EtudeFTcell reselect

TW52 – Travaux à caractères industriels et d’innovation

Etude des processus de sélection / resélection et de handover dans les technologies GSM et UMTS

Jean-Charles MUENIER – GI05 – R&T Suiveur en entreprise : Véronique BAEY Suiveur UTBM : Alexandre CAMINADA

France Telecom Division Recherche et

Développement 6 av Usines BP 382 90007

BELFORT CEDEX

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La diffusion de ce document est soumise à l’autorisation de France Télécom et de l'UTBM

SOMMAIRE SOMMAIRE ............................................................................................................................. 1 INTRODUCTION .................................................................................................................... 2 Présentation des technologies .................................................................................................. 3 1. La technologie GSM ...................................................................................................... 3 2. La technologie UMTS.................................................................................................... 6

Sélection / Resélection GSM .................................................................................................... 8 1. Processus de sélection de cellule.................................................................................... 8 2. Calage sur une cellule .................................................................................................... 9 3. Processus de resélection de cellule................................................................................. 9 4. Description des critères de sélection/resélection............................................................ 9 5. Synthèse ....................................................................................................................... 10 6. Schéma du mécanisme de sélection / resélection en fonction des critères................... 11 7. Exemple théorique........................................................................................................ 11

Sélection / Resélection UMTS................................................................................................ 13 1. Description des critères de sélection / resélection........................................................ 13 2. Synthèse ....................................................................................................................... 15 3. Exemple théorique........................................................................................................ 16

Sélection / Resélection multi-réseaux.................................................................................... 18 Gestion des handover ............................................................................................................. 19 1. Le Handover GSM ....................................................................................................... 19 2. Le Handover UMTS..................................................................................................... 22

CONCLUSION....................................................................................................................... 24

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INTRODUCTION Dans le cadre de l’UV TW52 : Travaux caractères industriels et innovation, il m’a été demandé d’effectuer une étude en partenariat avec France Telecom Recherche et Développement. Le sujet de mon étude est d’observer le processus de connexion des mobiles aux cellules des systèmes UMTS et GSM. En effet depuis l’arrivée récente des mobiles de troisième génération utilisant la technologie UMTS, il est intéressant de s’interroger sur le fonctionnement des échanges inter-cellulaires entre les cellules des 2 technologies. Nous débuterons notre étude par une brève présentation des 2 technologies afin de mieux comprendre leurs fonctionnements. Nous illustrerons ensuite le processus des sélection/resélection de cellules qui interviennent à la connexion initiale du mobile et lorsque celui-ci est en veille. Nous traiterons d’abord individuellement les 2 technologies avant de se focaliser sur la sélection multi-réseaux. Nous aborderons enfin le cas des handover qui se produisent lorsque le mobile est en communication. Comme précédemment nous étudierons individuellement ce phénomène dans les 2 technologies avant de se pencher sur le cas des handover inter-système.

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Présentation des technologies

1. La technologie GSM

Le réseau GSM (Global System for Mobile communications) constitue au début du 21ème siècle le standard de téléphonie mobile le plus utilisé en Europe. Il s'agit d'un standard de téléphonie dit « de seconde génération » (2G) car, contrairement à la première génération de téléphones portables, les communications fonctionnent selon un mode entièrement numérique.

Baptisé « Groupe Spécial Mobile » à l'origine de sa normalisation en 1982, il est devenu une norme internationale nommée « Global System for Mobile communications » en 1991.

En Europe, le standard GSM utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz. Aux Etats-Unis par contre, la bande de fréquence utilisée est la bande 1900 MHz. Ainsi, on qualifie de tri-bande (parfois noté tribande), les téléphones portables pouvant fonctionner en Europe et aux Etats-Unis et de bi-bande ceux fonctionnant uniquement en Europe.

La norme GSM autorise un débit maximal de 9,6 kbps, ce qui permet de transmettre la voix ainsi que des données numériques de faible volume, par exemple des messages textes (SMS, pour Short Message Service) ou des messages multimédias (MMS, pour Multimedia Message Service).

a. Notion de réseau cellulaire

Les réseaux de téléphonie mobile sont basés sur la notion de cellules, c'est-à-dire des zones circulaires se chevauchant afin de couvrir une zone géographique.

Les réseaux cellulaires reposent sur l'utilisation d'un émetteur-récepteur central au niveau de chaque cellule, appelée « station de base » (en anglais Base Transceiver Station, notée BTS).

Plus le rayon d'une cellule est petit, plus la bande passante disponible est élevée. Ainsi, dans les zones urbaines fortement peuplées, des cellules d'une taille pouvant avoisiner

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quelques centaines mètres seront présentes, tandis que de vastes cellules d'une trentaine de kilomètres permettront de couvrir les zones rurales.

Dans un réseau cellulaire, chaque cellule est entourée de 6 cellules voisines (c'est la raison pour laquelle une cellule est généralement représentée par un hexagone). Afin d'éviter les interférences, des cellules adjacentes ne peuvent utiliser la même fréquence. En pratique, deux cellules possédant la même gamme de fréquences doivent être éloignées d'une distance représentant deux à trois fois le diamètre de la cellule.

b. Architecture du réseau GSM

Dans un réseau GSM, le terminal de l'utilisateur est appelé station mobile. Une station mobile est composée d'une carte SIM (Subscriber Identity Module), permettant d'identifier l'usager de façon unique et d'un terminal mobile, c'est-à-dire l'appareil de l'usager (la plupart du temps un téléphone portable).

Les terminaux (appareils) sont identifiés par un numéro d'identification unique de 15 chiffres appelé IMEI (International Mobile Equipment Identity). Chaque carte SIM possède également un numéro d'identification unique (et secret) appelé IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Ce code peut être protégé à l'aide d'une clé de 4 chiffres appelés code PIN.

La carte SIM permet ainsi d'identifier chaque utilisateur, indépendamment du terminal utilisé lors de la communication avec une station de base. La communication entre une station mobile et la station de base se fait par l'intermédiaire d'un lien radio, généralement appelé interface air (ou plus rarement interface Um).

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L'ensemble des stations de base d'un réseau cellulaire est relié à un contrôleur de stations (en anglais Base Station Controller, noté BSC), chargé de gérer la répartition des ressources. L'ensemble constitué par le contrôleur de station et les stations de base connectées constituent le sous-système radio (en anglais BSS pour Base Station Subsystem).

Enfin, les contrôleurs de stations sont eux-mêmes reliés physiquement au centre de commutation du service mobile (en anglais MSC pour Mobile Switching Center), géré par l'opérateur téléphonique, qui les relie au réseau téléphonique public et à internet. Le MSC appartient à un ensemble appelé sous-système réseau (en anglais NSS pour Network Station Subsystem), chargé de gérer les identités des utilisateurs, leur localisation et l'établissement de la communication avec les autres abonnés.

Le MSC est généralement relié à des bases de données assurant des fonctions complémentaires :

• Le registre des abonnés locaux (noté HLR pour Home Location Register): il s'agit d'une base de données contenant des informations (position géographique, informations administratives, etc.) sur les abonnés inscrits dans la zone du commutateur (MSC).

• Le Registre des abonnés visiteurs (noté VLR pour Visitor Location Register): il s'agit d'une base de données contenant des informations sur les autres utilisateurs que les abonnés locaux. Le VLR rapatrie les données sur un nouvel utilisateur à partir du HLR correspondant à sa zone d'abonnement. Les données sont conservées pendant tout le temps de sa présence dans la zone et sont supprimées lorsqu'il la quitte ou après une longue période d'inactivité (terminal éteint).

• Le registre des terminaux (noté EIR pour Equipement Identity Register) : il s'agit d'une base de données répertoriant les terminaux mobiles.

• Le Centre d'authentification (noté AUC pour Autentication Center) : il s'agit d'un élément chargé de vérifier l'identité des utilisateurs.

Le réseau cellulaire ainsi formé est prévu pour supporter la mobilité grâce à la gestion du handover, c'est-à-dire le passage d'une cellule à une autre.

Enfin, les réseaux GSM supportent également la notion d'itinérance (en anglais roaming), c'est-à-dire le passage du réseau d'un opérateur à un autre.

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2. La technologie UMTS

À l'automne 2004, la téléphonie mobile de troisième génération fait son apparition en

France. Ce n'est pas une révolution de la même ampleur que la 2G dans les années 90, mais elle pourrait grandement faire évoluer les usages : accès haut débit à l'internet sans fil, visiophonie et messages vidéo ainsi que la réception de la télévision sur le téléphone...

a. UMTS : le haut débit mobile

La norme UMTS exploite le nouveau protocole de communication W-CDMAet de

nouvelles bandes de fréquences situées entre 1900 et 2200 MHz. À la différence du GSM qui fait passer les données par une cellule (antenne) divisée en canaux de fréquences différentes, elles-mêmes réparties selon des créneaux de temps, le W-CDMA permet d'envoyer simultanément toutes les données, par paquets et dans le désordre (sur n'importe quelle fréquence), reste au téléphone à réceptionner les paquets de données et les rassembler.

Cette technologie permet de faire transiter davantage de données simultanément et offre un débit bien supérieur à ceux permis par les GSM et GPRS. En théorie, il peut atteindre 2 Mbps à partir d'un lieu fixe et 384 kbps en mouvement. Bien qu'on soit encore loin de la promesse initiale, le maximum en Europe a été fixé à 384 kbps (kilobits par seconde) : soit 64 à 128 kbps en émission et 128 à 384 kbps en réception, même en mouvement (train, voiture). Ce "haut débit" mobile n'est pas si éloigné des vitesses de transmission proposées dans le cadre des premières offres d'accès à l'internet par l'ADSL ou le câble.

L'UMTS présente des avantages qui s'appliquent autant aux communications vocales qu'aux transferts de données. Comme la technologie exploite une bande de fréquences plus large, elle permet de passer trois fois plus d'appels. En théorie, l'UMTS devrait donc remédier à la saturation des réseaux existants et proposer des services de meilleure qualité. Le débit cinq à dix fois plus rapide laisse apparaître le développement de nouvelles applications, notamment dans le domaine du multimédia (visiophonie, diffusion de contenu vidéo et audio, MMS vidéo ou audio, etc.). Le haut débit mobile facilite aussi l'accès aux données, web et e-mails, en situation de mobilité.

b. L’architecture UMTS

Dans un terminal UMTS, l’utilisateur est appelé UE (équipement usager). Il est composé de :

• Mobile Equipment (ME). Partie fonctionnelle de l’UE composée de l’équipement terminal (TE) et de la terminaison mobile (MT).

• Mobile Termination (MT). Partie de l’UE qui effectue des fonctions spécifiques à la transmission et à la réception sur l’interface radio (contient les protocoles NAS et AS)

• Terminal Equipment (TE). Partie de l’UE les données de l’application ont générées en émission ou traitées en réception.

• Universal Integrated Circuit Card (UICC) Carte à puce dotée de caractéristiques électromécaniques standardisées et qui contient au moins une USIM.

• Universal Subscriber Identity Module (USIM) Application contenue dans l’UICC permettant l’accès aux services offerts par le réseau mobile.

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On fait la différence entre le réseau d’accès à l’UMTS appelé UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) et le réseau cœur (Core Network). Le réseau cœur est composé de l’ensemble des bases de données et des routeurs qui permettent le transport de l’information et la gestion de l’utilisateur sur l’ensemble d’un territoire. Le réseau d’accès UTRAN est composé des stations de base déployées sur le territoire. Les recommandations utilisent le terme de nœud B. Plusieurs nœuds B sont reliés à un RNC (Radio Network Controller) qui a pour rôle de gérer la ressource radio et donc de contrôler les nœuds B.

Place de l’UTRAN dans le réseau UMTS

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Sélection / Resélection GSM

Le processus de sélection intervient lorsque le mobile est mis sous tension, alors que la resélection intervient lorsque le mobile sort d’une cellule ou lorsqu’une station est dite « meilleure ».

1. Processus de sélection de cellule

Il se constitue de 3 phases :

a. Constitution d’une liste de voies balises

- sélection normale sur l’ensemble des fréquences possibles de GSM : le mobile

recherche les 30 porteuses les mieux reçues en mesurant le champ reçu et en faisant une moyenne sur plusieurs mesure

- sélection sur liste quand le mobile a mémorisé les voies balises lors de la dernière mise sous tension

b. Etude des voies balises candidates

Recherche de « cellule convenable » suivant plusieurs critères :

- appartenance au PLMN (réseau GSM opéré par un opérateur particulier su le

territoire) sélectionné - la cellule ne doit pas être interdite - elle ne doit pas se situer dans une zone interdite - l’affaiblissement entre le mobile et l’émetteur doit être inférieur à un certain seuil

c. Sélection du PLMN

Dans la plupart des cas, l’usager reste dans son PLMN nominal. Lorsqu’il met le

terminal sous tension, le PLMN sélectionné est le PLMN nominal et la première voie balise trouvée fait partie de ce PLMN. Il n’est pas nécessaire d’effectuer une procédure de sélection de réseau.

Lorsque l’abonné voyage à l’étranger, le terminal échoue dans sa recherche de voies balises car celles-ci ne portent pas le numéro du PLMN sélectionné. Le mobile entre donc dans un processus de sélection du PLMN et choisit un PLMN sur l’ensemble des fréquences GSM. Une fois le PLMN choisi, le terminal tente une inscription sur une cellule convenable. Si l’inscription est acceptée, le PLMN est alors sélectionné et le mobile peut se caler sur la cellule, sinon il indique que le service GSM n’est pas disponible.

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2. Calage sur une cellule

Quand le mobile a sélectionné un réseau et une cellule, il effectue les opérations

suivantes :

- il reçoit les informations concernant le système et diffusées par le réseau sur le canal BCCH (canal logique sur lequel sont diffusées des informations système)

- il peut à tout moment établir rapidement une communication en accédant au réseau sur le canal RACH de la cellule sélectionnée (canal de contrôle partagé permettant au mobile de se signaliser au réseau pour demander un service particulier)

- il écoute le canal PCH (canal logique GSM supportant l’ensemble des appels en diffusion) pour surveiller les messages d’appel en diffusion émis par le réseau

Une fois ces informations récupérées le mobile est alors dit calé sur une cellule. Il reçoit alors sur le canal BCCH la liste des porteuses à étudier.

Le champ reçu sur chaque porteuse est mesuré périodiquement, ce qui permet de déterminer la liste des 6 cellules les plus puissantes.

Il y a en permanence vérification de la présence du mobile dans la cellule à l’aide du critère d’affaiblissement C1. De plus il vérifie fréquemment qu’il n’existe pas une meilleure cellule à l’ide du critère de resélection C2.

3. Processus de resélection de cellule

La cellule sélectionnée est donc celle dont le paramètre C1 est le plus important. Toutes les 5 secondes sont recalculées C1 et C2 afin de vérifier que le mobile est toujours dans la cellule ou qu’il n’existe pas de meilleure cellule. Si C1 est trop important ou si on trouve une meilleure cellule avec C2, il y a alors resélection.

4. Description des critères de sélection/resélection

a. Critère d’affaiblissement C1

Son but est de s’assurer qu’une communication entre le mobile et le réseau serait de

bonne qualité sur la cellule considérée. Il est calculé à l’aide des informations reçues lors du calage de la cellule. Le critère est satisfait si C1>0. C1 =RXLEV – RXLEV_ACCESS_MIN RXLEV est le niveau du signal reçu et RXLEV_ACCESS_MIN est le niveau minimum de réception requis dans la cellule

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b. Critère de resélection C2

Son but est de tester si une cellule voisine est « meilleure ». C2 est calculé avec les informations diffusées sur le canal BCCH et si le C2 d’une cellule candidate est supérieure à celui de la cellule courante, il peut alors y avoir resélection de cellule.

C2= C1 + CELL_RESELECT_OFFSET CELL_RESELECT_OFFSET permet de défavoriser plus ou moins une cellule par rapport à ses voisines.

5. Synthèse

Processus général de sélection / resélection

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6. Schéma du mécanisme de sélection / resélection en fonction des critères.

Accès au réseau

Calcul des 1 de toutes les cellules disponibles

Calage sur la cellule qui a le C1 le plus élevé

Toutes les 5 secondes : calcul de tous les C1 et C2

Si le C2 d’une autre cellule > C2 de la cellule actuelle � Reselection sur cette cellule

7. Exemple théorique

Ce paragraphe a pour but d’illustrer le processus de sélection / resélection GSM par un exemple. Prenons une maille couverte par 6 stations (3 appartenant à la bande 900, 3 à la bande 1800) :

- A 900 de champ -70 dBm - A1800 de champ -76 dBm - B 900 de champ -80 dBm - B 1800 de champ -85 dBm - C 900 de champ -83 dBm - C 1800 de champ -75 dBm

Maille

A 900 A 1800

B 900 B 1800

C 900 C 1800

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La sélection de cellule est basée sur le critère C1. Calculons donc les C1 de toutes les cellules.

C1 = Champ – RXLEV_ACCESS_MIN A900 : C2 = -70 + 102 = 32 A1800 : C2 = -76 + 95 = 19 B900 : C2 = -80 + 102 = 22 B1800 : C2 = -85 + 95 = 10 C900 : C2 = -83 + 102 = 19 C1800 : C2 = -75 + 95 = 20 Le C1 le plus élevé est celui de A900. C’est donc la cellule sélectionnée.

La resélection est basée sur le critère C2. Si C2(voisine) – C2(serveuse) > 0, la sélection s’effectue sur la voisine.

Pour notre exemple, nous allons calculer le C2 pour chacune des stations. La station qui aura le C2 le plus élevé sera la station serveuse de la maille.

C2 = C1 + CELL_RESELECT_OFFSET C2 = Champ – RXLEV_ACCESS_MIN + CELL_RESELECT_OFFSET On prendra pour notre exemple les valeurs suivantes : CELL_RESELECT_OFFSET 900 = 0 dBm CELL_RESELECT_OFFSET 1800 = 20 dBm RXLEV_ACCESS_MIN 900 = -102 dBm RXLEV_ACCESS_MIN 1800 = -95 dBm

A900 : C2 = -70 + 102 + 0 = 32 A1800 : C2 = -76 + 95 + 20 = 39 B900 : C2 = -80 + 102 + 0 = 22 B1800 : C2 = -85 + 95 + 20 = 30 C900 : C2 = -83 + 102 + 0 = 19 C1800 : C2 = -75 + 95 + 20 = 40

C’est donc la station C1800 qui obtient le C2 le plus élevé. C’est donc la station serveuse de la maille. On constate que selon C1 et C2 ce n’est pas la même cellule qui est sélectionnée. C1800 a été favorisée grâce à son paramètre CELL_RESELECT_OFFSET 1800.

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Sélection / Resélection UMTS Le principe de sélection et de resélection du réseau UMTS diffère peu de celui du

GSM en ce sens que le mobile reçoit en permanence des informations sur le canal BCCH qui permettent de calculer les critères de sélection / resélection. En revanche ceux-ci diffèrent du GSM. Ce paragraphe va montrer les différences entre les critères des 2 systèmes.

1. Description des critères de sélection / resélection

a. Critère S

Le critère S (pour Selection) permet de vérifier que la station de base est correctement reçue. C’est un critère double qui vérifie si 2 variables S(rxlevl) et S(qual) sont positives. Le critère S(rxlevl) permet de vérifier que le bilan de liaison est correct, c'est-à-dire que l’atténuation n’est pas trop importante pour permettre une réception correcte du mobile et de la station de base. Sa formulation est identique au critère C1 du GSM. Il est basé sur le CPICH RSCP (Received Signal Code Power du canal pilote). Le CPICH RSCP est calculé par la formule suivante :

, _ _ ( , )CPICH

CPICH i

PRSCP

PL TOT DL i BS=

Le critère S(qual) permet d’exprimer des exigences de qualité. Il doit vérifier que le rapport signal / bruit mesuré sur le canal pilote est supérieur au rapport minimal exigé et diffusé sur le canal BCCH.

Ec/(I0)=(P(CPICH) / PL_TOT_DL(i,BS)) / N0

i Indice des mailles BS Indice de stations de base PCPICH Puissance d’émission du canal CPICH PL_TOT_DL(i,BS) Affaiblissement total entre une base BS et une maille i.

PL_TOT_DL avec des termes exprimés en dB : PL_TOT_DL(i,BS)=ASYS(i,BS)-Ge_DL(BS)+Pe_DL(BS)

Ge_DL(BS) Somme des gains à l’émission (au niveau de la station)

Pe_DL(BS) Somme des pertes à l’émission (au niveau de la station) ASYS(i,BS) Affaiblissement dû à la propagation radioélectrique entre la base

BS et la maille i N0 puissance du bruit.

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a. Critère R

Le critère R (pour Ranking) permet de classer les stations de base et de choisir la « meilleure » station de base parmi les stations vérifiant S. Le mobile étant a priori calé sur une cellule courante que l’on désigne par l’indice s, le critère R s’écrit pour cette cellule Rs = Q(meas,s) + Q(hyst,s).

Q(meas,s) désigne le niveau de signal sur le canal pilote et Q(hyst,s) est diffusé sur le

canal BCCH permet de favoriser la cellule courante et évite des resélections trop fréquentes. Pour une cellule voisine d’indice n, le critère R est défini comme suit : Rn = Q(meas,n) – Q(offset s,n) Q(meas,n) est défini comme pour la cellule courante et Q(offset s,n) permet de

favoriser ou de pénaliser une cellule voisine par rapport à la cellule courante. Ce critère équivaut au critère C2 du GSM.

b. Critère S(search)

Lorsque le mobile est très proche de la station de base et que la qualité de la cellule est bonne, il est inutile qu’il fasse les mesures pour déterminer le critère R. En effet, ces mécanismes sont consommateurs d’énergie. Pour minimiser la consommation des terminaux, les recommandations prévoient la possibilité de diffuser une valeur de seuil S(search) sur le BCCH. Lorsque S(qual) > S(search) le mobile peut s’abstenir de mesurer les cellules voisines. Ceci n’est pas encore forcément appliqué sur tout le réseau.

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2. Synthèse

Accès au réseau

Calcul des S de toutes les cellules disponibles

Filtrage des cellules dont les S sont négatives

Calcul de tous les critères Rn

On classe les cellules selon leur Rn

Calage sur la cellule qui a le meilleur Rn

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3. Exemple théorique

Considérons une maille couverte par 8 stations avec les affaiblissements (ASYS) suivants : indice Station AS ASYS

1 164

2 165,2

3 165,95

4 175,72

5 180,52

6 185,91

7 187,46

8 188,76

Pour le calcul d'affaiblissement et du RSCP : indice Station AS Gain Emission Perte Emission P. pilote (w)

Toutes les stations 18.66 3 2

Pour l'affaiblissement, on travaille en dB, donc affTotaldB = Asys – GainEmission + PerteEmission. Pour le calcul du RSCP, il faut prendre la puissance pilote / aff total = Ppilote / (10

affTotaldB/10). Or si on travaille en dB, RSCP = Ppilote(dB) - affTotaldB

Ppilote = 2 W = 33 dB

indice Station AS Aff Total RSCP

1 148.34 -115.34 2 149.54 -116.54 3 150.29 -117.29 4 160.06 -127.06 5 164.86 -131.86 6 170.25 -137.25 7 171.8 -138.8 8 173.1 -140.1

On fixe le seuil à -132 dB, ce qui correspond à la sensibilité d’un mobile pour le service voix. On peut donc enlever les stations 6, 7 et 8 car leur RSCP n’est pas assez important. Le critère S(rxlevl) nous a donc permis d’enlever 3 stations. Pour le critère S(qual) nous avons besoin de calculer le Ec/N0 qui est en dB :

EC/N0 (dB) = RSCP (dB) – N0 (dB)

On prend comme valeur N0 = -108 dB

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indice Station AS Ec/N0 (dB)

1 -19.06 2 -23.86 3 -29.25 4 -30.8 5 -32.1

On fixe le seuil à -31 dB. On retire donc la station 5 à l’aide du paramètre S(qual). Le mobile se cale donc sur la cellule 1 car c’est celle qui a le meilleur RSCP. Passons maintenant au critère R. Dans notre cas Q(hyst,s) = 5 dB Donc Rs = RSCP + Q(hyst,s) = -115.34 + 5 = -110.34 dB Calculons maintenant le Rn des autres stations.

indice Station AS Q(offset s,n) Rn

2 3 -113,54 3 10 -107,29 4 6 -121,06

En classant donc les stations, la station 3 a un critère R meilleur que la station 1. Le mobile se connecte donc sur la station 3.

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Sélection / Resélection multi-réseaux Un mobile compatible UMTS peut écouter des cellules sur les réseaux GSM et UMTS. Cependant, les conversations vidéo sont gourmandes en ressources. Il arrive donc que pour des conversations vocales uniquement un mobile UMTS se connecte sur le réseau GSM afin de libérer de la place pour les conversations vidéo. Ce phénomène peut se produire également puisque tout le territoire n’est pas encore couvert UMTS et dans les cas de indoor profond. Nous allons donc étudier les conditions de resélection GSM � UMTS et UMTS � GSM.

a. Critère resélection GSM �� UMTS

Il faut que le RSCP de la cellule UMTS soit meilleur que RXLEV (GSM) + OFFSET ( 2G

� 3G ) durant au moins 5 secondes afin d’éviter des resélections trop fréquentes. L’OFFSET permet à l’opérateur de privilégier un réseau à un autre.

b. Critère Resélection UMTS �� GSM

De manière analogue, il y a resélection UMTS � GSM lorsqu’une cellule GSM possède

un meilleur RXLEV + OFFSET ( 3G � 2G ) que le RSCP de la cellule UMTS.

c. Exemple

Si nous avons OFFSET ( 2G � 3G ) = 30 et OFFSET ( 3G � 2G ) = 50 : Cellules UMTS RSCP RSCP+ offset Cellules GSM RXLEV Rxlev +offset

U1 -116,35 -66,35 G1 -150 -120

U2 -112,97 -62,97 G2 -85 -55

U3 -109,47 -59,47 G3 -94 -64

U4 -109,47 -59,47 G4 -102 -72

U5 -103,47 -53,47 G5 -104 -74

U6 -103,1 -53,1 G6 -79 -49

U7 -101,35 -51,35 G7 -88 -58

Le mobile est connecté au début sur la cellule UMTS U1 car c’est celle qui a le

meilleur RSCP mais après calcul des offset on s’aperçoit que le RXLEV + OFFSET de la cellule G1 est meilleure que le RSCP deU1. Il y a donc resélection vers G1.

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Gestion des handover Le processus de sélection / resélection de cellules permet à un mobile à l’état de veille de choisir la meilleure cellule. En cours de communication, le mobile va être aussi amené à changer de canal ou de cellule pour des raisons essentiellement radio, afin principalement de maintenir le lien avec une qualité acceptable.

1. Le Handover GSM

a. Handover Intercellulaire

Un handover entre 2 cellules différentes se produit normalement quand les mesures effectuées montrent un niveau de champ ou une qualité de signal reçu faible sur la cellule courante et un niveau de champ du signal meilleur sur la cellule voisine. Ce type de handover peut aussi se produire quand permet la communication avec un niveau de puissance de signal plus faible. Ceci indique typiquement que la MS est sur le bord de la cellule. Si un grand nombre d’appels est généré sur une cellule donnée, il peut être intéressant pour équilibrer le trafic, de transférer certaines communications sur des cellules voisines. Un handover intercellulaire peut donc être justifié pour des raisons de trafic. Il existe également un handover intracellulaire qui peut survenir lorsque la dégradation de la qualité du signal est due aux interférences sur le canal et non à l’éloignement de la station mobile. On commute donc le mobile sur un autre canal. Cependant nous ne traiterons pas ce type de handover dans le détail. On distingue généralement trois types de Handover : Le handover intra BSC :

C'est le type le plus fréquent. Ceci indique typiquement que la MS est sur le bord de la

cellule. Détaillons rapidement l'échange de message au sein du BSS pendant l'exécution du handover.

La BSC établit parallèlement à la liaison existante une seconde voie de signalisation vers la nouvelle BTS. Puis la BSC commande au mobile de se porter sur la BTS nouvellement élue et commute la communication simultanément. Enfin lorsque le transfert est réalisé, la BTS en informe la BSC qui commande la libération des ressources employées sur la cellule précédente.

Le handover inter BSC :

Nous décrivons ici le déroulement du handover entre deux cellules d'un même MSC

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mais de BSC différents. Par action conjuguée du BSC cédant et du MSC, on établit un canal de signalisation vers la BTS cible au travers de la nouvelle BSC. Après un accord du BSC cible, le mobile est invité à se porter sous la BTS cible. Alors la MSC commute la communication. Après acquittement du Handover par la BTS cible, le MSC libère les anciens liens.

Cependant, si le BSC doit effectuer un HO (handover) hors de sa zone de gestion, il communique au MSC de rattachement les données nécessaires. Le handover inter MSC :

Le MSC1 établit une liaison à travers le MSC2 une voie de signalisation vers la BTS cible. Le MSC2 informe le LSC1 de l'accord du BSC cible. Le MSC1 commande le mobile à travers la BSC de la MSC1 à se porter sur la BTS cible. Le MSC1 commute alors la communication vers la BTS cible via le MSC2 et le BSC de la MSC2. De même, après acquittement du Handover, le MSC1 libère les anciens liens.

b. Exemple d’un Handover intra BSC

Scénario de handover

Les phases successives permettant ce transfert intercellulaire sont : 1. Rapport des mesures effectuées par le terminal. 2. Rapport des mesures effectuées par le terminal et relayées par la BTS1. 3. Décision d'handover, allocation d'un canal de trafic à la BTS2. 4. Acquittement de la BTS2. 5. Envoi de la commande de handover au terminal via la BTS2. 6. Acquittement du terminal. 7. Acquittement du terminal relayé par la BTS2. 8. Commande de libération du canal. 9. Acquittement de la BTS1.

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c. Les HO Margin

Afin d’éviter des handover trop fréquents, GSM utilise les HO Margin qui sont des valeurs que l’on ajoute au niveau du signal requis afin d’obtenir une marge avant de procéder au handover.

Les niveaux de signal des stations A et B sont représentés par les traits continus. On ajoute les HO Margin respectifs et on obtient les niveaux décalés représentés en pointillé. Il y a donc handover lorsque le niveau de signal margé de la station connectée devient inférieur au niveau de signal non-margé de l’autre station.

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2. Le Handover UMTS

Deux types de handover sont définis dans le cadre de l’UMTS : le hard handover et le soft handover. Par définition, un soft handover comprend une phase où le mobile est connecté à 2 stations de base simultanément ou plus ; cette phase est appelée « macrodiversité ». Le soft handover a lieu lorsqu’un mobile passe d’une cellule UMTS à une autre avec la même porteuse.

Le hard handover comprend une phase où le mobile n’est connecté à aucune station de base. Il a lieu lors d’un changement de porteuse et lorsqu’un mobile passe d’une cellule UMTS à une cellule d’un autre système, par exemple GSM.

Les handover se déroulent de la manière suivante :

� Processus de mesure

Le RNC (Radio Network Controller) contrôle le processus de mesures. Il définit les mesures que le mobile doit faire, notamment s’il est nécessaire de faire des mesures inter-fréquences et inter-système (pour les cas de handover UMTS�GSM). La principale quantité mesurée est le rapport Ec/N0 sur les canaux pilotes des cellules courantes et des cellules voisines.

� Remontée des mesures

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Le mobile effectue les mesures et les remonte vers le réseau. Ce processus est normalement périodique mais peut être conditionné par un critère de déclenchement : une « remontée sur événement ». Ce critère peut être par exemple le rapport Ec/N0 d’un pilote qui rentre dans une certaine plage ou la quitte.

� Déclenchement du handover Le RNC décide du handover selon les mesures effectuées. La réalisation du mécanisme de macrodiversité nécessite la gestion de 2 ensembles de cellules qui sont gérées au niveau du mobile :

o jeu des cellules actives ou active set : cellules impliquées dans une situation de soft handover

o jeu des cellules voisines ou neighbour set : cellules que le mobile mesure constamment mais pur lesquelles la valeur de Ec/I0 n’est pas assez importante pour être incluses dans la liste active set

Intéressons-nous maintenant aux différents cas de hard handover :

o Handover inter-fréquence : se produit quand le mobile passe d’une zone couverte par des cellules de même norme mais utilisant des fréquences différentes.

o Handover inter-mode : se produit entre 2 cellules de mode d’accès radio différent.

o Handover inter-système : se produit entre 2 cellules de technologies d’accès radio différents

Dans le cadre de cette étude, il est intéressant de développer ce dernier car c’est celui

qui intervient lors d’un changement entre une cellule UMTS et une cellule GSM. Dans ce cas, le mobile pourra sur demande du réseau, réaliser des mesures sur les canaux communs GSM.

Pour un handover GSM � UMTS les paramètres suivants sont mesurés : Ec/I0 et RSCP ; alors que pour un handover UMTS � GSM on mesure le RXLEV.

UMTS et GSM étant des technologies très différentes, il est difficile de comparer les résultats des mesures obtenues. Pour contourner ce problème, les résultats de mesures sont comparés séparément à des seuils relatifs à chaque technologie. Ainsi, des critères séparés sont définis pour chaque système et des paramètres supplémentaires (les offsets) ajustables par l’opérateur sont définis pour prendre un contrôle de sélection entre les cellules des 2 systèmes.

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CONCLUSION Le phénomène de changement de cellule est donc différent selon l’activité du mobile. S’il est en veille, on parle de sélection ou de resélection, alors que s’il est en communication on parle de handover. Ces 2 phénomènes se produisent après des mesures et je me suis aperçu que des critères sont paramétrables par l’opérateur afin de gérer la fréquence de ces phénomènes et éviter un trop grand nombre de changements. Cette étude m’a permis d’apprendre beaucoup sur la téléphonie mobile. En effet on est loin de se douter que notre téléphone est constamment en train de mesurer des niveaux afin de savoir s’il doit changer de cellule ou non. De plus, j’ai apprécié de travailler en collaboration avec une très importante entreprise comme France Télécom R&D, ce qui restera comme une expérience très enrichissante pour moi car j’ai pu m’apercevoir des différentes phases d’une étude : bien cerner le sujet, bien se documenter, donner un compte-rendu de son avancement régulièrement. Je tiens donc à remercier Mme Véronique BAEY, ma suiveuse de France Télécom pour le temps qu’elle m’a consacré et l’aide précieuse qu’elle m’a apporté en étant toujours disponible pour mes questions et en m’éclairant sur ma recherche de documents.

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