débit ......................................................................................................... 48
3.3.5 Segmentation des canaux physiques ................................................................................. 48
3.3.6 L’entrelacement ................................................................................................................. 48
3.4 La structure générale d’un récepteur des canaux E-DPDCHs ............................................. 49
3.4.1 Le démodulateur ................................................................................................................ 50
3.4.2 Le décodeur de canal ......................................................................................................... 50
3.5 Le système HSUPA sur un canal gaussien .............................................................................. 51
3.6 Le système HSUPA sur un canal à trajet multiple................................................................. 51
3.6.1 Etalement Doppler ............................................................................................................. 52
3.6.2 L’étalement temporel du canal .......................................................................................... 52
3.7 Les différents types d’interférences ......................................................................................... 52
3.7.1 Interférences intracellulaires ............................................................................................ 52
3.7.2 Interférences inter-cellulaires ........................................................................................... 53
3.8 Mobilité avec le HSUPA ........................................................................................................... 53
3.9 Conclusion ................................................................................................................................. 53
CHAPITRE 4 MECANISME DE CONTROLE DE PUISSANCE DE LA LIAISON
MONTANTE ............................................................................................................................... 54
4.1 Introduction ............................................................................................................................... 54
4.2 Le contrôle de puissance en HSUPA ....................................................................................... 54
4.3 Différents type de contrôle de puissance pour le HSUPA ..................................................... 54
4.3.1 Contrôle de puissance en boucle ouverte (open-loop) ...................................................... 55
4.3.2 Contrôle de puissance en boucle fermée (closed-loop) ..................................................... 55
4.3.2.1 La boucle OLPC (Outer-Loop Power Control) ..................................................................... 56
4.3.2.2 La boucle ILPC (Inner-Loop Power Control) ....................................................................... 56
4.4 Les traitements au niveau du Node B ...................................................................................... 56
4.4.1 Le récepteur RAKE ............................................................................................................ 57
4.4.1.1 Généralités ............................................................................................................................ 57
4.4.1.2 Estimation du SIR à la sortie du récepteur RAKE ................................................................ 60
4.5 Traitement au niveau du mobile .............................................................................................. 61
4.5.1 Le premier algorithme de traitement des commandes TPC ............................................. 61
v
4.5.2 Le deuxième algorithme de traitement des commandes TPC........................................... 62
4.6 Conclusion ................................................................................................................................. 64
CHAPITRE 5 SIMULATION DES PERFORMANCES DU SYSTEME HSUPA AVEC
CONTROLE DE PUISSANCE .................................................................................................. 65
5.1 Introduction ............................................................................................................................... 65
5.2 Présentation d’OPNET Modeler ............................................................................................. 65
5.3 Hiérarchie de niveau d’OPNET Modeler ............................................................................... 65
5.3.1Au niveau réseau (Network level) ...................................................................................... 65
5.3.2 Au niveau Nœud (Node level)............................................................................................ 66
5.3.3 Au niveau processus (Process level) .................................................................................. 66
5.4 Simulation sous OPNET du contrôle de puissance ................................................................ 66
5.4.1 Rapport Signal sur Interférence cible(RSI) ...................................................................... 66
5.4.2 Présentation de la simulation ............................................................................................ 66
5.4.3 Les paramétrages des éléments du réseau ........................................................................ 67
5.4.3.1 Au niveau du RNC ................................................................................................................ 68
5.4.3.2 Au niveau du Node B ............................................................................................................ 69
5.4.4 Résultats et interprétations ................................................................................................ 69
5.4.4.1 Performance du système HSUPA sans contrôle de puissance ............................................... 70
5.4.4.2 Performance du système HSUPA avec contrôle de puissance .............................................. 72
5.5 Conclusion ................................................................................................................................. 76
CONCLUSION GENERALE .................................................................................................... 77
ANNEXE A : LE HANDOVER ................................................................................................. 78
ANNEXE B : LES ALGORITHMES DE RETRANSMISSION HARQ POUR LE
SYSTEME HSUPA ..................................................................................................................... 84
BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................... 89
PAGE DE RENSEIGNEMENTS .............................................................................................. 92
RESUME ...................................................................................................................................... 93
ABSTRACT ................................................................................................................................. 93
vi
LISTE DES NOTATIONS ET ABREVIATIONS
1. Minuscules latines
Bruit après le filtrage adapté
Bruit blanc que présente le bruit blanc gaussien additif n(t)
Interférence entre les canaux physiques
Numéro de code
Nombre de bits par sous-bloc
Indice de sous-bloc dans le bloc de transport
2. Majuscules latines
bit du canal E-DPDCH observé en sortie du détecteur HSUPA
Code OVSF généré à partir de la ligne de la matrice de Walsh- Hadamard
de taille SF
Débit chips
Débit données
Energie des bits
Energie des chips
Polynôme générateur
Densité spectrale des bruits
Nombre de bit par TTI
Nombre des chips pendant une durée TTI donnée
Nombre de bit porté par les canaux physiques E-DPDCHs
Matrice de covariance de l’interférence entre les canaux physiques
Rendement de codage après adaptation de débit
la fonction d’intercorrelation entre les codes d’étalement
Matrice de covariance du bruit qui est une matrice diagonale
Matrice de covariance représentant l’interférence totale de la antenne
réceptrice
Rendement de codage après le turbo code
Rendement total de codage
Rapport signal sur interférence instantané
SIR à la sortie de chaque récepteur RAKEqui correspond à chaque antenne
vii
réceptrice
Rapport signal sur interférence désiré
Commande TPC
Nombre de bits du canal E-DPDCH
bit transmis sur le canal E-DPDCH
L Longueur du code
Gain ou facteur d’étalement
Nombre de sous-bloc
3. Minuscules grecques
Facteur de gain d’étalement
Rapport logarithmique de vraisemblance
Facteur d’orthogonalité
4. Majuscules grecques
Pas d’ajustement de la puissance d’émission d’un chip
Pas d’ajustement de la puissance de la voie montante
5. Abréviations
16-QAM 16-Quadrature Amplitude Modulation
1G 1st Generation
2G 2nd
Generation
3G 3rd Generation
3GPP 3rd Generation Partnership Project
4-QAM 4-Quadrature Amplitude Modulation
64-QAM 64-Quadrature Amplitude Modulation
ACK Acknowledgement
AMPS Advanced Mobile Phone System
AMRF Accès Multiple à Répartition en Fréquence
AMRT Accès Multiple à Répartition dans le Temps
ARQ Automatic Repeat Request
AUC Authentication Center
BCCH Broadcast Control CHannel
BCH Broadcast CHannel
BER Bit Error Rate
viii
BG Border Gateway
BPSK Binary Phase Shift Keying
BSS Base station SubSystem
C/I Carrier to Interference
CCCH Common Control CHannel
CCTrCH Coded Composite Transport Channel
CDMA Code Division Multiple Access
CEPT Conférence Européenne des Postes et Télécommunications
CN Core Network
CPCH Common Packet CHannel
CQI Channel Quality Indicator
CRC Cyclic Redundancy Check
CRNC Controlling Radio Network Controller
CS Circuit Switched
DCCH Dedicated Control CHannel
DCH Dedicated Transport Channel
DL Downlink
DS-CDMA Direct-Sequence Code Division Multiple Access
DSCH Downlink Shared Channel
DTX Discontinuons Transmission
E-AGCH Enhanced Absolute Grant Channel
E-DCH Enhanced Uplink Dedicated Channel
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
E-DPCCH E-DCH Dedicated Physical Control Channel
E-DPDCH E-DCH Dedicated Physical Data Channel
E-HICH E-DCH HARQ Indicator Channel
EIR Equipment Identity Register
E-RGCH E-DCH Relative Grant Channel
E-RNTI E-DCH Radio Network Temporary Identifier
E-TFC Enhanced Transport Format Combination
E-TFCI Enhanced-Transport Format Combination Indicator
FACH Forward Access CHannel
FDD Frequency Division Duplex
ix
FDMA Frequency Division Multiple Access
F-DPCCH Fractional Dedicated Physical Control CHannel
FEC ForwardError Correction
GGSN Gateway GPRS Support Node
GMSC Gateway MSC
GPRS General Packet Radio Service
HARQ Hybrid Acknowledge Repeat reQuest
HLR Home Location Register
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
HS-DPCCH High Speed Dedicated Physical Control Channel
HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel
HS-PDSCH High Speed Physical Downlink Shared Channel
HS-SCCH High Speed Shared Control Channel
HSUPA High Speed Uplink Packet Access
HSXPA La combinaison du HSDPA et HSUPA
I In Phase
ILPC Inner Loop Power Control
IMT International Mobile Telecommunications
IP Internet Protocol
IR Incremental Redundancy
Kbps Kilobits per second
MAC-e MAC enhanced
MAC-es MAC enhanced SRNC
MAC-hs Medium Access Control - High Speed
Mbps Megabits per second
MCA Modulation et Codage Adaptatif
Mcps Mega Chip Per Second
MIMO Multiple Input Multiple Output
MSC Mobile-services Switching Center
NACK Negative acknowledgement
NEHO Network Evaluated Handover
NMT Nordic Mobile Telephone
N-SAW N processus Stop-and-Wait
x
NSS Network and Switching Subsystem
OLPC Outer Loop Power Control
OPNET OPtimum Network Engineering Tool
OSS Operation SubSystem
OVSF Orthogonal Variable Spreading Code
PCCH Paging Control CHannel
PCH Paging CHannel
PDU Protocol Data Unit
PS Packet Switched
PSTN Public Switched Telephone Network
Q Quadrature
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase-Shift Keying
R5 UMTS Release 5
R6 UMTS Release 6
R7 UMTS Release 7
R99 UMTS Release 99
RACH Random Access Channel
RLS Radio Link Set
RNC Radio Network Controller
RRC Radio Resource Control
RSC Codeur convolutionnels récursifs et systématiques
RSN Retransmission Sequence Number
SF Spreading Factor
SMS Short Message System
SFN System Frame Number
SG Serving Grant
SGSN Serving GPRS Support Node
SI Scheduling Information
SIR Signal to Interference Ratio
SRNC Serving Radio Network Controller
SSDT Site Selection Transmit Diversity
TACS Total Access Communication System
xi
TBS Transfert Block Set
TDD Time Division Duplex
TEB Taux d’Erreur Binaire
TPC Transmission Power Control
TRAU Transcoder and Rate Adapter Unit
TSN Transmission Sequence Number
TTI Transmission Time Interval
UE User Equipment
UIT Union internationale des Télécommunications
UL Uplink
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
USIM UMTS Subscriber Identity Module
UTRA UMTS Terrestrial Radio Access
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network
VLR Visitor Location Register
WCDMA Wideband Code Division Multiple Access
1
INTRODUCTION GENERALE
Les systèmes de télécommunications mobiles ont considérablement évolué durant ces
dernières années, des travaux de développement des réseaux cellulaires sont en pleine
expansion pour atteindre le haut débit et pour augmenter le nombre des utilisateurs. Après
l’apparition de la troisième génération de l’UMTS (Universal Mobile Telecommunications
System) qui a marqué l’ère de la téléphonie mobile, le HSDPA (High Speed Downlink Packet
Access) offre des débits de transmission supérieurs à 14 Mbit/s mais uniquement sur le lien
descendant. Plus vite, le HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) apparait et le succède,
en fait, le HSUPA est le complément du HSDPA dont les spécifications ont été publiées par le
3GPP (3rd Generation Partnership Project) dans la «release 6» du standard UMTS. Il permet
d’atteindre des débits qui peuvent dépasser 5.8 Mbits/s en liaison montante entre le terminal
mobile et la station émettrice.
De plus, la technologie HSUPA utilise la technique d’accès multiple WCDMA (Wideband
Code Division Multiple Access). Ce dernier est l’une des variantes de l’interface air de
l’UMTS. Le WCDMA est aussi utilisé pour offrir un débit élevé dans la voie montante. Par
contre, il ne permet pas d’éviter qu’un mobile à forte puissance bloque les autres mobiles
d’une cellule car le premier éblouirait le récepteur.
Dans cet ouvrage, nous nous sommes fixés comme objectif de voir les mécanismes permettant
de résoudre le problème des contraintes liés à l’interface radio du système HSUPA
notamment l’effet « near-far ». Cette contrainte diminue la capacité du système et la qualité
de service. L’utilisation du mécanisme de contrôle de puissance améliore le lien radio et
optimise la liaison montante. Ce contrôle de puissance permet à la station de base de recevoir
les signaux de même puissance et de prendre en compte tout type de variation
d’affaiblissement. Pour cela, nous allons adopter le plan décrit ci-dessous :
Le premier chapitre de ce mémoire nous décrira les évolutions de la télécommunication
mobile qui ont précédés les technologies HSXPA (combinaison du HSDPA et du HSUPA),
leurs architectures, ainsi que l’étude sur les liens radio de l’UMTS et ses techniques d’accès.
Le second chapitre nous expliquera les fonctionnements de la technologie HSDPA et HSUPA
en décrivant les architectures de l’interface air, les canaux introduits, les débits et les services
offerts par ces deux systèmes.
2
En troisième chapitre, nous allons voir les transmissions de données en HSUPA, les
composants d’un émetteur et d’un récepteur de cette technologie, ensuite une brève
explication du type de canal de transmission à utiliser.
En quatrième chapitre, nous parlerons comment fonctionne le mécanisme de contrôle de
puissance, ensuite quels sont les différentes sortes de contrôle de puissance utilisés en liaison
montante et les algorithmes de traitement adoptés au niveau du Node B et du mobile.
En dernier chapitre, nous allons simuler un mécanisme de contrôle de puissance utilisée pour
le réseau d’accès HSUPA afin d’évaluer ses performances.
3
CHAPITRE 1
EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
1.1 Introduction
L’explosion du secteur de la téléphonie mobile est certainement un fait majeur des années 90
dans les domaines de la télécommunication. Après une première génération, « réalisé en
analogique », des systèmes de télécommunications mobiles apparait la première norme de
téléphonie cellulaire dit GSM (Global System for Mobile communication) qui soit pleinement
numérique. La deuxième génération est la référence mondiale en matière de téléphonie
mobile. Les réseaux de téléphonie mobile sont ainsi classés en génération et chaque
génération a clairement fourni un succès de fonctionnalité à l’utilisateur mobile.
Dans ce chapitre, nous allons présenter les étapes d’évolution de la téléphonie mobile avant
l’apparition de la technologie HSXPA. Ensuite, nous expliquerons l’architecture de ces
réseaux, et enfin une étude détaillée de la technique d’accès multiple WCDMA.
1.2 La première génération (1G) du système cellulaire
Les systèmes 1G ont été les premiers à exploiter le concept de la téléphonie cellulaire
développé par les laboratoires Bell en collaboration avec quelques industriels américains dans
les années 1960 et 1970. Ces systèmes ont la particularité d’utiliser la modulation en
fréquence, qui est du type analogique et le FDMA (Frequency Division Multiple Access)
comme seul et unique mode d’accès multiple.
Advanced Mobile Phone System ou AMPS, Nordic Mobile Telephone ou NMT et Total
Access Communication System ou TACS sont les plus importants de ces systèmes. L’AMPS
s’imposait comme le standard de référence aux Etats-Unis, le NMT de Radiocom 2000 en
France et dans les pays nordiques, et le TACS pour l’Angleterre. L’itinérance internationale
(roaming) n’existait pas encore dans cette première génération de système cellulaire c’est-à-
dire que lorsqu’un utilisateur franchit une frontière vers un autre pays, alors son téléphone ne
fonctionnait pas. En termes de services, ces systèmes proposaient de la voix qui était
transmise sous forme analogique, avec une efficacité spectrale assez médiocre. Ils ne
présentaient aucune confidentialité des communications et étaient par ailleurs vite devenus
saturés [1] [2].
4
1.3 La deuxième génération (2G) du système cellulaire
1.3.1 Présentation du réseau GSM
A l’origine, l’avènement du GSM fut rendu possible par la décision de la CEPT (Conférence
Européenne des Postes et Télécommunications) qui définit en 1982 des bandes de fréquence
communes à l’Europe entière dans la bande des 900Mhz. La même année, le CEPT crée un
groupe de travail baptisé « Groupe Spéciale Mobile » ou GSM et lui confie la tâche d’élaborer
les spécifications nécessaires à l’établissement d’un réseau Européen de téléphonie mobile.
En 1988, une charte Européenne du GSM est ratifiée par 17 pays Européens et chacun de ces
signataires s’engagent à introduire un système cellulaire numérique respectant les normes
imposés par le GSM. En 1992, le GSM est rebaptisé Global System for Mobile
Communication, un changement de nom qui symbolise le passage dit concept laboratoire à
une norme concrète [1] [3].
Dans le réseau GSM, les différents utilisateurs communiquent à tour de rôle, ils ont donc un
slot de temps réservé: c’est la technique d’Accès Multiple à Répartition dans le Temps
(AMRT). De plus, les utilisateurs communiquent non pas sur une fréquence fixe, mais sur
plusieurs fréquences car le GSM dispose de 124 fréquences porteuses de 200 kHz chacune,
totalisant une bande de 25 MHz. À chaque slot correspond une fréquence : c’est la technique
de saut de fréquences, pour limiter les erreurs de transmission ou la technique d’Accès
Multiple à Répartition en Fréquence (AMRF).
Les bandes occupées par le GSM sont 890 et 915 MHz pour la voie montante, et 935 et 960
MHz pour la voie descendante. La liaison est donc full-duplex, car les deux communications
peuvent se faire au même instant sur deux bandes de fréquences distinctes. On a donc porté la
technologie GSM 900 MHz vers une bande ouverte à plus haute fréquence. C'est le système
DCS-1800 (Digital Communication System) dont les caractéristiques sont quasi identiques au
GSM en termes de protocoles et de service. Les communications montantes se faisant alors
entre 1710 et 1785MHz et les communications descendantes entre 1805 et 1880 MHz [2] [3]
[4].
1.3.2 Architecture du réseau GSM
Le réseau GSM a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles
(GSM) et abonnés du réseau téléphonique commuté (RTC - réseau fixe).
5
Ce réseau s'interface avec le réseau RTC et comprend des commutateurs et se distingue par un
accès spécifique: la liaison radio.
Le réseau GSM est composé de trois sous-ensembles :
Le sous-système radio BSS (Base Station Subsystem)
Le sous-système d'acheminement NSS (Network and Switching Subsystem)
Le sous-système d'exploitation et de maintenance : OSS (Operation SubSystem)
Figure 1.01 : Architecture du réseau GSM
Le BSS assure et gère les transmissions radios et est constitué des unités fonctionnelles
suivantes :
La Base Transceiver Station (BTS) est un ensemble d'émetteurs-récepteurs appelés
TRX (Transceiver). La BTS prend en charge la modulation/démodulation, le
chiffrement, la mise en trames et en paquets élémentaires radios. C'est un organe
avec peu d'intelligence.
La Transcoder and Rate Adapter Unit (TRAU).
La Base Station Controller (BSC) commande un ensemble de stations radios BTS. Il
gère la ressource radio, exploite les mesures effectuées par les BTS et les mobiles
pour décider un handover. Le BSC permet aussi d'effectuer une concentration des
circuits vers le MSC.
6
Le NSS comprend l'ensemble des fonctions nécessaires pour appels et gestion de la mobilité.
Il est constitué des unités fonctionnelles suivantes :
VLR (Visitor Location Register), HLR (Home Location Register), EIR (Equipment
Identity Register), et AUC (Authentification Center) qui sont des bases de données et
des authentifications
Le Mobile Switching Controller (MSC) permet des fonctionnalités telles que la
commutation, la fonction de passerelle, …
L’OSS (Operations SubSystem) est constitué de centres d’opérations et de
maintenances, qui sont utilisés pour des contrôles à distance, des administrations et
des maintenances. Il permet à l'opérateur d'exploiter son réseau. Les éléments
nouveaux dans le réseau sont délimités par le nuage [5] [7].
1.3.3 Limite du GSM
Avec la croissance des abonnées, la capacité des réseaux 2G n’est plus suffisante, la mobilité
à l’échelle mondiale n’est pas toujours garantie en plus d’une limite des offres de services. La
saturation diminue mais le nombre d’abonnés augmente d’où le problème de saturation
persiste encore. Son débit relativement faible de 9,6 kbit/s l’établit à des services de voix,
même s’il a également popularisé le SMS (Short Message System). Il y a monopolisation de
ligne par l’utilisation de la technique de commutation de circuit.
Pour contrecarrer ces insuffisances, 2 solutions peuvent être adoptées :
A cours terme : le passage vers une technologie 2.5G (GPRS, EDGE) avec un coût
d’évolution minime.
A long terme : la conception complète d’un nouveau standard (UMTS) avec un coût
élevé mais une large panoplie de service [5] [7].
1.4 La deuxième génération (2.5G) du système cellulaire: GPRS
1.4.1 Présentation du réseau GPRS
Les limitations en termes de débit du GSM ont conduit les professionnels à adopter de
nouvelles techniques. Ces dernières optimisent les infrastructures existantes tout en
minimisant le nombre de nouveaux équipements à installer pour développer le service de
transmission des données.
7
La norme GPRS (General Packet Radio Service) est un prolongement du GSM. Elle offre un
débit de données plus élevé, en l'occurrence de l'ordre de 40 kbit/s (pour un maximum
théorique de 171 kbit/s).Les opérateurs ont pu passer du GSM au GPRS sans avoir à
remplacer leurs équipements. Par conséquent, un certain nombre de " modules " est ajouté au
réseau GSM sans changer le réseau existant. La mise en place d'un réseau GPRS va permettre
à un opérateur de proposer de nouveaux services de type " Data " à ses clients [6] [7].
1.4.2 Architecture du réseau GPRS
Un réseau GPRS est un réseau IP (Internet Protocol) et est constitué de routeurs IP.
L'introduction de la mobilité nécessite par ailleurs la précision de deux nouvelles entités : ·
Le Nœud de service - le SGSN (Serving GPRS Support Node)
Le Nœud de passerelle - le GGSN (Gateway GPRS SuppportNode)
Le Border Gateway –le BG joue un rôle supplémentaire de sécurité.
Le SGSN est l’équivalent GPRS du MSC dans le réseau GSM qui a la fonction de routage des
données (notamment vers le GGSN) et le GGSN celui de la passerelle entre le réseau GPRS et
les réseaux extérieurs comme Internet.
Figure 1.02 : Architecture du réseau GPRS
8
Les communications vocales sont envoyées au MSC tandis que les paquets GPRS sont
transmis au SGSN via la PCU (Packet Control Unit). Les informations sur les utilisateurs et la
gestion de la mobilité sont, comme en GSM, renseignés dans la HLR communes aux deux
technologies. EDGE a également fait son apparition, une évolution du GPRS. On atteint ici la
2.75G, avec des débits théoriques de 384 kbit/s grâce à un changement de la modulation [5]
[6] [7].
1.5 La deuxième génération (2.75G) du système cellulaire: EDGE
Le principe de l'EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) est d'utiliser plusieurs
canaux GPRS en parallèle et les infrastructures des opérateurs n'ont pas à subir de lourdes
modifications. De plus, l'EDGE encode les données de manière plus efficace que le GPRS.
Ces améliorations se traduisent par un débit maximal théorique de 384 kbit/s. En pratique, on
est plus proche des 100 kbit/s [7].
1.6 La troisième génération (3G) du système cellulaire
1.6.1 Présentation
La troisième génération des réseaux mobiles se base sur la technologie UMTS (Universal
Mobile Télécommunications System) appelé aussi 3GSM pour signifier l’interopérabilité avec
les réseaux GSM, mais connue comme étant simplement 3G.
Le système UMTS est standardisé par le groupe 3GPP, il constitue l’implémentation
européenne des spécifications IMT-2000 de l’UIT (Union internationale des
Télécommunications). IMT signifie International Mobile Telecommunications et "2000"
représente à la fois l’année durant laquelle fut testé le système et également la bande de
fréquence de 2000 MHz utilisé par le système (1885–2025 MHz et 2110–2200 MHz).
En1998, lorsque la question du choix d’une interface radio unique et universelle est posée par
l’UIT, plusieurs techniques ont été choisies dont nous allons citer ci-après :
1.6.2 Caractéristiques techniques
Selon l’UIT, le réseau d’accès radio UMTS doit satisfaire les caractéristiques techniques
suivantes:
Garantir des services à haut débit avec un minimum de 144kbps dans tout type
d’environnement et jusqu’à 2Mbps dans des environnements intérieurs et avec une
mobilité réduite.
9
Transmettre des données symétriques (même débit montant et descendant) et
asymétriques (le débit dans les deux voies est diffèrent)
Fournir des services à commutation de circuits pour la transmission de voix et à
commutation de paquets pour la transmission de données
Qualité de parole comparable à celle des réseaux câblés
La capacité et l’efficacité spectrale doivent être supérieures à celles des systèmes
cellulaires actuels de deuxième génération
Possibilité d’offrir des services multimédias lors d’une même connexion avec des
qualités de services différentes (débit, taux d’erreurs, …) pour les différents types de
médias (voix, audio, données)
Compatibilité avec les réseaux d’accès radio de deuxième génération
Itinérance entre les différents systèmes de troisième génération, c'est-à-dire la
compatibilité entre eux.
Couverture universelle associant des satellites aux réseaux terrestres [7] [8] [10]
1.6.3 L’architecture générale du réseau UMTS
Le réseau UMTS vient se combiner aux réseaux déjà existants. Les réseaux existants GSM et
GPRS apportent des fonctionnalités respectives de Voix et de Data ; le réseau UMTS apporte
ensuite les fonctionnalités Multimédia.
L’architecture générale d’un réseau UMTS est composée de trois domaines :
les terminaux UE (User Equipment)
le réseau d’accès universel : UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network)
le réseau cœur: CN (Core Network) [6] [7]
Figure 1.03 : Architecture générale d’un réseau UMTS
10
1.6.3.1 Le réseau cœur
Le réseau cœur est responsable de la commutation et du routage des communications (voix ou
données) vers les réseaux externes (réseau public de téléphonie fixe, réseau internet, etc.). De
plus, il assure les fonctions telles que le contrôle des paramètres du réseau, la gestion de la
localisation, le contrôle de la sécurité (authentification, intégrité) et la taxation.
Il se décompose en deux domaines :
le domaine circuit (CS Circuit Switched) permet de gérer les services temps réels.
Ces services nécessitent un temps de transfert réduit tel que la conversation
téléphonique et la vidéo téléphonique. Le CS est composé du MSC, le GMSC et le
VLR ;
le domaine paquet (PS Packet Switched) permet de gérer les services non temps
réels. Ces services correspondent à la navigation sur Internet, les jeux mobiles et les
courriers électroniques. Le PS est composé du GGSN, le SGSN.
Les éléments communs de ces deux domaines sont le HLR, l’AuC, l’EIR. La base de données
HLR permet d’enregistrer le profil des utilisateurs connectés au réseau. Ces informations
consistent entre autre en un numéro de téléphone, une clé d’authentification, les services
autorisés et des informations de la localisation [10] [13].
1.6.3.2 Le réseau d’accès UTRAN
Le réseau d’accès UTRAN est constitué d’un ou plusieurs RNCs (Radio Network Controller)
qui sont liés à un ou plusieurs Nodes B par l’interface Iub.
Le Node B assure la communication radio entre les terminaux mobiles et le réseau d’accès
UTRAN. Les fonctions de ce dernier sont principalement des tâches de niveau couche
physique. Il convertit les données transmises sur le réseau vers l’interface radio. En
particulier, il prend en charge la correction d’erreur, l’adaptation du débit, l’étalement de
spectre du WCDMA, la modulation, et le contrôle de puissance du signal. Il réalise la
monitorisation du réseau, par mesure du taux d’erreur par trame (Frame Error Rate –FER).
L’équipement qui contrôle les Node-B est le Radio Network Controller (RNC).
Le rôle principal du RNC est le routage des communications entre le Node B et le réseau
cœur. Lorsqu’un mobile est en communication, une connexion RRC (Radio Resource
Control) est établie entre le mobile et un RNC de l’UTRAN. Le RNC en charge de cette
connexion est appelé SRNC (Serving RNC). Lorsque l’usager se déplace dans le réseau, il
11
peut être conduit à changer de cellule (handover) en cours de communication, et peut même
se retrouver dans une cellule faisant partie d’un Node B ne dépendant plus de son SRNC.
On appelle alors Controlling RNC, le RNC en charge de ces cellules distantes. Du point de
vue RRC, le RNC distant est appelé drift RNC. Les données échangées entre le Serving RNC
et le mobile transitent par les interfaces Iur et Iub. Le drift RNC joue donc le rôle de simple
routeur vis-à-vis de ces données [9] [10] [14] [15].
Figure 1.04 : Le rôle du RNC
Le RNC est le responsable de la gestion et du contrôle des canaux radio (établissement/
maintien/libération des connexions radio). Il est aussi responsable de la gestion du handover
quand un terminal mobile se déplace d’une cellule radio à une autre. Il gère les mécanismes
de contrôle de puissance dans les deux directions montante et descendante.
1.6.3.3 Les terminaux UE
Le terminal utilisateur (User Equipment– UE) est basé sur les mêmes principes que la station
mobile de GSM, c’est-à-dire la séparation entre l’équipement mobile et les cartes SIM de
l’UMTS (UMTS Subscriber Identity Module-USIM) [14] [15].
Les interfaces qui interconnectent les différents éléments du réseau sont:
Uu : reliant les terminaux mobiles aux Node B
Iub : reliant les Node B à un RNC
Iur : reliant deux RNC
Iu-CS : reliant les RNC au réseau cœur, dans le domaine circuit
12
Iu-PS : reliant les RNC au réseau cœur, dans le domaine paquet
Figure 1.05 : Architecture détaillée du réseau UMTS
1.6.4 L’architecture en couche du réseau UMTS
L’interface radio de l’UTRAN est structurée en couches dont les protocoles se basent sur les 3
premières couches du modèle OSI (physique, liaison de données et réseau).
La couche physique réalise les traitements du niveau physique tels que le codage de
canal, l’entrelacement, l’étalement et la modulation
La couche liaison de données est découpée en plusieurs sous-couches :
la couche MAC (Medium Access Control) permet de multiplexer plusieurs flux
de données sur un même canal de transport ;
la couche RLC (Radio Link Control) permet la fiabilité du transport des
données avec un protocole de liaison de données ;
la couche BMC (Broadcast/Multicast Control) a pour rôle d’assurer la diffusion
des messages à plusieurs équipements usagers ;
la couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) s’occupe de la
compression des données transportées, en utilisant des algorithmes de
compression des données.
La couche réseau qui est nommée RRC (Radio Resource Control) permet de gérer les
ressources de l’interface radio de l’UTRAN. Cette couche traite les signaux de
13
signalisation établis entre le réseau d’accès UTRAN et les mobiles durant les
processus d’établissement ou de libération de la communication [13] [14].
Figure 1.06 : Architecture en couche de l’UMTS
1.6.5 Les différents canaux du système UMTS
Au niveau du réseau d’accès UTRAN, les données générées par les couches hautes sont
transmises sur l’interface radio par des canaux de transport (Transport CHannel) qui sont
mappés en un ou plusieurs canaux physiques (Physical CHannel). La couche physique doit
pouvoir supporter des débits différents afin d’offrir des services de bande passante à la
demande. La figure 1.08 montre les différents canaux du réseau UMTS.
1.6.5.1 Les canaux logiques
Les services de transfert de données de la couche MAC sont fournis sur des canaux logiques.
Un ensemble de types de canaux logiques est défini pour les différents types de transferts de
données offerts par la couche MAC. Chaque type de canal logique est défini par le type
d’information transférée. Les canaux logiques sont généralement classifiés en deux groupes :
les canaux de contrôle utilisés pour transférer les informations du plan
contrôle (BCCH, PCCH, CCCH, DCCH);
14
les canaux de trafic utilisés pour transférer les informations du plan usager (DTCH et
CTCH pour le Release 99).
La notion de canal logique permet de découpler le canal de transmission de l’utilisation qui en
est faite. Ainsi on peut imaginer qu’un type de canal de transmission peut convenir à deux
utilisations différentes, c’est-à-dire supporter deux types de canaux logiques différents, ou
encore qu’il est possible de multiplexer deux canaux logiques sur un même canal de
transmission [14] [17].
1.6.5.2 Les canaux de transport
La notion de canal de transport correspond aux mécanismes destinés à fiabiliser les échanges
de données de l‘interface radio, codage canal, etc. Les canaux de transport de l‘UTRAN
représentent le format et plus généralement la manière dont les informations sont transmises
sur l‘interface radio.
Les canaux de transport se divisent en trois groupes :
Les canaux de transports communs utilisés pour le transfert de l’information d’un ou
de plusieurs utilisateurs (BCH, PCH, RACH, CPCH, FACH).
Les canaux de transports partagés utilisés pour le transport des données de contrôle
ou de trafic uniquement en voie descendante et partagés dynamiquement par
différents utilisateurs (DSCH).
Les canaux de transport dédiés qui sont des canaux point à point dédiés à un seul
utilisateur et qui transportent des données de contrôle ou de trafic (DCH).
1.6.5.3 Les canaux physiques
La couche physique est chargée de transporter l’information générée par les couches
supérieures. Il s’agit de véhiculer cette information tout en respectant les contraintes de
qualité imposées par le service (délai, débit, taux d’erreur, etc.).
Les fonctions de multiplexage et de codage canal s’appliquent aux canaux de transport par
lesquels transitent les bits délivrés par les couches supérieures à la couche physique. Les bits
véhiculés par les canaux de transport sont agencés sur les canaux physiques. Une fois qu’ils
sont présents dans ces canaux, ils subissent des traitements de signal spécifiques pour pouvoir
être transmis à travers l’air. Auparavant, les bits sont convertis en symboles et subissent
15
l’opération d’étalement de spectre qui va les transformer en « chips ». Ce sont des « chips »
qui sont transmis par l’antenne de l’émetteur après avoir été modulés et placés sur une
fréquence porteuse. Les fonctions inverses sont mises en place à la réception.
Le système UMTS utilise deux types de canaux physiques dans les deux sens montant et
descendant : les canaux dédiés et les canaux communs. Les canaux physiques sont les
ressources utilisées sur l’interface radio pour la transmission des informations. Ils varient
selon le type de l’interface qu’il soit UTRA/FDD ou soit UTRA/TDD [14] [15] [17].
La figure (1.07) illustre la chaine de transmission UTRA/FDD :
Figure 1.07 : Fonctions de la couche physique dans la chaîne de transmission UTRA/FDD
16
Les canaux physiques de la voie montante
PRACH (Physical Random Access CHannel) Canaux physiques communs de signalisation qui
supportent respectivement les canaux de
transport RACH et CPCH PCPCH (Physical Common Packet CHannel)
DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) Canal dédié pour transporter les informations
utiles de l’usager en mode paquet, associé au
canal de transport DCH.
DPCCH (Dedicated Physical Control
CHannel)
Canal dédié pour transporter les informations de
contrôle issues de la couche physique et qui sont
nécessaires pour le décodage des informations
émises sur les canaux physiques DPDCHs. Ce
canal est associé donc à un ou plusieurs canaux
physiques DPDCHs.
Les canaux physiques de la voie descendante
DPDCH (Dedicated Physical Data CHannel) Canal associé à un canal dédié DPCH. Le
partage du canal se fait par multiplexage
temporel et par allocation de codes
DPCCH(Dedicated Physical Control
CHannel)
Contrôle le DPDCH
PDSCH(Physical Downlink Shared CHannel) Canal partagé pour les transmissions
descendantes sporadiques
P-CCPCH(Primary Common Control
Physical CHannel)
Support du canal de transport BCH. Un seul
canal P-CCPCH est associé à chaque Node B
S-CCPCH(Secondary Common Control
Physical CHannel)
Support du canal de transport PCH et/ou un ou
plusieurs canaux de transport de type FACH;
Tableau 1.01 : Les canaux physiques en voie montante et descendante
Remarque 1.01 : La correspondance entre les canaux logiques et les canaux de transport est
assurée par la couche MAC de l’UTRAN. La correspondance entre les canaux de transport et
les canaux physiques est quant à elle réalisée par la couche physique de l’UTRAN. La couche
physique ne dispose d’aucune flexibilité dans cette correspondance, dans la mesure où chaque
canal de transport ne peut être supporté que par un type de canal physique donné [9] [11].
17
Figure 1.08 : Les différents canaux de l’UMTS et ses correspondances
1.6.6 Les techniques d’accès FDD et TDD
Les techniques d’accès en duplex pour le système UMTS sont la technique FDD (Frequency
Division Duplex) et la technique TDD (Time Division Duplex) :
En technique FDD, le lien montant et le lien descendant sont séparés dans le domaine
fréquentiel par un écart duplex de fréquence de 190 MHz. Ceci permet au mobile et au réseau
de faire des transmissions simultanées.
En technique TDD, le lien montant et le lien descendant utilisent la même bande de fréquence
et les communications sont séparées par des intervalles de temps différents. L’utilisation des
codes OVSF (Orthogonal Variable Spreading Code) permet de séparer les canaux dans le sens
descendant. Pour différencier la station de base de ses voisines, un code d’embrouillage est
appliqué à ses émissions. Dans le sens montant, la séparation est assurée par un code aléatoire
propre à chaque équipement usager [1] [7] [22].
Remarque 1.02 : Un slot permet de définir la fréquence de contrôle de puissance (15 KHz).
En effet, dans un slot, la puissance est maintenue constante, mais elle peut varier d’un slot à
l’autre. Chaque trame porte un numéro identificateur codé sur 12bits. Cet identificateur est
appelé SFN (System Frame Number). Le passage à une nouvelle trame de 10 ms incrémente
le numéro SFN de 1 avec une numérotation modulo .
18
La structure de la trame de base du système UMTS-FDD est décrite sur la figure 1.09:
Figure 1.09 : La structure de la trame de base
1.6.7 La technique d’accès WCDMA
L’UMTS utilise aussi la technologie W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access).
Cette dernière est un système d’accès multiple à répartition de codes, à séquence directe et à
large bande (Direct Sequence Code Division Multiple Access - DS-CDMA) basée sur la
technique CDMA.
La technique CDMA est une technique d'accès multiple grâce à laquelle les différents
utilisateurs peuvent communiquer en même temps dans une même bande de fréquences. Les
transmissions sont ainsi numérisées, dites à étalement de spectre [1] [7] [22].
Figure 1.10 : Accès CDMA
1.6.7.1 Etalement de spectre
L’étalement de spectre utilise des codes pour différencier les utilisateurs dans la même bande.
Elle permet une capacité maximale de point de vue nombre d’utilisateurs en considérant le
nombre immense de codes qu’on peut utiliser. Elle permet aussi une protection contre le
brouillage, vu que la bande du signal va être très large. Cependant elle nécessite un contrôle
de puissance très pointu.
19
Le signal passe du débit au débit et voit ainsi son spectre élargi dans la mesure où on
utilise une séquence pseudo aléatoire ou « chips ». Cette dernière est utilisée de manière
périodique c’est-à-dire que sa période pouvant être de plusieurs périodes symboles. Le rapport
peut être interprété comme un facteur ou gain d'étalement.
En réception, pour récupérer l'information, le récepteur doit effectuer la même opération : il
génère la même séquence d'étalement et la corrèle au signal reçu. Les données codées par
cette séquence sont restaurées et la puissance spectrale est augmentée alors que les données
des autres utilisateurs restent étalées. Ceci permet de diminuer le niveau de bruit pour le
signal en bande de base: plus l'étalement est important, plus les interférences ne sont
éliminées. La figure (1.11) montre le principe de l’étalement de spectre [1] [5] [9] [12].
Figure 1.11 : Principe de l’étalement de spectre
1.6.7.2 Les bits pilotes
Le WCDMA emploie une cohérente estimation dans la voie descendante et dans la voie
montante, qui est basée sur l’utilisation des symboles pilotes ou pilote commun. Les bits
pilotes sont utilisés pour l’estimation du canal au niveau récepteur pour véhiculer les
commandes de contrôle de puissance de la liaison descendante.
1.6.7.3 Les codes utilisés
Le code d’étalement (Spreading Code) : ce code réalise l’étalement et offre le débit demandé.
Le code d’embrouillage (Scrambling Code) : il est utilisé pour distinguer les mobiles et les
20
stations de bases les uns des autres. Il permet aussi de distinguer les différents signaux d’un
même terminal ou d’une même station de base.
1.6.7.4 Largeur de bande
Le débit des chips de 3.84 Mcps (Mégachips par seconde) emmène à une largeur de bande de
5MHz pour la porteuse du signal. Cette inhérence de la largeur de bande utilisée par le
WCDMA supporte des débits de données élevés et engendre beaucoup de bénéfices en terme
de performance. L’espacement entre deux canaux consécutifs peut être maintenu à 200 kHz
mais celle-ci dépend du niveau d’interférence entre ces deux canaux.
1.6.7.5 Organisation en temps
Le WCDMA soutient des hauts débits variables provenant de différents nombreux
utilisateurs, c’est-à-dire que le concept de demande de bande passante est bien supporté par le
système. Le débit doit être maintenu constant pendant chaque 10 ms de trame. Chaque trame
de 10 ms est divisée en 15 slots de 667 μs.
L’organisation temporelle est basée sur une supertrame de 720 ms, donc 72 trames.
1.6.7.6 Caractéristiques du WCDMA
Pour mieux comprendre, voici les caractéristiques techniques de la couche physique de
l’UMTS sur le tableau (1.02):
Paramètres Valeur FDD Valeur TDD
Largeur de bande 5Mhz 5Mhz
Méthode d’accès multiple DS-CDMA DS-CDMA
Mode de duplexage FDD TDD
Synchronisation de la station de base Opération asynchrone Opération asynchrone
Débit des chips 3.84Mcps 3.84Mcps
Longueur de trame 10ms 10ms
Structure Time Slot 15 slots par trame
Débit max pour un code 384kbps 144kbps
Code par trame 1code/10ms 1code/0.667ms
Services Bas et moyen débit Données en mode
paquet
Concept multi débit Multicode et facteur
d’étalement variable
Multicode et facteur
d’étalement variable
21
Estimation Symboles pilotes ou
pilotes communes
Symboles pilotes ou
pilotes communes
Multiutilisateur-Antennes Standard mais optionnel Standard mais optionnel
Handover Soft handover Hard handover
Tableau1.02 : Caractéristiques des deux techniques de multiplexages utilisés par le WCDMA
1.6.7.7 Avantages du WCDMA
En élargissant la bande, il y a moindre sensibilité aux interférences, d’où le gain de
traitement est élevé. Cela permet aussi d'accroître le nombre d'utilisateurs présents
dans une cellule et de résister aux actes des brouilleurs ;
Possibilité de transmettre des services à haut débit : avec 5 MHz de largeur de bande,
nous pouvons atteindre un débit de 2 Mbits/s.
Meilleures performances pour détecter les trajets multiples. En effet, dans un canal
de propagation à trajets multiples, des versions décalées du signal transmis
parviennent à des intervalles de temps différents. Cette propriété qui était un
inconvénient dans d'autres systèmes, va être utilisée dans un système CDMA en
combinant les signaux pour diminuer le taux d'erreurs et obtenir ainsi de meilleures
performances.
Par contre, la technique W-CDMA requiert un support matériel et logiciel plus élaboré qu’un
système à bande étroite [5] [6] [7] [22].
1.6.7.8 Les contraintes du WCDMA
Le trajet multiple : la propagation radio est caractérisée par de multiples réflexions,
diffractions et atténuations de l’énergie du signal. Elles peuvent être causées par des
obstacles comme les maisons, les reliefs,…et résultent le phénomène appelé trajet
multiple (Multipath). La différence de distances parcourues par les ondes vaut une
demi-longueur d’onde soit 7 cm pour la fréquence 2000 MHz.
Le fast-fading : les signaux en arrivant au récepteur peuvent s’annuler mutuellement,
ceci est dû au trajet multiple. Ce récepteur peut recevoir plusieurs fois le même signal
en décalage, et avec de puissance variable. Dans de zones urbaines, le délai peut être
de l’ordre de 2μs, et allant jusqu’à 20μs pour les zones suburbaines. Le récepteur
WCDMA doit donc être capable de séparer ces composantes et les combiner de façon
22
cohérente mais ce n’est possible que dans le cas où la différence entre les temps
d’arrivée de deux signaux identiques est au moins 0.26μs, qui est la durée d’un chip.
L’effet near far : un mobile émettant à une puissance trop élevée peut empêcher tous
les autres mobiles de la cellule. C’est ce qu’on appelle effet near-far. Il peut être
constaté par exemple par un émetteur au pied de la station de base et d’autres en
périphérie ; ces derniers, dont la puissance arrive au récepteur érodé par la distance,
seront masqués par le signal du premier. Le mécanisme de contrôle de puissance est
conçu pour remédier à l’effet near-far. Ce dernier est ainsi le cœur de notre étude et
sera étudié au chapitre 4 de cet ouvrage [5] [6] [7] [22].
1.6.8 Les services offerts par le réseau UMTS
L’UMTS propose 4 classes de qualité de services selon les applications :
La classe Conversationnel qui permet aux conversations vocales de proposer une
bande passante contrôlée avec échange interactif en temps réel avec un minimum de
délai entre les paquets (voix, visiophonie).
La classe Streaming qui permet aux services de streaming de fournir une bande
passante continue et contrôlée afin de pouvoir transférer la vidéo et l’audio dans les
meilleures conditions (multimédia, vidéo à la demande, …).
La classe Interactive qui est destinée à des échanges entre l’équipement usager et le
réseau comme la navigation Internet, les jeux en réseau, l’accès à des bases de
données (une requête engendre une réponse via le serveur distant).
La classe Background est la plus faible priorité. Elle permet des transferts de type
traitements par lots qui ne demandent pas de temps réel et un minimum
d’interactivité (envoi et réception de messages électroniques) à savoir l’E-mail, SMS
(Short Message System) et le téléchargement,… [11][12].
1.7 Conclusion
Nous avons vu dans ce chapitre les évolutions des systèmes cellulaires, particulièrement de la
technologie UMTS, car c’est cette famille de technologies qui a donné naissance aux
technologies complémentaires HSDPA et HSUPA. A chaque génération, nous avons
remarqué des entrées de nouveaux services ou de nouvelles qualités de service. De plus,
l’utilisation de la technologie d’accès WCDMA permet de fournir ces nouveaux services.
L’UMTS connaît deux évolutions majeures : le HSDPA et le HSUPA, dont nous allons
expliquer brièvement dans le chapitre suivant.
23
CHAPITRE 2
LA TECHNOLOGIE HSXPA
2.1 Introduction
Pratiquement, le débit offert par le système UMTS (R99) est limité à 368kbps à cause de la
sensibilité de la technique d’accès multiple W-CDMA aux conditions de propagations entre le
mobile et le Node B. Ce débit est insuffisant pour certaines applications qui demandent un
haut débit. Face à cette limitation et depuis l’année 2000, le groupe 3GPP a concentré ses
travaux de normalisation sur l’évolution de l’interface radio de l’UMTS, connue
commercialement sous le nom de 3G+ (ou HSXPA):
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) pour la voie descendante;
HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) pour la voie montante.
Ces évolutions ont été définies respectivement en Release 5 (2002) et Release 6 (2005) afin
d’accroître les débits possibles et de réduire la latence du système. La latence désigne le
temps de réponse du système à une requête de l’utilisateur et est un facteur clé de la
perception des services de données par l’utilisateur [8] [11] [12].
Dans ce qui suit, nous allons voir séparément ces deux technologies:
2.2 La technologie HSDPA (R5 du 3GPP)
La technologie HSDPA représente la première évolution du réseau mobile de troisième
génération UMTS. Il est en fait une optimisation du lien descendant de la station émettrice
vers le terminal mobile de la norme UMTS. Les éléments clés de cette optimisation sont
l'ajout de nouveaux canaux, l’utilisation des techniques telles que le Hybrid-ARQ, la
modulation et codage adaptatifs et l’ordonnancement rapide des utilisateurs (fast Scheduling).
De plus, la technique Multi-antennes MIMO (Multiple Input Multiple Output) est normalisée
pour le HSDPA afin d’accroître la capacité radio et permettre d’intégrer des services à des
débits plus élevés, ainsi, on peut déduire une augmentation de débit du système jusqu’à 14.4
Mbps [6] [17].
2.2.1 Modulation et codage adaptatifs (MCA)
La technologie HSDPA utilise la technique de modulation et codage adaptatif connu sous le
nom d’adaptation du lien radio ou « Link adaptation ». La mise en œuvre de la technique
MCA permet au système HSDPA d’offrir la possibilité d’utiliser des modulations d’ordre
24
supérieure appelées 16-QAM (16-Quadrature Amplitude Modulation) et 64-QAM (64-
Quadrature Amplitude Modulation) avec la modulation QPSK (Quadrature Phase Shift
Keying) existante du R99. La MCA permet au Node B de changer le schéma de modulation et
le rendement de codage au fur et à mesure que les conditions de canal varient.
En effet, le mobile mesure pour chaque trame la qualité de propagation du canal de
transmission:
Lorsque les conditions du canal sont favorables, il demande du Node B, en utilisant le champ
CQI (Channel Quality Indicator) ou indicateur de qualité de canal, d’utiliser une modulation
d’ordre supérieure avec un rendement du codeur élevé.
Par contre, quand les conditions du canal sont défavorables, le mobile demande du Node B,
en utilisant le champ CQI, de choisir la modulation QPSK avec un rendement du codeur
faible.
Selon la valeur du champ CQI qui est envoyé par le mobile et en utilisant le canal physique
HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel), le Node B sélectionne le type
de modulation et le rendement du codage canal. Le tableau 2.01 nous illustre quelques
exemples de schémas de codage et de modulation utilisés pour le HSDPA [6] [9].
CQI Modulation Rendement de codage Débit binaire utile (Kbps)
1 QPSK 0.1677 80.50
10 QPSK 0.4465 643.00
15 QPSK 0.6964 1971.50
16 16-QAM 0.3739 1794.50
25 16-QAM 0.7518 7217.50
30 16-QAM 0.8883 12791.00
Tableau 2.01 : Exemples de schémas de codage et modulation
2.2.2 Technique de retransmission HARQ
Avec un débit assuré par l’AMC, le HSDPA assure la fiabilité de la transmission par la
méthode de retransmission hybride HARQ qui est la combinaison des deux méthodes de
détection et de correction des erreurs :
le protocole de retransmission des paquets ARQ (Automatic Repeat Request)
le codage de canal FEC (Forward Error Correction).
Ce mode mixte, Hybrid ARQ-FEC permet de bénéficier des avantages de ces deux approches.
Grâce à la redondance fournie par le mode FEC, le système détecte et corrige les erreurs de
25
transmission. Si le taux d’erreur est supérieur à celui supportable par la méthode FEC, la
méthode ARQ intervient en exigeant la retransmission de la trame.
En HSDPA, le protocole de retransmission des paquets utilisé est le protocole N-SAW (N
processus Stop-and-Wait) qui est une version amélioré du protocole SAW. Le N-SAW est
utilisé pour réduire les délais d’attente des acquittements. La valeur maximale de processus
SAW qui s’exécutent simultanément est normalisée à 8. Le délai entre deux retransmissions
successives est de l’ordre de 8 à 12 ms.
Le groupe 3GPP a normalisé pour le HSDPA deux approches de retransmission :
l’algorithme de Chase (ou chase combining) où les retransmissions portent la même
information que celle portée par la transmission originale,
l’algorithme IR (ou Incremental Redundancy) dans lequel chaque retransmission
transporte une redondance supplémentaire [6] [15] [16].
2.2.3 La stratégie d’ordonnancement rapide (fast scheduling)
A la différence de l’UMTS dont l’ordonnanceur est localisé au niveau du RNC,
l’ordonnanceur du système HSDPA est placé dans le Node B. Ceci offre une rapidité de la
gestion des ressources du réseau et diminue le temps de traitement d’un paquet.
La stratégie d’ordonnancement est un mécanisme de contrôle des allocations des ressources
du réseau HSDPA en décidant à quels utilisateurs les canaux HS-DSCHs seraient dédié dans
le prochain intervalle de temps de transmission TTI (Transmission Time Interval). Elle permet
ainsi de partager les canaux physiques de données HS-DSCH entre les utilisateurs. Parmi les
stratégies d’allocation de ressources radio, il y a :
la technique maximum carrier to interference (maxC/I), qui reprend l’idée du MCA
pour allouer une ressource aux utilisateurs dont les conditions de propagation sont les
plus favorables pendant l’intervalle de temps TTI. On peut dire que les utilisateurs en
bordure d’une cellule ne peuvent jamais être desservis.
la technique Round Robin qui suggère de sa part d’allouer les HS-DSCH aux
utilisateurs d’une manière séquentielle et que les parts sont équitables mais les
conditions du canal ne sont pas considérées.
26
La technique d’allocation proportionnelle (Proportional fair ou Fair Time) dont les
utilisateurs ont la même probabilité d’être desservis mais aussi sans tenir compte des
conditions du canal. Elle offre néanmoins un compromis entre capacité et QoS [6]
[15] [16].
2.2.4 La technique MIMO
L’introduction du technique MIMO (Multiple Input Multiple Output) avec un codage spatio-
temporel assure l’augmentation de la capacité et l’amélioration des performances du système
HSDPA. Cette technique a été développée par les laboratoires Bell en 1997. Elle permet
d’atteindre à la fois de très hautes efficacités spectrales et de lutter efficacement contre les
évanouissements du signal.
L’idée générale est de tirer profit de la dimension spatiale du canal et d’exploiter les trajets
multiples plutôt que de les supprimer. Le principe de MIMO est d’utiliser plusieurs antennes
en émission et en réception côté Node B et côté mobile. Les antennes sont implantées de telle
sorte que les signaux qu’elles transmettent ou reçoivent sont suffisamment décorrelées pour
considérer qu’ils parcourent des canaux de propagation radio différents. Aussi, les
performances de la liaison radio peuvent être améliorées car on profite d’une forme de
« diversité spatiale » en réception. De plus, sur chaque antenne, il est possible de réutiliser la
même paire de codes embrouillage/canalisation et donc d’augmenter ainsi le débit pic de
manière proportionnelle au nombre d’antennes utilisées (si le nombre d’antennes dans le
mobile est au moins aussi grand que le nombre d’antennes dans le Node B) [6] [15] [16].
2.2.5 Nouvelles entités protocolaires
L’impact sur l’architecture des terminaux et du Node B est principalement au niveau de leur
couche physique. Cependant, le besoin de retransmettre des paquets de la manière la plus
rapide possible a mené à créer dans le Node B et dans le RNC une nouvelle couche de niveau
2 : MAC-hs. Cette entité gère le mécanisme de l’HARQ et la stratégie d’attribution des
ressources selon une gestion de priorités. Elle permet donc de diminuer les éventuels retards
survenus dans l’interface Iub.
De plus, ce choix diminue de manière significative les retards de retransmission inhérents au
mode acquitté de la couche RLC. On souligne cependant que RLC peut participer également à
la retransmission de données dans le cas où, au niveau de la couche physique, le nombre
maximum de retransmission a été atteint [6] [15] [14] [16].
27
La figure 2.01 nous illustre cette nouvelle architecture protocolaire liée au support HS-DSCH.
Figure 2.01 : Architecture protocolaire liée au support HS-DSCH
L’entité MAC-hs dans l’UE gère la retransmission HARQ
L’entité MAC-hs dans le Node B permet :
L’attribution des ressources et gestion des priorités (contrôle de retransmission)
Le contrôle des procédures HARQ
La sélection du TF (adaptation variable de la modulation)
2.2.6 Les canaux introduits pour le support du HSDPA
Des nouveaux canaux physiques ont été attribués pour transporter les informations de
l’utilisateur en mode paquet et d’assurer le haut débit. On distingue:
Le HS-DSCH (High Speed Downlink Shared CHannel);
Le HS-DCCH (High Speed Downlink Control CHannel);
Le HS-SCCH (High Speed Shared Control CHannel).
Ces canaux coexistent d’une manière transparente avec les canaux introduits par les autres
systèmes de troisième génération.
2.2.6.1 Le canal HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel)
C’est un canal de transport de la voie descendante qui est partagé par plusieurs utilisateurs
dans la cellule. Il a pour but de convoyer les bits d’information provenant des couches
supérieures depuis le Node B jusqu’au mobile tout en respectant la qualité de service requise.
Il a beaucoup de caractéristiques intéressantes par rapport au canal DSCH de la R99. Son
intervalle de temps pour transmettre un bloc de transport est réduit à 2 ms (3 slots) seulement
pour avoir une plus grande réactivité dans l’allocation des ressources lorsque les conditions du
canal de propagation deviennent favorables. Dans un TTI, il n’utilise pas de multiplexage de
28
plusieurs HS-DSCH mais un seul canal de transport actif lors de la transmission. Il utilise un
seul type de codage canal qui est le turbo code. Dans ce domaine de codage, la valeur du
facteur d’étalement est maintenue fixe à 16 et une transmission en multicode, transmission en
multiplexant les codes des différents utilisateurs, peut avoir lieu. On peut allouer au plus 15
codes, mais ceci dépend de l’équipement utilisateur. Lorsque deux utilisateurs utilisent le
même HS-DSCH, ils vérifient l’information dans chaque HS-SCCH respective pour
déterminer les codes de désétalement du HS-DSCH.
Le canal de transport HS-DSCH a besoin d’un ou plusieurs canaux HS-PDSCH pour
acheminer l’information binaire depuis le Node B jusqu'à l’utilisateur par voie radio en
appliquant la technique d’étalement de spectre. Le HS-PDSCH est donc un canal physique
associé au HS-DSCH qui utilise aussi une valeur fixe16 du facteur d’étalement. Il supporte
aussi la transmission en multicode et peut faire appel à une modulation numérique QPSK ou
16-QAM. Il est associé à un ou plusieurs canaux HS-SCCH dans la voie descendante et à un
HS-DPCCH dans la voie montante [6] [15] [16].
Le tableau 2.02 nous donne les caractéristiques du HS-PDSCH tout comme les autres canaux
du R99
Canal HS-DSCH DSCH Downlink DCH
Spécification R5 R99 R99
Facteur d’étalement Fixé, 16 Variable (256-4) Fixé (512-4)
Modulation QPSK/16QAM QPSK QPSK
Entrelacement 2ms 10-80ms 10-80ms
Schéma de codage
canal
Codage Turbo Codage Turbo et
convolutionel
Codage Turbo et
convolutionel
Tableau 2.02 : Comparaison du canal HS-DSCH avec les autres canaux du lien descendant
2.2.6.2 Le canal HS-SCCH (High Speed Shared Control CHannel)
Le HS-SCCH est un canal physique qui convoie de la signalisation associée au HS-DSCH,
c’est-à-dire qu’il transporte les informations nécessaires à la démodulation de l’information
du canal HS-DSCH. L’UTRAN, réseau d’accès de l’UMTS, doit allouer un certain nombre de
canaux HS-SCCH aux utilisateurs qui seront multiplexés en codes. Plus grand nombre de
canaux HS-SCCH sont alors alloués, mais chaque terminal doit ne considérer qu’au plus
quatre seulement à chaque instant.
29
Il a un débit fixe de 60 kbps avec un facteur d’étalement fixé à 128. Il est constitué de 40 bits
comprenant les bits de redondance issus d’un codage convolutionnel et des bits de CRC. Les
informations véhiculées par le HS-SCCH sont :
L’identité de l’utilisateur
Le nombre et le numéro des codes de canalisation du HS-PDSCH pour son
désétalement
Le type de modulation qui sera QPSK ou 16-QAM
La taille du bloc de transport pour permettre un décodage réussi et une combinaison
avec des retransmissions antérieures
Le nombre de procédures ARQ pour indiquer à quelle procédure ARQ appartiennent
les données
L’indicateur de première et dernière retransmission afin de savoir si la transmission doit être
combinée avec les données existantes dans le buffer (dans le cas où le décodage échoue) ou si
le buffer doit être vidé et ensuite rempli avec de nouvelles données.
Le Node B transmet le HS-SCCH avec deux slots d’avance par rapport au HS-PDSCH afin de
donner au mobile les paramètres nécessaires pour pouvoir décoder ce dernier [9] [15] [16].
2.2.6.3 Le canal HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel)
Le HS-DPCCH est un canal physique de la voie montante qui transporte la signalisation reliée
à la transmission du canal HS-PDSCH. Cette signalisation est constituée de deux champs
d’informations : l’acquittement négatif ou positif (ACK/NACK) utilisé par la technique
HARQ et la qualité du canal de transmission (CQI) pour la gestion de la technique de
modulation et de codage adaptatifs (MCA). Le HS-DPCCH est étalé avec un facteur
d’étalement de 256. Il y a donc 10 bits par slot dans une trame HS-DPCCH.
2.2.7 Les débits du HSDPA
Différentes catégories de mobiles HSDPA sont définies par la norme du 3GPP, ils
correspondent à différents niveaux de complexité et de performance. Les principaux éléments
qui entrent en jeu sont décrits dans le tableau 2.03 :
Le nombre maximum de canaux HS-PDSCH que le terminal est capable de
démoduler sur un TTI donné.
La durée minimum, exprimée en TTI, entre deux paquets transmis à un mobile : «1»
signifie que le terminal doit être capable de recevoir des données à chaque TTI de 2
30
ms, «3» signifie que le terminal ne peut recevoir des données HS-DSCH avec une
période plus courte que 6 ms
La taille maximum (en bits) d'un bloc HS-DSCH transmis sur un TTI de 2 ms.
Les débits mentionnés ne sont que des valeurs maximales théoriques.
La catégorie «10» est la plus performante avec un débit maximum théorique de 14Mbps, ce
qui est très supérieur aux 2 Mbps théoriques que peut offrir la transmission sur canal physique
dédié DPCH. Les mobiles de cette catégorie sont capables de démoduler simultanément 15
codes HS-PDSCH (le maximum que peut offrir HSDPA dans une cellule), à chaque TTI de 2
ms. Un mobile de catégorie «1» a des performances beaucoup plus modestes. Il ne peut
démoduler que 5 codes simultanément, et ne peut recevoir des données que tous les 3 TTI (6
ms) [6] [9] [15] [16].
Catégorie Nb Max
Codes
Min Inter
TTI
Max HS-DSCH
TBS(2ms TTI)
Débit Max
Théorique
Modulation
1 et 2 5 3 7298 1.2Mb/s QPSK/16QAM
3 et 4 5 2 7298 1.8Mb/s QPSK/16QAM
5 et 6 5 1 7298 3.6Mb/s QPSK/16QAM
7 et 8 10 1 14411 7.2Mb/s QPSK/16QAM
9 15 1 20251 10.1Mb/s QPSK/16QAM
10 15 1 27952 14Mb/s QPSK/16QAM
11 5 2 3630 0.9Mb/s QPSK
12 5 10 3630 1.8Mb/s QPSK
Tableau 2.03: Les catégories de terminaux HSDPA
2.3 La technologie HSUPA (R6 du 3GPP)
2.3.1 Présentation
High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) est un protocole de téléphonie mobile de 3G,
dont les spécifications ont été pub
liées par le 3GPP dans la «release 6» du standard UMTS. Il est présenté comme le successeur
du HSDPA permettant un débit montant à 5,8 Mbit/s, une capacité supérieure entre 1.5 et 2
fois comparée à celle du R99. C’est une réponse plus rapide pour des services de type
interactif notamment la vidéo-téléphonie, l’envoi des emails avec des pièces jointes
31
volumineuses, les jeux en lignes, les échanges de personne à personne des fichiers clips audio
et vidéo [5] [9].
Pour l’acheminement des informations utilisateurs dans le sens montant, la technologie
HSUPA a introduit des nouveaux canaux physiques. Ainsi, il est connu sous le nom E-DCH
(Enhanced DCH) car ce sont les performances du canal DCH de la voie montante qui sont
renforcées tout en restant compatible avec les réseaux des Releases précédentes. La figure
2.02 indique l’architecture système du HSUPA.
Figure 2.02 : Architecture système avec le HSUPA
L’implémentation de ce système introduit :
les techniques de codage et de modulation tels que l’utilisation de la modulation 4-
QAM avec la modulation BPSK (Binary Phase Shift Keying),
la technique de retransmission hybride (HARQ)
l’utilisation d’un mécanisme d’ordonnancement rapide des ressources.
Le système HSUPA fait appel à des faibles facteurs d’étalement variables. En effet, pour
transmettre avec des débits élevés, un utilisateur HSUPA utilise des facteurs d’étalement qui
prennent des valeurs entre 2 et 256. De plus, le système HSUPA offre la possibilité d’utiliser
une durée de trame de données de 2 ms optionnellement avec 10 ms [5] [9] [20] [21].
2.3.2 Architecture de l’interface radio
Comme pour HSDPA, l’architecture générale de l’interface radio n’est pas fondamentalement
modifiée, mais la sous-couche MAC subit de profonds changements. La figure 2.03 montre la
pile protocolaire dans le réseau d’accès en se focalisant sur la voie montante. La sous-couche
32
MAC s’enrichit de deux nouvelles entités, le MAC-es et le MAC-e, qui viennent se placer
sous le MAC-d, à la manière du MAC-hs pour la voie descendante.
Coté UTRAN, le MAC-e est situé dans le Node B afin de réduire les délais de transmission et
de retransmission HARQ et de permettre un ordonnancement rapide. Le MAC-es, situé coté
UTRAN dans le RNC, est lié aux fonctions de macro-diversité, de recombinaison et de remise
en séquence des PDU reçus de différents Nodes-B. Les données qui circulent entre les entités
MAC-d sont organisées en flux MAC-d. Chaque flux MAC-d peut être associé à des critères
de qualité de service différents, par exemple en termes de délai, de BLER résiduel, de débit,
de priorité, et est traité en fonction de ces critères par le HARQ et l’ordonnancement [5] [9]
[20] [21] [25].
Figure 2.03 : Positionnement des couches protocolaires en R6
2.3.3 Les canaux de transport
Le canal E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) est le seul canal de transport dédié introduit
par le système HSUPA. Il supporte des opérations de codage et de multiplexage sophistiquées
à savoir le turbo codage de l’UMTS de rendement 1/3, la technique HARQ, la modulation
d’ordre supérieur 4-QAM et le contrôle de puissance rapide pour l’adaptation du lien. Le
canal E-DCH porte non seulement les données d’information d’un utilisateur particulier mais
aussi les données de contrôle pour la gestion de la liaison. Ce canal de transport est associé
donc aux canaux physiques dédiés : l’E-DPDCH et l’E-DPCCH [25] [26].
33
2.3.4 Les canaux physiques
2.3.4.1 Les canaux physiques de la voie montante
Deux types des canaux physiques dédiés : l’E-DPDCH et l’E-DPCCH sont utilisés dans la
voie montante. Ces canaux sont une amélioration des canaux physiques DPDCH et DPCCH
de la liaison montante du système UMTS. Ils sont séparés sur les deux voies en phase (I) et en
quadrature (Q).
Le canal E-DPDCH est utilisé pour transporter les données utilisateur issues du
nouveau canal de transport dédié E-DCH.
Le canal E-DPCCH convoie les données de contrôle générées au niveau de la couche
physique.
Les informations contenues dans l’E-DPCCH sont :
le RSN (Retransmission Sequence Number) (2bits) qui est nécessaire pour le
mécanisme de retransmission des paquets HARQ,
l’E-TFCI (Enhanced Transport Format Combination Indicator) (7bits), qui indique la
taille du bloc de transport E-DCH
le bit "Happy" (1bit) qui indique la satisfaction du mobile par les ressources allouées
par le Node B.
Le standard 3GPP a normalisé un seul canal physique dédié de contrôle et un, deux ou quatre
canaux physiques dédiés de données. Le nombre des bits du canal E-DPCCH est fixé à 150
bits alors que le nombre des bits du canal E-DPDCH est variable. Il dépend du
facteur d’étalement utilisé et il est calculé par l’expression suivante :
(2.01)
Où
est le nombre des chips pendant la durée TTI qui est égale à 38400chips lorsque
TTI=10ms et 7680chips lorsque TTI=2ms. La figure (2.04) représente les structures d’un
canal de données E-DPDCH et d’un canal de contrôle E-DPCCH.
A l’instar du canal physique de contrôle E-DPCCH qui est toujours étalé par un facteur
d’étalement égale à 256, les canaux physiques de données E-DPDCHs sont étalés par des
facteurs d’étalement variables qui prennent des valeurs entre 2 et 256.
34
Figure 2.04: La structure des canaux de données E-DPDCH et de contrôle E-DPCCH
Le tableau 2.04 présente les codes OVSF alloués pour chaque canal E-DPDCH du
système HSUPA, où est le code OVSF qui est généré à partir de la ligne de la
matrice de Walsh- Hadamard de taille SF. En effet, SF est le facteur d’étalement et est le
numéro de code. L’allocation des codes pour le système HSUPA dépend de la configuration
de la liaison montante du système UMTS [9] [19] [20] [23].
Code OVSF
0 ou si
ou
1
ou
Tableau 2.04 : Les codes OVSF alloués pour les canaux E-DPDCHs
Les canaux de données et de contrôle sont multiplexés ensemble dans une seule trame pour
former un canal de transport CCTrCh (Coded Composite Transport Channel). Le canal E-
DPDCH est toujours multiplexé sur la voie en phase I, alors que les canaux de données E-
DPDCHs sont partagés entre la voie en phase I et la voie en quadrature Q de la façon illustrée
par le tableau 2.05. La répartition des canaux E-DPDCHs sur la voie en phase I et la voie en
35
quadrature Q dépend de la configuration de liaison montante de deux systèmes UMTS et
HSDPA.
HS-DSCH Voie I/Q
0 - I
Q
I
Q
1 Non Q
I
1 Oui I
Q
Tableau 2.05 : La répartition des canaux E-DPDCHs sur la voie en phase I et la
voie en quadrature Q
2.3.4.2 Les canaux physiques de la voie descendante
Trois nouveaux canaux physiques de contrôle : l’E-AGCH, l’E-RGCH et l’E-HICH sont
introduits dans le sens descendant. Ces nouveaux canaux ont pour rôle l’attribution rapide des
ressources de la liaison montante, à savoir :
la puissance d’émission maximale,
la taille de bloc de transport E-DCH
les paramètres de la technique HARQ.
Cette attribution des ressources est évaluée par le Node B qui la communique au mobile sur
les deux canaux E-AGCH (Enhanced Uplink Absolute Grant CHannel) et E-RGCH
(Enhanced Uplink Relative Grant CHannel). Ces deux canaux sont étalés par un facteur
d’étalement de 256. Le processus de retransmission des paquets hybride HARQ qui est déjà
utilisé par le système HSDPA est appliqué pour le système HSUPA.
La voie de retour qui correspond à l’acquittement positif (ACK) ou négatif (NACK) est
transmise sur la voie descendante par le canal E-HICH (Enhanced Uplink HARQ Indicator
CHannel). Le réseau peut également rester sans réponse en n’émettant pas de signal sur l’E-
HICH (on notera cette option DTX pour Discontinuons Transmission). Ce canal est étalé par
un facteur d’étalement de 256 [9] [19] [20] [23].
36
Figure 2.05 : Structure temporelle des canaux E-HICH et le E-RGCH
L’E-RGCH est un canal physique dédié permettant à l’algorithme d’ordonnancement de
commander à UE une modification éventuelle de son niveau de puissance ; DOWN, l’UE doit
diminuer sa puissance ; HOLD, l’UE peut maintenir sa puissance d’émission sur l’E-DPDCH.
La puissance maximale que peut utiliser l’UE sur l’E-DPDCH est déterminée à partir du SG
(Serving Grant). Il s’agit du rapport de puissance maximal entre les canaux E-DPDCH et
DCCH que l’UE peut utiliser. Le DCCH est soumis au contrôle de puissance rapide sur la
voie montante. Pour un SG donné, l’E-DPDCH suit donc les variations de puissance du
DCCH à un facteur près. Les canaux E-RGCH sont multiplexés avec des canaux E-HICH sur
un ou plusieurs codes de canalisation de facteur d’étalement 128. Chaque code peut supporter
jusqu’à 20 paires de canaux E-HICH/E-RGCH grâce à 40 signatures orthogonales.
L’E-AGCH est un canal physique partagé. Le facteur d’étalement est 256. Les deux branches
de la QPSK étant utilisées, le débit est de 30kbps, soit 20bits par slot. Un ou plusieurs E-
AGCH peuvent être configurés par cellule.
Figure 2.06 : Structure temporelle de l’E-AGCH
37
L’E-AGCH est utilisé par l’algorithme d’ordonnancement pour ajuster directement, et donc
de manière absolue, le SG des UE sous son contrôle. Il peut également servir à activer ou
désactiver un ou plusieurs processus HARQ. Un UE est obligatoirement identifiée grâce à une
identité primaire E-RNTI (E-DCH Radio Network Temporary Identifier), mais il peut
également se voir attribuer, de manière optionnelle, une E-RNTI secondaire. L’utilisation de
l’une ou l’autre des identités est décidée par le Node B par l’intermédiaire de l’E-AGCH.
L’E-AGCH transporte donc les informations suivantes :
le SG ou l’ordre de désactivation de processus sur 5bits ;
L’information spécifiant si la désactivation concerne un ou l’ensemble (1bit) ;
Un CRC spécifique dont le polynôme générateur est obtenu à partir de
l’identité de l’UE, l’E-RNTI primaire ou secondaire (16bits).
Grâce au CRC spécifique qui inclut de manière implicite son identité, l’UE peut déterminer si
le message lui est adressé ou non. Ces données subissent un codage canal et une adaptation de
débit qui produisent 60bits transmis sur une sous-trame radio de 2ms. Si l’UE utilise un TTI
de 10ms, l’information est répétée cinq fois [9] [19] [20] [23].
Avec l’emploi conséquent du HSXPA, l’utilisation des DPDCHs (Dedicated Physical Data
CHannels) peut en principe être supprimée mais il faut toutefois toujours garantir que le
terminal mobile ne transmette pas avec une puissance plus élevée que nécessaire (Closed
Loop Power Control) (voir chapitre5). Pour cette raison, la Release 6 a introduit dans le
Downlink le F-DPCCH (Fractional Dedicated Physical Control CHannel) qui prend en
charge le contrôle de puissance des différents terminaux selon un procédé de multiplexage
temporel.
2.3.4.3 Synthèse des canaux physiques introduites par la release 6
Le tableau suivant présente les canaux physiques introduits par le HSUPA :
Canal physique Description Voie
E-DPDCH Canal physique dédié de données UL
E-DPCCH Canal physique de contrôle (RSN, E-TFCI, happy bit) UL
38
E-HICH Canal physique de contrôle (ACK/NACK/DTX) DL
E-RGCH Canal physique de contrôle (UP/DOWN/HOLD) DL
E-AGCH Canal physique de contrôle (SG/HARQ/E-RNTI) DL
Tableau 2.06 : Synthèse des canaux physiques introduites par R6 en voie montante (UL) et en
voie descendante (DL)
2.3.5 Associations des canaux physiques, de transport et logique
Un E-DPCCH est associé au sein de la couche physique à un ou plusieurs E-DPDCH. Un E-
DPCCH est également nécessairement associé à une transmission HSUPA sur la voie
montante. Sur la voie descendante, les canaux E-HICH, E-AGCH et E-RGCH ne sont visibles
que de la couche physique [9] [32]. La figure 2.07 nous donne la mise en correspondance des
canaux physiques, de transport et logique de l’HSUPA.
Figure 2.07 : Mise en correspondance des canaux logiques, de transport et physique en
release R6
2.3.6 Impact du système HSUPA sur la couche physique de l’UMTS
L’introduction du système HSUPA impose au terminal mobile ainsi qu’au réseau d’accès
UTRAN d’évoluer. Le support du HSUPA impose l’introduction de nouveaux types de
terminaux qui doivent supportés les nouvelles techniques introduites par le HSUPA. Parmi
ces techniques nous distinguons :
la possibilité du terminal de traiter un nombre maximal de bits du canal de transport
E-DCH dans un seul TTI ;
la capacité du terminal de supporter la modulation 4-PAM;
39
la capacité du terminal de supporter la technique HARQ;
la possibilité du terminal d’utiliser des petits facteurs d’étalement variables (de 2 à
256) ;
la capacité du terminal de supporter le principe multi code ;
la possibilité du terminal de traiter des trames de durée TTI=2ms.
Dans un réseau de troisième génération sans le système HSUPA, c’est le RNC qui gère
plusieurs fonctionnalités telles que l’allocation de ressources et la stratégie de retransmission
HARQ. Avec le HSUPA, ces fonctionnalités sont effectuées au niveau du Node B. Ceci
permet une gestion rapide des ressources et diminue les retards de retransmission [23] [24]
[26].
2.3.7 Les débits de HSUPA
Il existe, dans la norme 3GPP, différentes catégories de terminaux HSUPA en fonction:
Du nombre maximal de codes E-DPCH que le terminal peut utiliser en émission;
Du SF minimum et du TTI supporté.
Les débits indiqués dans le tableau sont théoriques. Ils ne sont observables que dans les
meilleures conditions de transmission. La catégorie de terminaux 6 est le plus performant car
il offre un débit de 5.7Mb/s avec un nombre maximal de codes 4 [9] [23] [24] [26].
CATEGORIE
E-DCH
NB
MAX
CODES
MIN SF E-DCH
TTI (ms)
MAX E-DCH
TBS (10ms
TTI)
MAX E-DCH
TBS (2ms TTI)
DEBIT MAX
THEORIQUE
1 1 SF4 10 7110 - 0.7Mb/s
2 2 SF4 10/2 14484 2798 1.4Mb/s
3 2 SF4 10 14484 - 1.4Mb/s
4 2 SF2 10/2 20000 5772 2.9Mb/s
5 2 SF2 10 20000 - 2Mb/s
6 4 SF2 10/2 20000 11484 5.7Mb/s
Tableau 2.07: Les catégories de terminaux HSUPA
NB MAX CODES : nombre maximale de codes E-DCH transmis
MIN SF : facteur d’étalement minimale
40
E-DCH TTI : Intervalle de temps de transmission sur un canal E-DCH
MAX E-DCH TBS: Nombre max de bits d’un bloc de transport E-DCH transmis dans un TTI
E-DCH (10ms ou 2ms).
La vitesse de transfert maximale est la caractéristique essentielle des différentes catégories. La
gestion de la structure de trame de 10 ms est obligatoire. La plus courte structure de sous-
trame de 2 ms n’est stipulée que pour quelques catégories. Si quatre codes sont transférés
simultanément, deux doivent utiliser un facteur d’étalement de 2 et les deux autres, un facteur
d’étalement de 4.
2.4 Les configurations du sens montant en présence des systèmes UMTS, HSDPA et
HSUPA
Les canaux physiques envoyés sur la liaison montante par les systèmes UMTS, HSDPA et
HSUPA sont présentés ci-dessous. Ces canaux physiques sont :
un ou plusieurs canaux physiques de données DPDCHs et un canal physique de
contrôle DPCCH introduites par le système UMTS ;
un canal HS-DPCCH qui est un canal de contrôle de liaison montante du système
HSDPA. Il est utilisé lorsque les canaux HS-DPDCHs sont envoyés sur la liaison
descendante ;
un, deux ou quatre canaux physiques de données E-DPDCHs et un seul canal
physique de contrôle E-DPCCH introduites par le système HSUPA;
un canal PRACH qui est un canal physique commun utilisé pour l’établissement de
la communication. Le 3GPP ne permet pas la transmission de ce canal en même
temps que les canaux physiques dédiés. Ainsi, nous pouvons négliger ce canal de la
liaison montante ;
Les combinaisons possibles du nombre maximal de canaux physiques de la liaison montante,
les trois systèmes en plus du canal DPCCH sont précisées dans le tableau 2.08. Ces canaux
physiques peuvent être configurés simultanément pour un seul utilisateur. La capacité réelle
d’un équipement usager peut être inférieure aux valeurs indiquées dans le tableau 2.08.
41
DPDCH HS-DPCCH E-DPDCH E-DPCCH
Configuration 1 6 1 - -
Configuration 2 1 1 2 1
Configuration 3 - 1 4 1
Tableau 2.08 : Le nombre maximal de canaux physiques envoyés simultanément sur le sens
montant
Nous allons nous intéresser uniquement sur la configuration 3 qui utilise un nombre maximale
de 4 canaux E-DPDCH, un canal E-DPCCH, un canal HS-DPCCH et un canal DPCCH [9]
[24] [26].
2.4.1 L’étalement dans la voie montante
L’opération de l’étalement est composée de deux étapes :
2.4.1.1 La canalisation
Cette première étape consiste à transformer chaque symbole de données en une suite de chips.
Cette transformation permet d’élargir la bande du signal par le principe d’étalement de
spectre. Le nombre de chips par symbole définit le facteur d’étalement SF (Spreading Factor).
2.4.1.2 L’embrouillage
Cette deuxième étape applique un code d’embrouillage au signal étalé. Le principe
d’étalement de la configuration 3 est illustré sur la figure (2.08). Avant le processus
d’étalement, les données portées par les canaux physiques de la liaison montante sont
modulés par un modulateur qui transforme les bits en une séquence des valeurs réelles. Après
la multiplication par un code d’étalement, les chips sont pondérées par un facteur de gain
pour fixer la puissance de chaque canal physique. Les flux issus des deux voies I et Q sont
par la suite additionnés et traités comme des séquences de chips complexes. Ces séquences
sont embrouillées par un code d’embrouillage complexe .
L’étalement est ainsi effectué par la mise en œuvre des codes OVSF (Orthogonal Variable
Spreading Factor). Ces codes ont la caractéristique de préserver l’orthogonalité entre les
différents canaux physiques. Les codes OVSF sont générés par une structure en arbre comme
il est montré sur la figure (2.09). Chaque niveau de l’arbre est associé à un facteur d’étalement
42
particulier. L’allocation des codes OVSF nécessite des contraintes pour maintenir
l’orthogonalité entre les codes : un code de l’arbre ne peut être alloué que si aucun autre
code appartenant au sous arbre généré à partir de ou au chemin entre et la racine de
l’arbre n’est utilisé. Ces restrictions limitent le nombre de codes utilisables simultanément.
L’interface radio autorise un facteur d’étalement maximal de 256 pour les canaux du sens
montant.
Figure 2.08 : Le principe d’étalement de la configuration 3
Figure 2.09 : La structure en arbre des codes OVSF
43
L’opération d’embrouillage consiste à multiplier, chip-à-chip, les données étalées par une
séquence complexe pseudo-aléatoire. Elle permet de différencier les équipements usager entre
eux dans le sens montant. La génération des séquences d’embrouillage se fait à base de
registres à décalage et d’additionneurs modulo 2, comme illustré sur la figure (2.10).
Il existe deux types de séquences d’embrouillage dans le sens montant :
Les séquences longues qui sont des séquences complexes construites par la
combinaison de deux séquences de Gold réelles et Chacune de ces
deux dernières est générée par la somme modulo 2 de deux m-séquences de
polynôme générateur de degré 25. Il existe codes d’embrouillage
long dans le sens montant.
Les séquences d’embrouillage courtes sont aussi des séquences complexes. Leur
utilisation consiste à mettre en œuvre des techniques de détection plus performantes
telles que la détection multi-utilisateurs. Le nombre de codes d’embrouillage courts
qui peuvent être générés est de [9] [24] [25] [26] [30].
Figure 2.10 : Générateur de code d’embrouillage pour le sens montant
44
2.5 Comparaison des caractéristiques
Ci-dessous le tableau montrant les caractéristiques du Release 6 par rapport à Release 5 et
Release 99
UMTS DCH (R99) HSDPA DCH(R5) HSUPA E-DCH(R6)
Type de canal Dédié Partagé Dédié
Facteur d’étalement
(SF)
Variable Fixé (SF=16) Variable
Couche physique/
HARQ
Non Oui Non
TTI (ms) 80/40/20/10 2 10/2
Soft handover Oui Non Oui
Transmission
multicode
Possible Oui Oui
Modulation adaptative Non Oui Non
Algorithme
d’ordonnancement
RNC Node B Node B
Contrôle de puissance Oui Oui Oui
Tableau 2.09 : Comparaison des caractéristiques du HSUPA comparé à UMTS et HSDPA
2.6 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté successivement les technologies HSDPA et HSUPA.
Après avoir décrit les nouvelles techniques et les canaux introduits par ces systèmes, nous
avons vu en détail les canaux physiques introduits par le système HSUPA, l’impact du
système HSUPA sur la couche physique de l’UMTS et les configurations du sens montant en
présence du HSUPA.
Le chapitre suivant nous indiquera comment transmettre des données en HSUPA avant de
connaître le mécanisme de contrôle de puissance, la base de notre étude.
45
CHAPITRE 3
TRANSMISSION DE DONNEES POUR LE SYSTEME HSUPA
3.1 Introduction
Plusieurs éléments doivent être pris en compte quand on veut transmettre des données en
HSUPA à savoir en général les différents blocs permettant la communication entre
l’équipement usager et le Node B ainsi une étude sur l’implémentation de la couche physique
du HSUPA selon la norme du 3GPP est nécessaire.
Nous allons tout d’abord nous intéresser à la structure de l’émetteur et du récepteur du
système HSUPA en décrivant ses différents composants. Ensuite une étude sur ce système sur
un canal qui introduit des canaux radio-mobiles à trajets multiples.
3.2 La couche physique du système HSUPA
Les données générées par les couches hautes sont transmises à la couche physique qui assure
les fonctions du codage, l’entrelacement, la modulation,…
Avec l’avènement du HSUPA, la couche physique de l’UMTS s’est vue doté d’un nouveau
canal de transport haut débit E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) qui supporte des
techniques avancées du traitement de signal afin de garantir la qualité de service requise pour
le HSUPA. Par la suite nous allons décrire la couche physique du système HSUPA et ses
fonctionnalités [9].
3.3 La structure de l’émetteur HSUPA
Avant leur passage sur le canal de transmission, les blocs de transport E-DCH subissent un
certain nombre de traitements pour se protéger contre les erreurs de transmission qui peuvent
survenir sur le canal de transmission. L’ensemble de ces traitements sont présentés par la
figure 3.01.
3.3.1 Le codeur CRC (Cyclic Redundancy Check)
Le codage CRC consiste à ajouter de bits de redondance à la fin de chaque bloc de transport
pour permettre au récepteur de détecter les paquets erronés. Le nombre de bits CRC spécifié
pour le HSUPA est de 24. Le traitement CRC joue un rôle important lorsque les techniques de
retransmission (HARQ) sont utilisées. Si la séquence de bits représente le bloc
de transport délivré par les couches hautes à la couche physique, les bits CRC sont calculés
via la division polynômiale de cette séquence par le polynôme générateur donné par la
formule (3.01):
46
(3.01)
Figure 3.01 : La chaine d’émission des canaux de données E-DPDCH
3.3.2 Segmentation des blocs de transport
La segmentation consiste à diviser les blocs de transport, après codage CRC, en sous-blocs
afin de faciliter leur insertion dans l’entrelaceur interne du turbo codeur. Cette opération
permet ainsi de réduire la complexité du codage de canal. Après l’ajout de 24 bits de
redondance pour la détection d’erreurs, le paquet de transport :
où l= (3.02)
est segmenté en sous-blocs, chacun contenant bits, et présenté par la séquence
𝑜 𝑜 𝑜 (3.03)
où r est l’indice du sous-bloc dans le bloc de transport.
47
Les deux paramètres et sont calculés de la manière suivante :
si : le bloc de transport est divisé en ⌊
⌋sous-blocs de taille ⌊
⌋bit
si : le nombre de sous-blocs est égal à 1 et le nombre de bits par sous-
bloc est égale à l ;
si : des bits de bourrage sont ajoutés au début de ce bloc pour conserver la
performance du codage de canal.
En effet, le nombre de sous-blocs est égale à 1 et le nombre de bits par sous-bloc est égale
à 40 [9] [25] [30] [32].
3.3.3 Le codage de canal
Le rôle du codage de canal est de protéger l’information contre les erreurs qui peuvent
survenir sur le canal de transmission. Pour assurer cette fonction, la norme 3GPP a adopté le
turbo codeur de l’UMTS avec un rendement . Ce codeur est composé de deux
codeurs convolutionnels récursifs et systématiques (RSC) qui sont concaténés en parallèle et
reliés par un entrelaceur. La figure 3.02 montre la structure de turbo codeur utilisé dans la
chaine d’émission des canaux E-DPDCHs.
Figure 3.02 : Le turbo codeur de l’UMTS utilisé par l’émetteur des canaux de données E-
DPDCH
La différence la plus significative entre turbocode et les autres est l’algorithme de décodage.
En turbocode, l’algorithme de décodage est itératif, 2 décodeurs passent la décision de l’un à
l’autre alternativement, d’une façon itérative jusqu’ à ce que le processus converge. L’autre
48
aspect distinctif est la construction de longs, quasi-random mots codés en faisant un
«interleaving» des simples codes, tout en conservant des algorithmes de décodage optimales
et non complexes.
Quand l’un des décodeurs prend la décision pour un symbole pendant une des itérations, il
peut en même temps calculer la probabilité de la décision si elle est correcte ou non. Alors la
fiabilité des décisions est meilleure avec chaque itération, jusqu'à ce que l’un des décodeurs
est sûr que la décision sur le mot code est correct. Cette décision est alors émise du récepteur
à l’utilisateur [9] [25] [30] [32].
3.3.4 L’adaptation de débit
L’adaptation de débit permet d’adapter le nombre de bits par TTI après le codage de canal
, au nombre de bits portés par les canaux physiques E-DPDCHs . L’application de
l’adaptation de débit après le codage de canal permet d’avoir d’autres rendements de codages.
Ces rendements sont obtenus en appliquant une répétition ou un poinçonnage à la séquence
codée. Le rendement total de codage est donné par la formule suivante :
(3.04)
Nous signalons que le turbo codeur est sensible au poinçonnage, et ses performances peuvent
être dégradées notamment avec les modulations d’ordre supérieur (4-QAM par exemple) [9]
[25] [30] [32].
3.3.5 Segmentation des canaux physiques
L’opération de segmentation du bloc de transport consiste simplement à répartir les
données sur le canaux physiques de données E-DPDCHs. Nous
considérons les bits portés par le canal E-DPDCH. Le nombre de bits
dépend du facteur d’étalement utilisé et de la modulation choisie pour chaque canal
physique. Il peut être différent d’un canal physique E-DPDCH à un autre.
Le facteur d’étalement, la modulation et le nombre des canaux physiques E-DPDCH
nécessaires pour l’émetteur HSUPA sont déterminés en utilisant un algorithme paramétré.
3.3.6 L’entrelacement
Après la segmentation du bloc de transport sur les différents canaux physiques, le standard
3GPP a introduit un entrelaceur pour minimiser les effets des rafales des erreurs de
transmission. Lorsque la modulation BPSK est utilisée, cet entrelaceur est composé d’une
49
seule matrice rectangulaire. Par contre, lorsque la modulation 4-QAM est utilisée,
l’entrelaceur utilise 2 matrices rectangulaires qui ont une taille de lignes et colonnes
chacune. Dans le système HSUPA, l’opération d’entrelacement se fait séparément pour
chaque canal physique. La figure 3.03 présente la structure de l’entrelaceur des canaux
physiques E-DPDCHs.
Figure 3.03 : L’entrelaceur des canaux de données E-DPDCH
3.4 La structure générale d’un récepteur des canaux E-DPDCHs
Les trames codées et multiplexées par le terminal utilisateur sont transmises à travers un canal
radio-mobile qui peut dégrader sévèrement la qualité du signal transmis. Pour restaurer le
message transmis, au niveau du récepteur (Node B), un détecteur HSUPA est utilisé en amant
des traitements de signal inverses de ceux appliqués à l’émetteur. La structure du récepteur est
présentée par la figure 3.04.
Le détecteur HSUPA a pour rôle de réduire les effets du canal radio-mobile. Le signal à la
sortie de ce détecteur est délivré au démodulateur pour convertir la séquence de symboles
modulés en une suite des rapports logarithmiques de vraisemblance (RLV) correspondant aux
bits transmis. Ces rapports s’expriment par :
λ( =
(3.05)
Où est le bit transmis sur le canal E-DPDCH et
est le bit du canal E-DPDCH observé en sortie du détecteur HSUPA. Les RLVs
de chaque canal physiques sont désentrelacés, puis ils sont multiplexés pour former une seule
trame. Ensuite, cette trame est dirigée vers l’adaptateur de débit inverse qui remplace les bits
poinçonnés par des zéros, et fournit le résultat au décodeur turbo [9] [25] [30] [32].
50
Figure 3.04 : La structure générale du récepteur des canaux de données E-DPDCH
3.4.1 Le démodulateur
Les signaux à la sortie du détecteur sont utilisés par le démodulateur pour calculer les rapports
de vraisemblance logarithmiques associés aux bits transmis. Ces rapports sont par la suite
utilisés par le décodeur turbo comme des informations issues du canal (informations
intrinsèques). La méthode de calcul de ces rapports dépend de la modulation utilisée. Lorsque
la modulation BPSK est utilisée, le rapport de vraisemblance logarithmique du symbole du
canal E-DPDCH est exprimé par :
(3.06)
3.4.2 Le décodeur de canal
Au niveau du récepteur, le décodage canal consiste dans un premier temps à détecter la
présence d’erreurs dans l’information et puis dans un deuxième temps de les corriger. A partir
de ces deux actions découlent trois principales stratégies :
51
les stratégies ARQ (Automatic Repeat Request) qui se limitent à détecter la présence
d’éventuelles erreurs, la correction s’effectuant par retransmission des blocs erronés;
les stratégies FEC (Forward Error Correction) mettant en œuvre les codes permettant
la détection et la correction des erreurs sans aucune retransmission ;
les systèmes hybrides qui combinent les deux techniques.
Le décodage peut être réalisé par l’algorithme MAP (Maximum A Posteriori). C’est
l’algorithme le plus performant pour le décodage des codes RSC. Il permet d’atteindre des
taux d’erreur binaires très faibles mais avec une complexité de calcul très élevée. Pour
résoudre ce problème de complexité, d’autres algorithmes ont été introduits. Ces algorithmes
sont basés sur l’implémentation du MAP dans le domaine logarithmique. Les plus connus de
ces algorithmes sont le log-MAP et le Max-Log-MAP [9] [25] [30] [32].
3.5 Le système HSUPA sur un canal gaussien
Après le codage et le multiplexage des informations de l’utilisateur, le signal est transmis sur
un canal gaussien. Ce dernier l’affecte par un bruit blanc gaussien additif complexe de
moyenne nulle et de variance égale à .
Par définition, le bruit blanc Gaussien centré (de moyenne zéro) possède la même densité
spectrale pour toutes les fréquences. L'adjectif "blanc" est utilisé dans le sens où la lumière
blanche contient toutes les fréquences de la bande visible des radiations électromagnétiques.
Dans le cas d’un canal gaussien, on peut utiliser un détecteur conventionnel pour détecter les
canaux physiques E-DPDCHs. Il est basé sur l’utilisation d’un filtre adapté qui réalise une
corrélation entre le signal reçu et le code d’étalement du chaque canal physique E-DPDCH à
détecter.
3.6 Le système HSUPA sur un canal à trajet multiple
Dans les systèmes de radio-mobile, le signal transmis emprunte des trajets différents afin
d’arriver au récepteur. Dans la majorité des cas, les composantes du signal sont réfléchies par
des obstacles. Ces trajets multiples ont des longueurs physiques différentes ainsi le signal issu
de chaque trajet arrive avec une amplitude et un retard propres au trajet. Ces échos induisent
un étalement temporel du signal donnant lieu à un phénomène d’interférence entre les
symboles.
De plus, le changement au cours du temps de l’environnement de propagation et le
déplacement de l’émetteur ou du récepteur introduisent une variation au cours du temps de
l’amplitude et de la phase des trajets qui est nommée l’étalement Doppler.
52
3.6.1 Etalement Doppler
Lors de la transmission à travers un canal radio-mobile, le signal reçu subit un décalage
constant de fréquence appelé l’étalement Doppler, quand l’émetteur et le récepteur sont en
mouvement l’un par rapport à l’autre. Cette dispersion fréquentielle, introduite par
l’inconstance des caractéristiques du canal durant la propagation, résulte une augmentation de
la bande de fréquence occupée par le signal.
3.6.2 L’étalement temporel du canal
Lors d’une transmission sur un canal à évanouissements, les composantes du signal
empruntent des chemins distincts et elles arrivent au récepteur avec des retards différents.
L’étalement temporel est défini par la différence du temps entre le plus grand retard et le plus
petit retard des trajets. Il permet de caractériser la dispersion temporelle du canal par une
seule variable.
3.7 Les différents types d’interférences
Le canal de propagation peut affecter les performances de tout système de
radiocommunication à base de W-CDMA, car il engendre des dégradations sur le signal
transmis. Afin de choisir les techniques de traitement de signal appropriées qui seront mises
en œuvre dans la chaîne d’émission et de réception, il faut définir les caractéristiques du canal
de propagation. Les propriétés du canal sont également déterminantes pour le mécanisme de
contrôle de puissance.
3.7.1 Interférences intracellulaires
Elles représentent l'interférence mutuelle entre les utilisateurs de la cellule. Des codes
orthogonaux sont utilisés à la fois dans la voie descendante et dans la voie montante et si cette
orthogonalité était préservée alors les signaux des différents usagers de la cellule seraient
décorrélés entre eux et il n'y aurait pas d'interférences intracellulaires.
En réalité, il y a toujours des trajets multiples, et du fait de ce phenomène, les codes dans la
voie descendante ne restent pas parfaitement orthogonaux, et on introduit donc dans ce sens
un facteur d'orthogonalité correspondant à une orthogonalité parfaite et pas
d'interférences intra-cellulaires, correspondant au fait que tous les signaux de la cellule
interfèrent pleinement entre eux [10] [15] [27].
Dans la voie montante, supposons qu’ il y a absence de trajets multiples, les signaux des
différents utilisateurs de la cellule ne restent pas orthogonaux car les utilisateurs de la cellule
53
transmettent de façon indépendante et non synchronisée. Ainsi, dans le sens montant, les
signaux interfèrent pleinement avec ou sans trajets multiples.
3.7.2 Interférences inter-cellulaires
Dans le sens montant, l'interférence inter-cellulaire représente les interférences dues aux
signaux envoyés par les mobiles des cellules voisines et qui viennent constituer du bruit
supplémentaire au niveau de la réception à la station de base de la cellule.
Dans le sens descendant, l'interférence inter-cellulaire représente les interférences dues aux
signaux envoyés par les stations de base des cellules voisines et qui viennent constituer du
bruit supplémentaire au niveau du mobile en réception [10] [15] [27].
3.8 Mobilité avec le HSUPA
La gestion de la mobilité, appelée aussi gestion des handovers, en HSUPA est similaire à celle
des (DCH) spécifiée dans le Release 99. Selon la norme 3GPP, le Soft-Handover est
également supporté pour le HSUPA. Dans le Soft Handover E-DCH, on distingue les cellules
« Serving Cell », « Cell of Serving RLS (Radio Link Set) » ou « Cell of Non-Serving RL
(Radio Link) ».Une cellule du « ServingNodeB » est une « ServingCell » ou une « Cell of
Serving RLS (Radio Link Set) ».Le principe du soft handover du DCH utilise plusieurs
cellules dont nous allons voir en annexe A, les détails avec le mécanisme de contrôle de
puissance [32].
3.9 Conclusion
Nous avons pu voir dans ce chapitre la transmission des données en HSUPA, une description
sur les éléments généraux de l’emetteur et le recepteur. L’émetteur qui regroupe les
traitements numériques appliqués sur le canal de transport E-DCH, ainsi que ceux appliqués
au niveau de l’interface radio, afin que les signaux à transmettre arrivent au récepteur à
moindre perturbations et interférences. Nous avons expliqué les phénomènes des trajets
multiples et les interférences liés au canal de transmission.
Le prochain chapitre entrera dans le cœur de ce document en expliquant le fonctionnement du
mécanisme de contrôle de puissance de la liaison montante.
54
CHAPITRE 4
MECANISME DE CONTROLE DE PUISSANCE DE LA LIAISON MONTANTE
4.1 Introduction
L'intérêt de la technologie HSUPA est d'offrir la possibilité d'émettre facilement des contenus
volumineux (photos, audio, vidéo) vers d'autres mobiles mais également vers les plates-
formes de partage sur Internet. Ces services de multimédia et de l’Internet à haut débit exigent
l’optimisation du lien montant, l’utilisation efficace des ressources radio et le maintient d’une
meilleure qualité de service (QoS) sur le lien radio.
De ce fait, pour obtenir le niveau de qualité de service imposé par ces applications et d’éviter
les effets proche-lointain, différents algorithmes sont mis en œuvre dans le RNC et à travers
les mesures réalisées par les stations mobiles. Dans ce chapitre, nous allons étudier le
mécanisme de contrôle de puissance en ajustant la puissance d’émission pour réduire le
niveau d’interférence et conserver une QoS constante.
4.2 Le contrôle de puissance en HSUPA
Le contrôle de puissance est un moyen conditionnant le bon fonctionnement du réseau tout
entier. Il s'impose pour contrer l'effet «Proche-Lointain » qui est l’une des contraintes du
système WCDMA. Sans lui, un seul terminal mobile émettant à une puissance trop élevée
pourrait empêcher tous les autres terminaux mobiles de la cellule de se communiquer. De
plus, on peut avoir des interférences très élevées dues à la mauvaise distribution de puissances
et ces interférences réduisent la QoS et la capacité du système.
Il est donc important que tous les signaux arrivent avec un même niveau de puissance au
récepteur. Ce contrôle de puissance est dit efficace s’il aboutit à la QoS désirée avec des
puissances minimales [18] [19] [22] [28].
4.3 Différents type de contrôle de puissance pour le HSUPA
A l’inverse du système HSDPA qui utilise la technique de la modulation et du codage
adaptatifs (MCA) comme étant un mécanisme d’adaptation du lien, le système HSUPA utilise
les boucles de contrôle de puissance. Pour le HSDPA, l’adaptation du lien se fait par la
modificationdu type de la modulation et par la variation du rendement de codage. Par contre,
pour le HSUPA, le système conserve la même configuration et il fait varier la puissance
d’émission pour poursuivre la variation des conditions de transmission. Cette adaptation est
55
effectuée par un mécanisme qui est basé sur l’utilisation de la boucle fermée de contrôle de
puissance [18] [19] [22] [28].
Il y a deux types de contrôle de puissance distinctes : la boucle de contrôle de puissance
ouverte et la boucle de contrôle puissance fermée dont nous allons voir par la suite :
4.3.1 Contrôle de puissance en boucle ouverte (open-loop)
Il concerne uniquement le mobile (sens montant), son but est de déterminer le niveau de
puissance du signal à transmettre avant de rentrer en communication avec la station de base.
Ce niveau de puissance est calculée en fonction de l'affaiblissement de parcours ou « path
loss » mesurée dans la voie descendante sur des canaux définis dans ce but par le réseau.
Le contrôle de puissance en boucle ouverte a pour rôle de compenser les évanouissements à
long terme (affaiblissement de parcours du à des distances importantes entre l’émetteur et le
récepteur) et en particulier, les évanouissements dus au phénomène de l'effet de masque ou
shadowing (évanouissement du à la présence d'obstacles tels que des arbres, des collines ou
des immeubles).
Ce type de contrôle de puissance n'est pas très efficace pour compenser les effets des
évanouissements rapides qui sont caractérisés par des variations rapides de la puissance du
signal dans des intervalles de temps assez courts, et ils trouvent leur origine dans les
réflexions du signal transmis sur les différents obstacles et dans la vitesse relative entre le
mobile et la station de base. Cela entraine une dégradation de type « effet doppler » avec un
décalage en fréquence [16] [17] [18].
4.3.2 Contrôle de puissance en boucle fermée (closed-loop)
Le contrôle de puissance en boucle fermée est utilisé dans le but de compenser les
évanouissements rapides. Il est appelé à « boucle fermée » puisque, à la différence du contrôle
de puissance en boucle ouverte, le récepteur concerné calcule des commandes de contrôle et
les envoie à la source émettrice pour que celle-ci règle sa puissance d’émission.
Notons que le contrôle de puissance en boucle fermée a lieu dans les deux sens, c'est-à-dire
dans les voies montante et descendante. On distingue la boucle de contrôle de puissance
externe ou OLPC et la boucle de contrôle de puissance interne ou ILPC [16] [17] [18].
56
4.3.2.1 La boucle OLPC (Outer-Loop Power Control)
La boucle extérieure de contrôle de puissance (OLPC) est utilisée pour garantir une qualité de
service désirée en produisant un rapport signal à interférence, nommé (Signal to
Interference Ratio), à la boucle intérieure de contrôle de puissance.
Elle est implémentée au niveau du RNC, la fréquence d’exécution de cette boucle varie entre
10 à 100 Hz, c’est pourquoi elle est appelée la boucle de contrôle de puissance lente. Les
sont calculés par une statistique sur les valeurs instantanées de TEP (taux d’erreur
paquet) ou sur les valeurs instantanées de TEB (Taux d’erreur binaire). Les TEP et TEB
reflètent les changements des conditions de propagation.
En effet, le RNC correct le après chaque variation des conditions de transmission
qui sont dus au changement de la vitesse des mobiles, au changement de la distance entre le
mobile et le Node B et à la variation de l’état du canal de transmission.
4.3.2.2 La boucle ILPC (Inner-Loop Power Control)
La boucle intérieure de contrôle de puissance (ILPC) est basée sur un échange des
informations entre le Node B et le mobile qui décrivent l’état du canal de transmission. Cet
échange est effectué par la transmission d’une commande de signalisation nommée TPC
(Transmit Power Control).
En effet, le Node B réalise des estimations régulières (1500 fois par seconde pour chaque
mobile) du rapport signal à interférence instantané puis il le compare avec la valeur du
rapport signal à interférence désiré .
En fonction du résultat, le Node B demande au mobile d’augmenter ou de diminuer sa
puissance d’émission. La boucle de contrôle de puissance ILPC permet, donc, au Node B de
recevoir les signaux de même puissance et de garantir aux utilisateurs la qualité de service
demandée. Ce mécanisme permet de prendre en compte tout type des variations et des
affaiblissements portés par le canal de transmission [16] [17] [18].
Dans ce qui suit, nous décrivons les traitements représentant la boucle intérieure de contrôle
de puissance qui sont effectués au niveau du Node B et au niveau du mobile.
4.4 Les traitements au niveau du Node B
Pour chaque slot, le Node B estime, à la sortie du détecteur HSUPA, le rapport signal à
interférence instantané Ensuite, il compare la valeur de avec le qui
est fourni par la boucle OLPC.
57
Si le est plus petit que le alors le Node B envoie au mobile la
commande TPC "up".
Par contre, si le est plus grand que le alors le Node B envoie au
mobile la commande TPC "down". Les commandes générées sont envoyées sur le
canal physique DPCCH de la liaison descendante par un champ de 15 bits.
Dans ce travail, l’estimation du est fait sur le canal physique E-DPDCH qui utilise le
facteur d’étalement le plus faible. Ce canal physique a le rapport signal à interférence
instantané le plus petit. En effet, ce dernier est le plus perturbé par le bruit et l’interférence
entre les symboles. L’estimation du dépende du détecteur HSUPA utilisé. Nous
proposons une estimation du rapport signal à interférence instantané à la sortie du récepteur
RAKE (figure 4.02).
La figure 4.01 montre la structure du mécanisme de contrôle de puissance basé sur
l’estimation de SIR utilisée pour le système HSUPA, dont nous allons voir plus les détails de
cette estimation SIR au paragraphe 4.4.1.2.
Figure 4.01 : Mécanisme de contrôle de puissance basé sur l’estimation de SIR pour
le système HSUPA.
4.4.1 Le récepteur RAKE
4.4.1.1 Généralités
Dans un canal de transmission à trajets multiple, le signal original émis se réfléchit sur des
obstacles et le récepteur obtient plusieurs copies de ce signal avec différents retards. Un
58
récepteur DS-CDMA peut les éliminer efficacement si les retards sont supérieurs à la durée
d'un chip. Dans ce cas, les signaux retardés sont éliminés par la propriété d'autocorrélation de
la séquence d'étalement utilisée. Cependant, on peut obtenir une diversité temporelle en
combinant les signaux issus des trajets multiples dans un récepteur RAKE. Ceci permet de
surmonter les effets des fadings car les différents trajets suivis par les signaux parvenant au
récepteur possèdent des statistiques d'évanouissement qui sont indépendantes.
Le récepteur RAKE est composé de corrélateurs, chacun recevant un signal correspondant à
un trajet. La figure 4.02 montre la structure du récepteur RAKE utilisé pour le système
HSUPA. Après l'étalement de spectre et la modulation, le signal est émis et passe à travers un
canal à trajets multiples, qui peut être modélisé par des retards et des atténuations.
Sur la figure 4.02, on a composantes avec des différents retards ( ) dont chacune
correspond à un seul trajet. Dans le récepteur RAKE, à chaque composante correspond un
corrélateur et dans chaque corrélateur, le signal reçu est désétalé avec le code d'étalement
utilisé pour le présent canal physique E-DPDCH mais retardé de 𝑜
Le signal de sortie du corrélateur qui correspond au symbole du canal
physique E-DPDCH reçu par la antenne réceptrice, est exprimé par :
√ ∑
∑ ∑
(4.01)
Où répresente le bruit après le filtrage adapté et
(t) est la fonction d’intercorrelation entre les codes d’étalement.
Ensuite, l’estimation du symbole transmis est obtenue par une pondération du vecteur des
sorties des filtres adaptés par le vecteur des gains complexes des trajets.
59
Figure 4.02 : La structure du récepteur RAKE utilisé pour le système HSUPA
Le signal à la sortie du récepteur RAKE qui correspond au symbole du canal E-
DPDCH reçu sur le antenne réceptrice, est donné par le produit scalaire suivant :
=
(4.02)
=√
(4.03)
=√ ∑ | |
(4.04)
Où est un bruit blanc que présente le bruit blanc gaussien additif , l’interférence entre
les symboles et l’interférence entre les canaux physiques. Remarquons que pour fonctionner,
le récepteur RAKE doit avoir des estimations sur les retards et les atténuations. Ceci est
indispensable pour reconstituer convenablement le signal à la sortie [9] [17] [18] [19].
60
4.4.1.2 Estimation du SIR à la sortie du récepteur RAKE
Pour estimer le SIR instantané du canal physique E-DPDCH qui utilise le facteur d’étalement
le plus faible, nous avons besoin de l’expression du signal à la sortie du récepteur RAKE qui
est décrite par l’équation 4.04. En utilisant cette expression, le rapport signal à interférence du
premier canal physique E-DPDCH reçu par la antenne réceptrice, est exprimé par :
[|√
| ]
[| |
]
(4.05)
=
(4.06)
Où est la matrice de covariance représentant l’interférence totale de la antenne
réceptrice. Pour calculer cette matrice de covariance, nous allons supposer que l’interférence
entre les symboles , l’interférence entre les canaux physiques
et le bruit gaussien
sont indépendants. La matrice est divisée en trois autres matrices :
(4.07)
Où
est la matrice de covariance de l’interférence entre les symboles,
désigne la matrice de covariance de l’interférence entre les canaux physiques ;
représente la matrice de covariance du bruit qui est une matrice diagonale dont les
éléments sont égaux à la variance de bruit . En utilisant les propriétés d’orthogonalité des
codes d’étalement, les éléments des deux matrices et
s’écrivent de la manière
suivante :
[
] (4.08)
[
] (4.09)
Les mesurés à la sortie de chaque récepteur RAKE qui correspondent à chaque
antenne réceptrice sont additionnés ensemble pour former le rapport signal à interférence
instantané qui sera comparé avec le [9] [17] [19]:
∑
(4.10)
61
4.5 Traitement au niveau du mobile
Les commandes TPC (Transmit Power Control) reçus par le mobile sont utilisées par un
algorithme pour générer un ordre d’augmentation ou de diminution de la puissance
d’émission pour le prochain slot, nommée
Le standard 3GPP a normalisé pour la liaison montante deux algorithmes de traitement des
commandes TPC. Le choix de l’un de deux algorithmes est signalé par les couches hautes.
Après la dérivation de l’ordre par l’un de deux algorithmes, le mobile ajuste sa
puissance d’émission par un pas pour garder le de la voie montante proche
du . Ce pas est exprimé en dB par :
(4.11)
où est le pas d’ajustement de la puissance d’émission d’un chip qui est fixé par les
couches hautes et qui dépend de l’algorithme de traitement de commande TPC utilisé [9] [17]
[19] [20] [27].
4.5.1 Le premier algorithme de traitement des commandes TPC
Le premier algorithme de traitement des commandes TPC est utilisé quand le mobile a une
grande vitesse qui introduite une variation rapide des caractéristiques du canal de
transmission. Le pas d’ajustement de la puissance d’émission de cet algorithme peut être
égal à 1dB ou à 2dB. La fréquence d’exécution de cet algorithme est égale à 1.5kHz. Cet
algorithme dépend de l’état de mobile qui peut être dans un état de "soft handover". Le
principe et le fonctionnement du soft handover seront décrits à l’annexe A1 du document.
Si le mobile n’est pas dans un état de "soft handover" alors une seule commande TPC est
reçue pour chaque slot. Dans ce cas, un ordre st généré, pour chaque slot, comme
suite :
Si la commande TPC reçue est égale à la valeur "up" alors ;
Si la commande TPC reçue est égale à la valeur "down" alors ;
Par contre, lorsque le mobile est dans un état de "soft Handover", des multiples commandes
TPC peuvent être reçues pour chaque slot à partir des Nodes B différents. Cet algorithme
génère l’ordre en combinant les commandes TPC de la manière suivante :
62
Si toutes les commandes TPC sont égale à la valeur "up" alors ;
Si toutes les commandes TPC sont égale à la valeur "down" alors ;
Sinon [9] [17] [19] [20] [27] ;
Figure 4.03 : Premier algorithme de traitement des commandes TPC
4.5.2 Le deuxième algorithme de traitement des commandes TPC
Le deuxième algorithme de traitement des commandes TPC est utilisé quand la vitesse de
mobile est suffisamment basse pour garder les caractéristiques du canal de transmission
constantes. Dans ce cas, le pas d’ajustement de la puissance d’émission est toujours égal
à la valeur 1dB. Cet algorithme dépend aussi de l’état de mobile [9] [17] [19].
Quand le mobile n’est pas dans un état de "soft handover", une seule commande TPC sera
reçue pour chaque slot. Dans ce cas, cet algorithme traite les commandes TPC reçues sur un
cycle de 5 slots, c’est-à-dire que la fréquence de génération des ordres est égale à
500Hz. La valeur de l’ordre pour les premiers 4 slots est toujours fixée à 0. Pour le
cinquième slot, l’ordre est généré comme suite :
Si toutes les 5 commandes TPC sont égale à la valeur "up" alors ;
Si toutes les 5 commandes TPC sont égale à la valeur "down" alors ;
Sinon ;
𝑇𝑃𝐶𝑐𝑚𝑑 𝑞 " "
Oui
63
Par contre, si le mobile est dans un état de "soft handover" alors plusieurs commandes TPC
peuvent être reçues pour chaque slot à partir des Nodes B différents. La valeur de l’ordre
pour les premiers 4 slots est toujours fixée à 0. Pour le cinquième slot, cet algorithme
calcule une commande TPC temporaire en combinant les commandes TPC de la manière
suivante :
Si toutes les commandes TPC issus des différents Nodes B sont égale à la valeur
"up" alors qui correspond à la slot est égale à 1 ;
Si toutes les commandes TPC issus des différents Nodes B sont égale à la valeur
"down" alors qui correspond à la slot est égale à -1 ;
Sinon = 0 ;
Finalement, cet algorithme génère la commande TPC du cinquième slot de la manière
suivante :
Si (
∑ >0.5 alors
Si (
∑ < - 0.5 alors
Sinon
Figure 4.04 : Premier algorithme de traitement des commandes TPC
64
4.6 Conclusion
Pour conclure ce chapitre, le mécanisme de contrôle de puissance est une gestion de la
ressource radio, il permet de lutter contre l’effet « proche-lointain » de la voie montante, de
réduire l’interférence des cellules voisines dans la voie descendante et de contrecarrer les
dégradations causées par le canal de propagation ainsi que de prolonger l’autonomie de la
batterie du mobile.
De ce fait, il nous sera utile de le simuler sur un logiciel spécifique afin que nous puissions
démontrer la performance du système HSUPA en utilisant cette méthode, le chapitre suivant
nous donnera l’opportunité de voir les résultats de la simulation.
65
CHAPITRE 5
SIMULATION DES PERFORMANCES DU SYSTEME HSUPA AVEC CONTROLE
DE PUISSANCE
5.1 Introduction
Pour évaluer les performances du système HSUPA avec la boucle de contrôle de puissance, il
est nécessaire de prendre en compte la mobilité de l’utilisateur en considérant le handover et
plus particulièrement en soft handover. Les détails concernant le handover sont présentés à
l’annexe A1 de cet ouvrage.
Le soft handover et le contrôle de puissance sont étroitement liés, nous allons simuler les
performances du système HSUPA avec contrôle de puissance en prenant en compte le soft
handover avec le logiciel OPNET Modeler 14.5. Le choix du simulateur s’est porté sur
OPNET en raison de son environnement et sa performance, il est aussi réputé dans de
nombreuses entreprises d’ingénierie réseau dans le monde entier.
5.2 Présentation d’OPNET Modeler
OPNET (OPtimum Network Engineering Tool) est un simulateur permettant de modéliser le
fonctionnement d’un réseau pendant la phase de conception. Il est proposé par la société
OPNET Technologies. L’interface graphique et la modélisation orientée objet permettent de
reproduire la structure réelle du réseau et de ses composants afin de coller à la réalité de façon
intuitive. Pratiquement tous les types de réseau existants sont représentés. De plus, il dispose
de codes sources totalement ouverts et clairement expliqués, cela aide les développeurs à
mieux comprendre les fonctionnements détaillés de chaque composant dans le réseau.
L’avantage du simulateur est de détecter les problèmes qui surviendront en exploitation dès la
conception du réseau, et donc de pouvoir tester les différentes solutions permettant d’y
remédier.
5.3 Hiérarchie de niveau d’OPNET Modeler
L’OPNET Modeler est un logiciel de simulation de réseaux précis et complet. Il fonctionne
en utilisant trois niveaux d’abstractions différents. Il dispose de trois niveaux hiérarchiques
imbriqués: le network level, le node level et le process level.
5.3.1Au niveau réseau (Network level)
Ce niveau représente le réseau dans son ensemble. Le réseau est décrit sous forme d’un
ensemble d’éléments de communication (routeurs, stations de travail, hub, etc.) qui sont
Network Model
66
appelés les nœuds et de liens entre eux. Les utilisateurs peuvent configurer le réseau en
paramétrant les attributs associés aux nœuds et aux liens.
5.3.2 Au niveau Nœud (Node level)
Ce niveau permet de définir l’architecture des nœuds en traduisant les flux de données
échangés entre les blocs fonctionnels appelés les modules. Les modules peuvent représenter
les applications, les couches de protocoles, les buffers,… Les modules peuvent communiquer
entre eux via des flux des paquets ou via des liens statistiques (échanger des informations de
statistiques, comme le remplissage de file d’attente, le délai de limite de transmission, ...). La
fonctionnalité de chaque module est ensuite spécifiée au niveau processus.
5.3.3 Au niveau processus (Process level)
Ce niveau permet de définir le rôle du module composant le nœud, le comportement de ce
module est spécifié au niveau de processus à l’aide de machine à états finis. Chaque étape du
modèle de processus contient du code C/C++ supporté par une librairie de fonctions définis
par les logiques des protocoles.
5.4 Simulation sous OPNET du contrôle de puissance
5.4.1 Rapport Signal sur Interférence cible(RSI)
Le RSI (ou SIR en anglais) est le quotient entre la puissance reçue de la porteuse du signal et
les interférences dues aux autres signaux utilisant la même porteuse. C’est un indicateur de la
qualité d’un réseau de téléphonie mobile utilisé dans la planification et la maintenance du
réseau.
Dans notre étude, en UL, le du canal E-DPDCH est déduit à la sortie du récepteur
RAKEdu Node B, tandis que le est signalé par RNC. Ils sont à comparer pour
ajuster la puissance de transmission de la station de base.
Supposons que le SIR est défini par
associé à la valeur la plus faible du facteur
d’étalement. Dans le cas d’une diversité d’antenne réceptrice, le SIR est calculé séparément,
pour chaque antenne, et ensuite, additionné pour obtenir le .
5.4.2 Présentation de la simulation
Étant donné qu’OPNET fournit en standard une liste impressionnante d'implémentations de
routeurs, de stations de base, d’utilisateur mobile, de Switch,...Les utilisateurs peuvent donc
construire une simulation de réseaux des différentes technologies dans la famille modèle en
67
faisant glisser des différentes palettes. Ensuite, on fait les interconnections avec les liens
souhaités.
Ci-après le modèle de réseau de notre simulation :
Figure 5.01 : Le projet « contrôle de puissance »
Pour notre scenario, nous avons besoins de deux utilisateurs mobiles dans chacun des deux
cellules, les deux Nodes B (Node_B_0 et Node_B_1) ont le même RNC, et supposons qu’ils
ont les mêmes fonctionalités. Ici, nous allons choisir la cellule qui comporte les deux
utilisateurs UE_O et UE_1 connectés au Node_B_O
La présence de la mobilité nécessite la précision de deux entités tels que le Nœud de service
SGSN et le nœud de passerelle GGSN. Aussi, le RNC et le Node B sont les éléments
importants responsables du mécanisme de contrôle de puissance.
5.4.3 Les paramétrages des éléments du réseau
Dans ce travail, nous évaluons les performances du système HSUPA avec deux utilisateurs
actifs dans une cellule en présentant le pouvoir de ce mécanisme d’adaptation du lien et de
combattre les variations rapide et les affaiblissements apportés par le canal de transmission.
Ce canal de transmission est un canal radio-mobile à trajets multiples qui utilisent le profil du
canal ITU_PedestrianB avec une vitesse de 3 Km/h. Nous avons supposé une connaissance
parfaite des caractéristiques de ce canal et que ce dernier est constant sur la durée de
transmission d’un slot. L’algorithme de traitement des commandes TPC utilisé est le premier
algorithme.
68
5.4.3.1 Au niveau du RNC
La valeur du « Soft handover » est « Supported » pour indiquer que le réseau supporte le soft
handover. Les autres attributs comme :
« Active Set » indique le nombre maximal de Node B qui peut exister dans « Active
Set » de l’UE connecté à un temps donnée.
« Macro Diversity Threshold= 6dB» indique le seuil établi lorsque l’UE est en état
de macrodiversité ;
« Macro Diversity Hysteresis= 1.5dB », c’est la marge pour le seuil en état de
macrodiversité, c’est -à- dire que le seuil reste tolérable au minimum à 4.5 dB.
« Replacement Hysteresis=3dB », c’est la marge à partir de laquelle on procède au
remplacement d’une cellule dans l’active set.
Si la valeur de « Soft Handover » est « Not Supported», ces quatre paramètres ne sont plus
valides.
.
Figure 5.02 : Paramétrage du RNC
69
5.4.3.2 Au niveau du Node B
Le « Pathloss Model » est le modèle du canal de transmission, il est utilisé pour calculer la
puissance reçue au récepteur. Ici, nous avons choisi « Outdoor to Indoor and Pedestrian
Environment ». ITU_Pedestrian B correspond à un terrain montagneux, avec une forte densité
en végétation et à un terrain plat, avec une faible densité de végétation.
Figure 5.03 : Paramétrage du Node B
5.4.4 Résultats et interprétations
Nous allons collecter les statistiques suivantes :
« Uplink actual Eb/No », cette statistique représente les valeurs mesurées d'Eb/No des
paquets envoyés en Uplink par l’UE au Node B de sa cellule primaire courante. La
statistique est rassemblée séparément pour chaque canal physique, cela est établi avec
ce Node B. Cette valeur est équivalente au .
« Uplink target Eb/No », cette statistique représente la valeur cible de Eb/No utilisée
par l'UE tout en calculant sa puissance de transmission pour la prochaine transmission
en Uplink, qui est ajusté et est basé sur le succès ou l'échec de la transmission
précédente. Elle représente le .
70
« Uplink Reception power », cette statistique représente la puissance reçue au Node B
envoyés par l’UE de sa cellule primaire courante. La statistique est collectée
séparément pour chaque canal physique qui est établi avec ce Node-B.
« Uplink Transmission Power », cette statistique représente la puissance de
transmission utilisée par l'UE. La statistique est rassemblée séparément pour chaque
canal physique, cela est établi avec le Node-B de la cellule primaire courante.
« Total Downlink Throughput (bits/s) », cela représente le débit total en bit/s du trafic
envoyé par le Node B en lien descendante ;
« Total Uplink Throughput (bit/s) », cela représente le débit total en bit/s reçu par le
Node B en lien montante.
Nous avons deux scenarios différents avec la même topologie, leur différence réside sur le
paramétrage du RNC.
5.4.4.1 Performance du système HSUPA sans contrôle de puissance
Dans ce premier scenario, nous représentons les performances du système HSUPA sans
l’utilisation des algorithmes de contrôle de puissance. La figure suivante nous monte les
puissances envoyées par les deux utilisateurs (UE_0 et UE_1) à chaque Node B c’est-à-dire
« Uplink Transmission Power ».
Figure 5.04: Uplink Transmission Power (dBm)
Dans la figure 5.04, la courbe en bleue indique la puissance de transmission en lien montante
de l’UE_0, et la courbe en rouge est celui de l’UE_1. Leurs valeurs maximales sont
71
respectivement de 6dBm et de 16dBm, ces deux valeurs indiquent qu’ils sont en soft
handover. Pour l’UE_0, la puissance de transmission augmente lorsqu’il s’éloigne du
Node_B_0 jusqu’à un certain seuil, et en même temps que la puissance transmise au Node
B_1 diminue petit à petit pour enfin remplacer la cellule du Node B_0 par celle du Node B_1.
De plus, La distance des deux mobiles par rapport au Node_B_0 ne sont pas les mêmes, UE_0
est plus proche que UE_1, UE_0 émette ainsi à une puissance minime qui varient de -6dBm à
6dBm tandis que pour l’UE_1, il émette à une puissance de 11dBm à 16dBm.
Figure 5.05: Uplink Reception Power (dBm)
Sans contrôle de puissance, les puissances reçues au niveau du Node B ne sont pas stables, on
remarque l’UE_0 plus proche du Node B (courbe bleue) est reçu à une puissance élevée de
environ -130dBm par rapport à l’UE_1 (courbe rouge) de -190dBm à -140dBm. Aussi, les
puissances diminuent à cause des interférences et le brouillage des conversations de l’autre
utilisateur.
72
5.4.4.2 Performance du système HSUPA avec contrôle de puissance
Dans ce qui suit, nous allons évaluer les performances du système HSUPA avec le mécanisme
de contrôle de puissance. Nous allons utiliser le premier algorithme pour prouver ses
performances.
Figure 5.06 : Comparaison des rapports signal sur interférenced’UE_0
La figure 5.05 nous montre que le est inférieure à , donc alors la station de
base donne l’ordre au terminal mobile d’augmenter sa puissance de transmission de 1dB pour
la trame suivante ;
Mais dû à la mobilité de la terminale mobile UE_0 qui va vers le Node_B_0, les puissances
reçues par le Node B diminuent d’où les puissances reçues en Uplink restent constants grâce
au mécanisme de contrôle de puissance à une valeur moyenne environ -100dBm.
73
Figure 5.07 : Comparaison de la puissance reçue par le Node B_0 et la puissance émis par
l’UE_0
Figure 5.08 : Comparaison des rapports signal sur interférenced’UE_1
De même pour le terminale mobile UE_1, la figure 5.07 nous monte la comparaison de
et .
Les puissances reçues en Uplink restant constantes avec une valeur environ -100dBm
74
Figure 5.09: Comparaison de la puissance reçue par le Node B_0 et la puissance émis par
l’UE_1
Figure 5.10: Comparaison de la puissance reçue par le Node B_0 et la puissance émis par
l’UE_O
75
La figure 5.10 nous montrent une vue d’ensemble sur les puissances émises par l’UE_0 et
l’UE_1 et celui reçues par le Node_B_0.
On remarque qu’après contrôle de puissance, les puissances reçues par le Node_B_0 restent
constantes à -100dBm même si les deux terminaux mobiles transmettent à des puissances
différentes.
La présence du soft handover permet la continuité de la transmission sans arrêt momentané au
cours de l’handover intrafréquence (même fréquence porteuse). Par contre en cas de « non
soft handover » c’est-à-dire hard handover, les résultats seront présentés à la figure 5.11.
La courbe suivante nous montre les débits en Uplink et Downlink du Node_B_0 :
Figure 5.11 : Débits totaux en Uplink et downlink du Node_B en bits/s
Pratiquement, avec le mécanisme de contrôle de puissance, le débit total du trafic reçu par le
Node_B_0 augmente jusqu’à 20Kbits/s tandis que pour le Downlink jusqu’à 3Kbit/s. Des
valeurs plus proches de notre théorie.
Etant donné que le HSUPA utilise une transmission de données par paquet, voici ci-après les
résultats des débits totaux en Uplink.
76
Figure 5.12:Débits totaux en Uplink et downlink du Node_B en paquets/s
5.5 Conclusion
Nous avons vu dans ce chapitre les résultats de la simulation avec et sans le mécanisme de
contrôle de puissance. D’après les graphes obtenus, nous remarquons que l’utilisation de la
boucle de contrôle de puissance apporte une puissance minimum et constante à la réception
du système HSUPA, par rapport au système HSUPA sans la boucle de contrôle de puissance.
Ceci s’explique par l’optimisation de la puissance d’émission et la combinaison du
mécanisme de contrôle de puissance avec le soft handover. Nous avons vu aussi que
l'interférence est la limite principale de la capacité et comme la consommation de batterie va
être très élevée, le contrôle de puissance efficace et rapide prend une grande importance dans
la conception du système UMTS et surtout dans la voie montante.
77
CONCLUSION GENERALE
Pour obtenir une meilleure qualité de service et une augmentation de la capacité du système
HSUPA, nous avons développé dans ce mémoire un mécanisme de contrôle de puissance qui
permet de lutter contre le masquage des utilisateurs reçus avec de faibles puissances, par
d'autres reçus avec de fortes puissances.
L’architecture du HSUPA représente une évolution par rapport à celle de l’UMTS. Pour cela,
nous avons commencé par un rappel de l’évolution jusqu’à l’UMTS des réseaux cellulaires,
puis l’étude de ce réseau avec une revue des différents types de canaux et de la technique
d’accès WCDMA.
Ensuite, nous avons présenté les propriétés des deux technologies complémentaires HSDPA
et HSUPA, les nouveaux canaux introduits, les techniques de retransmission et
d’ordonnancement et plus particulièrement l’étalement de spectre dans la voie montante. La
combinaison de ces propriétés permet d’augmenter le débit sur le lien montant d’une manière
bien significative.
En ce qui concerne, la transmission de données en HSUPA, nous avons vu en détails les
éléments importants de l’émetteur et du récepteur. Ces étapes sont nécessaires pour assurer la
fiabilité de la transmission. Pour l’optimisation du lien montant et de l’amélioration de la
qualité du lien radio, le mécanisme de contrôle de puissance sont développés avec ces
différents algorithmes.
Plus particulièrement, nous avons simulé la performance du système HSUPA avec le
mécanisme de contrôle de puissance, tout en considérant le soft handover. Ce mécanisme de
mobilité améliore la capacité de couverture en Uplink. La combinaison de ces deux systèmes
permet d’assurer une meilleure de qualité de service à la réception. De plus, l’optimisation du
lien montant par le système HSUPA est obtenue par un suivi rapide des variations du canal de
transmission pour ajuster la puissance d’émission du mobile et l’adaptation du lien.
La technologie HSUPA du « release 6 » de la norme 3GPP HSUPA, est un système pour les
données Uplink consistant à augmenter le débit des réseaux UMTS jusqu’à 5,76 Mbit/s, il est
plus performant si on utilise notre technique de contrôle de puissance. Pour un travail futur,
nous pouvons considérer l’équivalent de ce système en HSDPA en variant le type de
modulation par la modulation et codage adaptatifs.
78
ANNEXES
ANNEXE A : LE HANDOVER
A.1 Notion de handover
Le handover gère la mobilité des usagers. Notons que les terminaux mobiles et les
stations de base utilisent plusieurs récepteurs à corrélation qui forment un récepteur de RAKE
pour récupérer le maximum d'énergie du signal sur les différents trajets empruntés et
éventuellement sur les différentes antennes. Différents types de handover existent suivant la
position de l'usager mobile dans la cellule : soft handover, softer handover ou hard handover.
L’utilisation du soft handover et du softer handover permet d'accroître les
performances de la liaison en y ajoutant une forme de diversité. Il est cependant nécessaire de
minimiser les situations de soft handover, sous peine de gaspiller les ressources et diminuer la
capacité du système. Le traitement de handover est défini pour les services de type circuits et
les services de types données. Pour le premier cas de figure, les handovers peuvent être
implantés comme soft, softer ou hard handover. Pour les services de types donnés, le seul type
de handover défini est la resélection de cellule.
A.2 Processus de handover
Le processus de handover se déroule lorsque le mobile est en cours de communication en se
servant d’un canal dédié, c’est-à-dire dans l’état CELL_DCH.
Le handover concerne le changement du canal radio utilisé par un terminal mobile. Le
nouveau canal alloué peut être dans la même cellule que celle de l’utilisateur ou dans une
cellule différente. Le handover est initié lorsque le mobile traverse la région de Handover
formée par l’entrelacement de deux régions de recouvrement. Dans cette région, un appel peut
être traité par deux stations. Le temps mis par le mobile dans la région de handover est appelé
« intervalle de dégradation ». Le processus du handover est initié lorsque la puissance reçue
par le mobile de la station de base d’une cellule voisine est plus grande que celle reçue par la
station de base courante d’une certaine valeur. Cette valeur est appelée le « handover
threshold ».
Pour que le handover s’établisse avec succès, un canal devrait être alloué à la requête
handover avant que le rapport des puissances reçues par le mobile atteigne le « receiver
79
threshold ». Ce dernier est le seuil du rapport de puissances reçues au-dessous duquel une
communication acceptable avec la station de base de la cellule courante n’est plus possible.
La région du handover est la région ou le rapport des puissances reçues par la station de base
courante et voisine est entre le « handover threshold » et le « receiver threshold ». Ce rapport
de puissance devient inférieur au « receiver threshold » et si aucun canal n’est alloué à l’appel
handover dans la cellule candidate, l’appel en cours est alors forcé à se terminer. Dans ce cas,
le handover a échoué.
Figure A.01 : Processus du handover
Il y a plusieurs raisons pour lesquelles des handovers doivent être exécutés. D'une façon
générale les handovers sont nécessaires quand le raccordement n’est plus satisfaisant. Dans
cette situation, un handover est initialisé avec certaines règles. Les raisons les plus communes
pour qu’un handover soit exécuté sont en raison de manque de qualité de signal ou du niveau
du trafic pour une station de base.
80
A.3 Types de handover en UTRA
Il existe en UTRA/FDD deux principaux types de handover : le hard-handover et le soft
handover. Dans le premier, les liens radio du service courant sont relâchés avant d’avoir établi
un nouveau lien. A contrario, dans le cas de soft handover, les liens sont ajoutés et relâchés,
de telle sorte que le terminal maintient toujours au moins une liaison avec l’UTRAN. Aussi,
dans le soft handover, un même UE peut communiquer simultanément avec plusieurs Nodes
B (macrodiversité). Un cas particulier du soft handover est le softer handover où les liens
radio sont contrôlés par un même Node B lequel gère plusieurs secteurs.
A.3.1 Le hard handover
Le hard handover consiste à libérer l'ancienne connexion avant qu'une nouvelle connexion
radio entre le mobile et le réseau soit établie. Ce type de handover est utilisé dans les réseaux
GSM, où dans chaque cellule, on a des fréquences différentes. Un mobile qui passe dans une
nouvelle cellule provoque la rupture de l'ancienne connexion avant qu'une nouvelle connexion
utilisant une autre fréquence soit établie dans la cellule visitée.
En fait, le hard handover peut être causé par:
Manque de couverture dans une zone donnée
La dégradation de la qualité de communication.
La charge de la cellule.
Regroupement des services.
Equilibrage des charges entre réseaux
A.3.2 Le soft/softer Handover
Soft/softer Handover sont deux types de Handover implémentés dans le système UMTS et qui
sont spécifiques à la technologie WCDMA. Le soft handover se produit lorsque le mobile est
dans la zone de chevauchement de deux cellules. Il permet à un mobile d'utiliser plus qu'un
lien radio pour communiquer avec le réseau fixe. Cette procédure permet de diminuer le taux
d'échec de handover aux bords des cellules et améliore significativement la qualité de signal.
Le déclenchement de ce type de handover se fait en se basant sur les mesures effectuées par le
mobile sur les canaux pilotes des différentes stations de base.
81
Le soft Handover correspond au cas où les deux liens radio sont contrôlés par des stations de
base différentes ; le softer Handover est la situation dans laquelle une seule station de base
reçoit les signaux d'un seul utilisateur à partir de deux secteurs qu'ils desservent.
A.3.2.1 Contrôle de puissance en soft handover
L’utilisation du soft handover dans le réseau fondé sur le CDMA répond essentiellement à la
nécessité de réduire au minimum le niveau d’interférence provoqué par un UE lorsqu’il
pénètre dans une zone couverte par plusieurs stations de base qui reçoivent sur une même
fréquence porteuse. En l’absence de cette procédure, les terminaux mobiles desservis par les
cellules voisines pourraient être éblouis par l’UE entrant dont la puissance de transmission
n’est pas connu a priori par les cellules qui l’accueillent (effet « proche-lointain »). Aussi, les
procédures de contrôle de puissance et le soft handover sont étroitement liées.
Contrôle de puissance dans la voie montante lors d’un soft handover
Pendant le soft handover, chacune des cellules dans l’active set estime individuellement le
rapport sur les copies du DPCCH de la voie montante émis par le terminal. Puis, elles
génèrent individuellement des commandes TPC pour indiquer à l’UE concerné d’accroître ou
de diminuer sa puissance de transmission. L’UE reçoit donc des multiples commandes TPC
au cours d’un slot. Puisque ces commandes ne sont pas codées pour éviter des retards
inhérents dans le processus de codage, leur estimation peut être fausse en raison des
dégradations causées par le canal radio.
Comme il s’agit d’une boucle, le niveau global d’interférence peut ainsi augmenter et la
capacité de la cellule diminuer. L’UE ne peut donc pas se connecter d’appliquer une fonction
logique « OU » sur les multiples commandes reçues pour générer et appliquer une commande
unique à sa puissance d’émission. Pour ce faire et décider si la puissance doit être incrémentée
ou diminuée, l’UTRAN indique à l’UE d’appliquer l’un des deux algorithmes proposés dans
ce but. Les commandes de contrôle de puissance venant de n Nodes B dans l’active
set sont pondérées avec des poids dérivés de la qualité radio (
)de leurs liens correspondants.
C’est uniquement dans le cas où la qualité du lien radio est jugée fiable que la commande
associée prise en compte. Il suffit que l’une des commandes reçues soit (jugées fiables) soit
elle que pour que la procédure s’arrête et que l’UE prenne la décision de
diminuer sa puissance d’émission. Sinon, il considérera que sa puissance doit être accrue.
Contrôle de puissance dans la voie descendante lors d’un soft handover
Dans la voie descendante, l’UE reçoit simultanément plusieurs signaux correspondant aux
canaux physiques dédiés actifs pendant le soft handover. Puis, il combine les différents trajets
82
de ces signaux et il estime une valeur unique de SIR sur le signal combiné. L’UE génère donc
une commande unique TPC qui sera transmise à tous les Nodes B faisant partie de l’active set.
En raison des erreurs survenues lors de la transmission, les Nodes B peuvent recevoir cette
commande de manière différente et ajuster leur puissance dans les directions opposées. Pour
pallier ce problème, il est possible que l’UTRAN demande à l’UE de répéter la même
commande de contrôle de puissance sur plusieurs slots. Cela crée une forme de diversité
temporelle pouvant diminuer le taux d’erreur.
Une autre solution consiste à synchroniser la puissance de transmission des stations de base
(power balancing). Le RNC envoie régulièrement à celles-ci une puissance de référence.
Chaque cellule calcule la différence entre la puissance de référence et la puissance actuelle de
cette cellule et essaye de compenser cet écart par un processus lent qui peut s’étendre sur
plusieurs trames.
Contrôle de puissance suivant la technique SSDT
La technique SSDT (Site Selection Transmit Diversity) est une technique de contrôle de
puissance de la voie descendante qui s’applique lors d’un soft ou softer-handover. L’UE
sélectionne la cellule de l’active set ayant la meilleure qualité radio et la considère comme
«primaire ».
L’objectif est de désactiver la transmission des données des cellules dont la qualité n’est pas
très bonne et de diminuer ainsi l’interférence générée entre elles. SSDT intervient
typiquement pour pallier le problème dit « corner effect» où l’UE reçoit un signal de bonne
qualité d’une cellule et un signal affaibli des autres cellules impliquées dans la
macrodiversité. Cela se traduit par une limitation de gain de macrodiversité. Mais le niveau
des signaux reçus par l’UE peut changer très rapidement. Aussi, SSDT permet de maintenir
toutes les cellules dans l’active set et de pouvoir commuter très rapidement de l’une à l’autre,
tout en économisant de la puissance dans les cellules qui ne sont pas « primaires ».
Les cellules se voient assigner une identité temporaire par l’UE de manière à ce qu’elle sache
quelle est la cellule « primaire » et quelle est celle qui ne l’est pas. Cette identité est mise à
jour de façon périodique et elle est communiquée aux cellules concernées par les bits FBI du
DPCCH dans la voie montante. Les cellules qui ne sont pas « primaires » arrêtent la
transmission du DPCCH dans la voie descendante sachant que seul le DPCCH est transmis.
83
A.4 Handover intrafréquence
Le soft handover est la méthode la plus utilisée pour effectuer un handover intrafréquence.
Elle est propre à la technologie l’UTRA/FDD et ne s’applique pas à la technologie
UTRA/TDD. L’utilisation du soft handover permet d’accroître les performances de la liaison
en termes de capacité et de qualité en y ajoutant une forme de diversité.
Il faut noter que le soft handover n’est pas la seule technique à être utilisée lors d’un handover
interfréquence et que le hard-handover est également possible. Par exemple, cette situation se
présente lorsque l’UE doit basculer vers un Node B appartenant à un RNC différent de celui
du Node B et lorsque les deux RNC ne sont pas connectés par l’interface « Iur ».
A.5 Handover interfréquence
Le handover interfréquence est déclenché entre deux cellules ou secteurs contigus utilisant
des fréquences différentes. Une interruption momentanée du service en cours est alors à
prévoir. Il a lieu également entre cellules appartenant à une structure hiérarchisée autrement
dit, les cellules dans les niveaux hiérarchiques utilisent des fréquences différentes. A la
différence du soft handover, la nécessité de déclencher un handover interfréquence est évaluée
par un algorithme résidant dans le RNC et c’est pour cette raison qu’il est du type NEHO
(Network Evaluated Handover). Comme pour le soft handover, l’implémentation exacte de
l’algorithme à utiliser est laissée à la discrétion de l’équipementier. Par exemple, il peut être
déclenché lorsque :
Dans la voie descendante, on atteint la valeur maximum de puissance moyenne
tolérée dans la cellule car elle est trop chargée. Autrement dit, lorsque la boucle
externe de contrôle de puissance au niveau de l’UE ne peut pas maintenir la valeur
cible en termes de BLER ou BER pour un service temps réel en cours ;
Dans la voie montante, on recense une détérioration lors de l’ajustement de la boucle
externe de contrôle de puissance, au niveau de RNC, et ce pour un service temps réel
en cours ;
Le soft handover échoue au moment d’ajouter des nouvelles branches dans l’active
set en raison d’une surcharge dans la cellule concernée ;
La demande d’allocation radio d’un radio access bearer(RAB) échoue en raison
d’une surcharge dans la cellule active et lorsque dans la cellule voisine la puissance
transmet sur une fréquence porteuse différente.
84
ANNEXE B : LES ALGORITHMES DE RETRANSMISSION HARQ POUR LE
SYSTEME HSUPA
B.1Les techniques de retransmission ARQ
Dans le schéma ARQ, les paquets transmis sont codés en utilisant seulement un code
détecteur d’erreurs. A la réception, un décodage détecteur d’erreurs est appliqué à chaque
paquet reçu. Si le récepteur détecte la présence d’erreurs, il envoie à l’émetteur un message
d’acquittement négatif (NACK) pour demander la retransmission du paquet. Dans le cas
contraire, il envoie un message d’acquittement positif (ACK) pour informer l’émetteur de la
bonne réception du paquet et pour lui demander de passer à la transmission du prochain
paquet. Dans ce schéma, les paquets erronés sont rejetés. L’implémentation de cette technique
est reliée au protocole de retransmission utilisé. Il existe trois protocoles de retransmission, à
savoir
Stop-And-Wait (SAW),
Go-Back-N (GBN)
Selective Repeat (SR).
B.1.1Le protocole Stop and Wait
Dans ce premier protocole, l’émetteur transmet un paquet et attend son acquittement par le
récepteur. Si cet acquittement est négatif, l’émetteur retransmet le paquet en question, sinon il
passe au paquet suivant.
B.1.2 Le protocole Go-Back-N
Dans ce second protocole nous transmettons N paquets sans analyser les acquittements reçus
au cours de ce laps de temps. En cas d’erreurs, l’émetteur reprend la transmission à partir du
paquet déclaré erroné tout en éliminant à la réception tous les paquets qui le suivent.
L’implémentation de ce protocole nécessite l’utilisation d’une mémoire à l’émission afin de
mémoriser les N derniers paquets transmis pour les retransmettre en cas d’erreurs.
B.1.3 Le protocole Repeat (SR)
Le troisième protocole consiste à retransmettre seulement les paquets déclarés erronés par le
récepteur. Ce protocole nécessite deux mémoires, l’une à l’émission pour retransmettre les
paquets erronés et l’autre à la réception afin de mémoriser les paquets corrects.
85
Pour le système HSUPA, le 3GPP a adopté un nouveau protocole ARQ nommé "N-Stop-And-
Wait" (N-SAW).
B.1.4 Le protocole N-SAW
C’est une version améliorée du protocole SAW. Il bénéficie de la réduction de l’intervalle de
temps de transmission d’un paquet dans le HSUPA (TTI=2 ms). Ainsi, le temps TTI est
devenu réduit par rapport au temps d’attente de l’émetteur. Par conséquent, l’émetteur peut
transmettre N processus ARQ au lieu d’attendre l’acquittement d’un seul paquet. En effet, le
protocole N-SAW est composé de N processus SAW où N est fixé par la norme 3GPP. Dans
le cas d’une durée de paquet égale à 10ms, 4 processus SAW sont normalisés pour le système
HSUPA qui correspond à un temps d’attente égale à 40ms. Par contre dans le cas d’une durée
de paquet égale à 2ms, 8 processus SAW sont normalisés pour le système HSUPA qui
correspond à un temps d’attente égale à 16ms.
B.2 La technique de retransmission HARQ
La technique de retransmission HARQ combine un schéma de retransmission ARQ avec un
système de correction d’erreurs. Pour le HSUPA, ce système de correcteur d’erreurs est
matérialisé par le turbo code de l’UMTS de rendement 1/3 et la retransmission ARQ se
déroule selon le protocole N-Stop-And-Wait qui est décrit précédemment. Avec l’introduction
de la technique HARQ, des modifications sont apportées au niveau de la structure de
l’émetteur et du récepteur du système HSUPA.
Après le codage de canal, un adaptateur de débit est inséré pour sélectionner les bits à
transmettre pour chaque retransmission. Au niveau du récepteur, après l’application de
l’adaptation de débit inverse, les paquets erronés ne sont pas rejetés mais ils sont gardés dans
une mémoire de réception afin de les combiner avec le paquet retransmis. Le paquet combiné
est introduit au décodeur de canal pour la correction d’erreurs. Après le décodage turbo, le
paquet décodé est passé par le décodeur détecteur d’erreurs (CRC). S’il n’y a pas des erreurs
de transmission, le récepteur envoie un acquittement positif à l’émetteur pour l’informer de la
bonne réception et pour lui demander de transmettre un nouveau paquet. Par contre s’il y a
des erreurs de transmission, le récepteur demande la retransmission du paquet en lui envoyant
un acquittement négatif. Par conséquent, l’émetteur procède à la retransmission du paquet
erroné après un temps d’attente appelé RTD (Round Trip Delay). Ce temps d’attente est fixé
par les couches hautes. Le paquet retransmis ne subit pas les mêmes conditions de
86
transmission que la retransmission précédente. Les retransmissions sont générées après le
codage de canal en modifiant le schéma de poinçonnage ou de répétition de bits par
l’adaptateur de débit. La figure B.01 présente la structure de l’émetteur et du récepteur du
système HSUPA en présence de la technique HARQ.
Figure B.01 : Modèle du système HARQ
B.3 Les algorithmes de retransmission de la technique HARQ normalisée pour le
HSUPA
B.3.1 L’algorithme de Chase
La technique HARQ avec l’algorithme de Chase consiste à retransmettre en plusieurs reprises
le même paquet codé. En effet, en cas d’échec de décodage du premier paquet reçu,
l’émetteur retransmet le même paquet après le temps d’attente RTD fixé par les couches
hautes. La deuxième retransmission ne subit pas, forcément, les mêmes effets du canal. Au
niveau du récepteur, le deuxième paquet est combiné avec le premier. Le paquet résultant est
décodé par le décodeur de canal puis passé au décodeur CRC pour la détection d’erreurs. S’il
y a encore un échec de décodage un autre paquet sera retransmis, de la même manière. Dans
l’algorithme de Chase, les paquets sont retransmis avec les mêmes schémas de poinçonnage,
c’est à dire, la même valeur du paramètre de la version de redondance XRV est conservée
d’une retransmission à l’autre. Ce paramètre est en générale fixé à 0(XRV=0) pour toutes les
87
transmissions HARQ. Cet algorithme est utilisé par le système HSUPA, à cause de sa
complexité réduite et de sa simplicité d’implémentation. Il permet d’offrir un gain
considérable en termes de rapport signal à bruit. Ce gain est dû à la diversité temporelle
produite par le canal de transmission. Le principe de l’algorithme de Chase est décrit sur la
figure B.02.
Figure B.02 : Principe de l’algorithme de Chase
B.3.2 Algorithme IR (Incremental Redundancy)
L’algorithme IR offre en plus de la diversité temporelle une diversité de codage, puisque les
retransmissions ne sont pas identiques. Elles peuvent porter des bits systématiques ou des bits
de redondances qui ne sont pas déjà transmis. En effet, le paramètre XRV doit être différent
d’une transmission HARQ à l’autre. Selon les valeurs de ce paramètre, nous pouvons
distinguer deux variantes de l’algorithme IR, à savoir le PIR (Partial Incremental
Redundancy) et le FIR (Full Incremental Redundancy).
Pour la variante FIR, le paramètre de la version de redondance est fixé toujours à 0
pourfavoriser la transmission des bits de redondance. En effet, les bits systématiques ne sont
pas tous retransmis et les bits de redondance sont entièrement retransmis dans chaque
retransmission. Le fait de ne pas retransmettre les bits systématiques peut provoquer une perte
88
d’information lorsque le canal de transmission est sévèrement perturbé. Le PIR est vu comme
une alternative à ce problème puisque les bits d’information sont retransmis à chaque fois.
Pour la variante PIR, chaque retransmission ne contient que partiellement des bits de
redondance. Les bits systématiques sont toujours retransmis. Ceci impose à la valeur du
paramètre d’être toujours fixé à 1 pour favoriser les bits systématiques.Le principe de
l’algorithmePIR est illustré sur la figure B.03.
Figure B.03 : Principe de l’algorithme PIR
89
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Communications», John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, 2006
92
PAGE DE RENSEIGNEMENTS
Nom: RAHERINIRINA
Prénoms: Hantaniaina Malalatiana Eulalie
Adresse: Lot II P 91D Avaradoha
Antananarivo101, Madagascar
Téléphone : (+261) 34 52 309 52
E-mail : [email protected]
Titre: ETUDE DES PERFORMANCES DU SYSTEME HSUPA AVEC LE MECANISME
DE CONTROLE DE PUISSANCE
Nombre de pages : 93
Nombre de tableaux : 11
Nombre de figures : 41
Mots clés : Contrôle de puissance, HSUPA, ILPC, OLPC, SIR, TEB, 3GPP, Soft handover
Directeur de mémoire : ANDRIAMIASY Zidora
Grade : Maitre de conférences
Téléphone : (+261) 34 01 141 21
E-mail : [email protected]
93
RESUME
Le contrôle de puissance est un mécanisme obligatoire pour le bon fonctionnement des systèmes
basés sur la technique d’accès multiple WCDMA. Ce mécanisme est normalisé pour les systèmes
radio-mobile de troisième génération tel que: l’UMTS, et le HSUPA. Dans cet ouvrage, nous
avons implémenté les algorithmes de contrôle de puissance pour le système HSUPA. Ainsi, nous
avons évalué son apport sur les performances de ce système sur un canal à trajets multiples.
L’utilisation de ces algorithmes de contrôle de puissance nous a permis de recevoir à la réception
une puissance constante et minimum pour économiser les batteries de l’utilisateur et donner une
meilleure qualité de service.
ABSTRACT
Power control is a mandatory mechanism for the good functioning of any systems based on
multiple access WCDMA. This mechanism is normalized for mobile radio systems such as third
generation: UMTS and HSUPA. In this project, we have implemented the power control
algorithms for HSUPA system. Thus, we’ve evaluated its contribution into the performance of
the system with a multipath channel. The use of these power control algorithms allowed us to get
a constant and minimum reception power, to save power user and provide a best quality of
service.
