Évaluation de performance de la méthode d'accès radio 1xEV-DO

MEHDI MEKNI

EVALUATION DE PERFORMANCE DE LA

METHODE D’ACCES RADIO 1xEV-DO

Memoire presentea la Faculte des etudes superieures de l’Universite Lavaldans le cadre du programme de maıtrise en informatiquepour l’obtention du grade de maıtre es sciences (M.Sc.)

FACULTE DES SCIENCES ET DE GENIEUNIVERSITE LAVAL

QUEBEC

2006

c©Mehdi MEKNI, 2006

Resume

La technologie d’acces radio 1xEV-DO, egalement connue sous le nom d’IS-856, fait

partie des alternatives potentielles d’evolution pour les systemes CDMA2000 (1x). Elle

est concue pour ameliorer le support des services de donnees, et plus precisement, pour

augmenter la capacite du debit binaire exige par les applications evoluees, comme l’ac-

ces Internet a haut debit, le traitement d’images, la video-conference, la telecopie, la

messagerie multimedia et le courrier electronique. Cette methode d’acces repose sur des

techniques evoluees, comme le codage et la modulation adaptatifs (AMC : Adaptive Mo-

dulation and Coding), les algorithmes d’ordonnancement (Scheduling Algorithm) et de

demande de retransmission automatique hybride (H-ARQ : Hybrid Automatic Repeat

reQuest). Ces techniques permettent de satisfaire les contraintes de qualite de service

qui caracterisent les futures applications a offrir aux usagers mobiles. Nos travaux de

recherche presentent une etude approfondie sur la procedure a suivre pour evaluer la

performance de la methode d’acces radio 1xEV-DO. Ils proposent, a partir d’une serie

de simulations et d’experimentations, une methodologie d’evaluation de performance

en vue de mieux presenter et d’analyser le debit binaire offert. Les resultats obtenus

illustrent la capacite de la technologie 1xEV-DO a offrir un debit binaire en fonction

de celui requis par utilisateur, par service et par secteur. Ces resultats permettent ega-

lement d’explorer les diverses strategies a adopter en vue d’ameliorer les performances

d’une telle technologie.

Abstract

Wireless operators are looking for the right choice to upgrade their 2.5G networks to

3G, 3.5 and 4G, dealing with upcoming data and non-voice related services (circuit and

packet switched) more efficiently. Today, the mobile user may set up a voice call anytime

and anywhere. Tomorrow, he will expect the same flexibility for access to Internet

and high throughput multimedia services. Mobile applications will have to evolve to

today’s realities of wired data communication (e.g high speed wired Internet access).

This research discusses the promising 3G and 4G candidates technologies from a variety

of perspectives, such as air interface performance. These investigations are conducted

according to a complete performance evaluation methodology elaborated to give an

argumented answer to the best migration strategy providing immediate and long-term

profit opportunities to operators. Based on the IMT-2000 requirements for 3G systems,

the 1xEV-DO technology which belongs to cdma2000 standards, and which is emerging

from cdmaOne and IS-95 evolution path, is adopted to achieve experimentation and

simulation processes. The aim of our works is to enhance the air interface access planning

methodology to be included in the global mobile system planning process.

Avant-propos

Ma maıtrise est le resultat de mon premier travail de recherche et n’aurait pu aboutir

sans le soutien d’un certain nombre de personnes. Je souhaite donc commencer par les

remercier chaleureusement.

En premier lieu, je remercie mon directeur de recherche, Ronald Beaubrun, pour

son temps et sa patience. Nos discussions et nos partages d’idees me permettent d’en-

visager sereinement mon avenir dans le monde de la recherche.

Hormis mon directeur de recherche, je tiens egalement a remercier Bernard Moulin

et Sebastien Roy, qui ont accepte d’evaluer ce memoire. Ils sont tous deux professeurs

au Departement d’Informatique et de Genie Logiciel de l’Universite Laval, Quebec.

Durant mon programme d’etude de maıtrise, j’ai eu le plaisir de rencontrer des

personnes merveilleuses qui se reconnaıtront ; au sein du Departement d’informatique,

je pense plus particulierement a ceux qui ont partage mon quotidien.

Il me reste a dedier ce memoire a ma famille, mes amis et tous ceux qui pensent a

moi, qui ont toujours ete presents dans mon coeur, malgre la distance. Je les remercie

de m’avoir toujours accorde leur confiance et de continuer a croire en moi.

A mes parents,

A mes soeurs,

A toute ma famille.

“L’attitude plus que l’aptitude permetde prendre de l’altitude.”

Table des matieres

Resume ii

Abstract iii

Avant-propos iv

Table des matieres vi

Liste des tableaux ix

Table des figures xi

Liste des abreviations xiii

1 Introduction 1

1.1 Concepts de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Problematique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Plan du memoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Caracterisation des reseaux mobiles 6

2.1 Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 La premiere generation (1G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.2 La deuxieme generation (2G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.3 La generation (2.5G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.4 La troisieme generation (3G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Architecture systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 Sous-systeme reseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.2 Sous-systeme radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Caracteristiques du lien radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4 Techniques de traitement du signal radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4.1 Techniques de multiplexage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4.2 Modulation du signal radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4.3 Codage et correction d’erreur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Table des matieres vii

2.4.4 Codage et modulation adaptatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4.5 Demande de retransmission automatique hybride (H-ARQ) . . . . 22

2.4.6 Entrelacement (Interleaving) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4.7 Algorithmes d’ordonnancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.5 Services et qualite de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5.1 Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5.2 Qualite de service (QoS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.5.3 Gestion de la qualite de service (QoS) . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3 Etude des technologies d’acces radio 32

3.1 Methodes d’acces classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1.1 Acces Multiple a Repartition en Frequence . . . . . . . . . . . . . 33

3.1.2 Acces Multiple a Repartition dans le Temps . . . . . . . . . . . . 34

3.1.3 Acces Multiple a Repartition de Code . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2 Techniques d’etalement de spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.1 Etalement de spectre avec sequence directe . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.2 Etalement de spectre avec sauts de frequences . . . . . . . . . . . 37

3.2.3 Etalement de spectre avec sauts de temps . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.4 Facteur d’etalement et configuration radio . . . . . . . . . . . . . 40

3.3 Evolution des systemes CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.1 La technologie IS-95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3.2 Caracteristiques du lien montant (IS-95A) . . . . . . . . . . . . . 44

3.3.3 Caracteristique du lien descendant (IS-95A) . . . . . . . . . . . . 46

3.3.4 La technologie IS-95B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3.5 La technologie 1xMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.3.6 La technologie 1xEV-DV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4 La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 54

4.1 Interface radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.1.1 Structure des canaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.1.2 Modulation et codage adaptifs (AMC) . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.1.3 Algorithmes d’ordonnancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1.4 Demande de retransmission automatique Hybride (H-ARQ) . . . 60

4.2 Methodologie suivie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.3 Definition des parametres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3.1 Configuration de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3.2 Definition des Modeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.3.3 Definition des scenarios de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.4 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.5 Resultats obtenus et analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Table des matieres viii

5 Conclusion 84

5.1 Synthese des resultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.2 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Bibliographie 88

Index 91

Liste des tableaux

1.1 Evolution des systemes CDMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 Exemples de systemes cellulaires 1G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Classes de services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1 Configuration radio et facteur d’etalement du lien descendant. . . . . . . 41

3.2 Configuration radio et facteur d’etalement du lien montant. . . . . . . . . 41

3.3 Caracteristiques techniques du systeme CDMA IS-95. . . . . . . . . . . . 42

3.4 Caracteristiques du canal de trafic du lien montant RS1 (IS-95A). . . . . 45

3.5 Caracteristiques du canal de trafic du lien descendant RS1 (IS-95A). . . . 47

3.6 Caracteristiques du canal de trafic du lien descendant RS2 (IS-95B). . . . 48

3.7 Caracteristiques du canal de trafic du lien montant RS2 (IS-95B). . . . . 49

4.1 Caracteristiques du lien descendant de la technologie 1xEV-DO. . . . . . 59

4.2 Caracteristiques du lien montant de la technologie 1xEV-DO. . . . . . . 59

4.3 Le debit en pic de la technologie 1xEV-DO . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.4 Efficacite spectrale de la technologie (1xEV-DO). . . . . . . . . . . . . . 61

4.5 Donnees de configuration d’un site. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.6 Donnees de configuration d’une antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.7 Donnees de configuration d’un transmetteur. . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.8 Donnees de configuration d’un secteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.9 Definition des parametres de mobilite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.10 Definition du modele des terminaux mobiles. . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.11 Definition du modele de services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.12 Definition du modele usager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.13 Definition du modele de trafic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.14 Parametres geographiques de simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.15 Profil utilisateur affaire (Business User). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.16 Profil utilisateur standard (Standard User). . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.17 Parametres de l’environnement de simulation. . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.18 Parametres des services offerts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.19 Exemple de definition d’un site. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.20 Exemple de definition d’un transmetteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Liste des tableaux x

4.21 Exemple de definition d’un secteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Table des figures

1.1 Evolution du nombre d’abonnes dans le monde. . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Evolution des systemes mobiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Architecture des reseaux mobiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Techniques de modulation adoptees par les futures methodes d’acces. . . 18

2.4 Schema de l’encodeur pour le codage turbo (Turbo Code). . . . . . . . . 20

2.5 Schema du decodeur pour le codage turbo (Turbo Code). . . . . . . . . . 21

2.6 Structure du systeme de Codage et de Modulation Adaptatifs (AMC). . . 22

3.1 Acces multiple a repartition en frequence (AMRF). . . . . . . . . . . . . 34

3.2 Acces multiple a repartition dans le temps (AMRT). . . . . . . . . . . . . 35

3.3 Etalement de spectre a sequence directe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.4 Etalement de spectre avec sauts de frequences. . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.5 Etalement de spectre avec sauts de temps. . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.6 Evolution des systemes CDMA du standard cdmaOne a cdma2000. . . . 42

3.7 Spectre radio 800-1900 Mhz pour les systemes CDMA (IS-95). . . . . . . 43

3.8 Les canaux de contole (IS-95). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.9 Les canaux de trafic (IS-95). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.10 Structure du canal SCAM de la technologie IS-95B . . . . . . . . . . . . 48

3.11 Le code canal (IS-95). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.12 Planification du projet de specification de la technologie 1xEV-DV. . . . 52

3.13 Structure du lien montant (1xEV-DV). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.14 Structure du lien descendant (1xEV-DV). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.1 Structure des canaux (1xEV-DO). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.2 Structure des canaux du lien descendant de la technologie 1xEV-DO. . . 57

4.3 Structure des canaux du lien montant de la technologie 1xEV-DO. . . . . 57

4.4 Performance des algorithmes d’ordonnancement de la technologie 1xEV-

DO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.5 La correction d’erreur H-ARQ au niveau du lien descendant de 1xEV-DO. 62

4.6 Carte DTM de la ville de Nice (France). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.7 Zone de calcul de la ville de Nice (France). . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.8 Implementation des donnees radio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Table des figures xii

4.9 Exemple de patron de propagation horizontal d’une antenne. . . . . . . . 72

4.10 Exemple de patron de propagation vertical d’une antenne. . . . . . . . . 73

4.11 Le modele Atoll de projet 1xEV-DO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.12 Debit en fonction de l’indice Ec/Io. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.13 Debit en fonction de l’indice C/I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.14 Debit offert en fonction du debit requis sur le lien descendant par utilisateur. 77

4.15 Debit offert en fonction du debit requis sur le lien montant par utilisateur. 78

4.16 Debit des liens montant et descendant par secteur. . . . . . . . . . . . . . 78

4.17 Debit en fonction de l’indice C/I pour le service d’acces mobile a Internet. 79

4.18 Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service d’acces mobile a Internet. 80

4.19 Debit en fonction de l’indice C/I pour le service de messagerie multimedia. 80

4.20 Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service de messagerie multi-

media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.21 Debit en fonction de l’indice C/I pour le service de visiophonie. . . . . . 81

4.22 Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service de visiophonie. . . . . 82

4.23 Debit moyen par service. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Liste des abreviations

AMRC : Acces Multiple a Repartition en Code

AMRF : Acces Multiple a Repartition en Frequence

AMRT : Acces Multiple a Repartition dans le Temps

AMPS : Advanced Mobile Phone Service

API : Application Programming Interface

BER : Bit Error Rate

BPS : Bit Per Second

BPSK : Binary Phase Shift Keying

BSC : Base Station Controller

BSS : Base Station Subsystem

BTS : Base Transceiver Station

CDMA : Code Division Multiple Access

CRC : Cyclic Redundancy check

CCCH : Common Control Channel

CCR : Commitment Concurrency and Recovery

CDG : CDMA Development Group

CDPD : Cellular Digital Packet Data

D-AMPS : Digital AMPS

DB : Decibels

DBM : Decibels with respect to 1 milliwatt

DCS1800 : DCS 1800 MHz

DCCH : Dedicated Control Channel

DQPSK : Differential Quadrature Phase Shift Keying

DS : Direct Seauence

DSSS : Direct Sequence Sprad Spectrum

EDGE : Enhanced Data for GSM Evolution

ETSI : European Telecommunications Standards Institute

FDD : Frequency Division Duplex

FDMA : Frequency Division Multiple Access

FCH : Fundamental Channel

FEC : Forward Error Correction

FER : Frame Error Rate

Liste des abreviations xiv

GGSN : Gateway GPRS Support Node

GIOP : Gateway Inter-Orb Protocol

GPRS : General Packet Radio Service

GSM : Global System for Mobile communications

HLR : Home Location Registry

IMT 2000 : International Mobile Telecommunication system 2000

ISO : International Organisation for Standardization

ITU : Internation Telecommunication Union

LAN : Local Area Network

MAN : Metropolitan Area Network

MIN : Mobile Identification Number

MN : Mobile Node

MSC : Mobile Server Switching Center

MTSO : Mobile Telephone System Center

NAMPS : Narrow band AMPS

NMT : Nordic Mobile Telephone

PACS : Personal Access Communications Systems

PC : Personal Computer

PCS : Personal Communication System

PDA : Personal Digital Assistant

PDC : Personal Digital Cellular

PDN : Public Data Network

Qos : Quality of Service

RF : Radio Frequency

RNC : Radio Network Controller

RTPC : Reseau Telephonique Public Commute

SGSN : Serving GPRS Support Node

SIG : System d’Information Geographique

SIM : Subscriber Identity Module

TACS : Total Access Communication Services

TCP : Transport Control Protocol

TD-CDMA : Time Division CDMA

TDMA : Time Division Multiple Access

TIA : Telecommunication Industry Association

TIC : Technologies de l’Information et de la communication

UHF : Ultra High Frequency

UIM : User Identity Module

UIT : Union Internationale des Telecommunications

UMTS : Universal Mobile Telecommunication System

UPT : Universal Personal Telecommunications

Liste des abreviations xv

URL : Universal Ressource Location

UTRAN : UMTS Terrestrial Radio Access Network

VHE : Virtual Home Environement

VIP : Virtual Internet Protocol

VLR : Visitor Location Register

WAN : Wide Area Network

WAP : Wireless Application Protocol

W-CDMA : Wideband CDMA

WLAN : Wireless LAN

3G : Third Generation

3GPP2 : 3rd Generation Partnership Project 2

ACK : Acknowledgment

AWGN : Additive White Gaussian Noise

ARQ : Automatic Request Control

CDM : Code Division Multiplex

CDMA2000 : 3G evolution of IS-95 standard

C/I : Carrier Signal to Interference

DRC : Data Rate Control

DTX : Discontinued

HDR : High Data Rate

IIR : Infinite Impulse Response

IR : Incremental Redundancy

IS-856 : 3GPP2 CDMA Interim Standard

PPP : Point to Point Protocol

RLP : Radio Link protocol

RRI : reverse Rate Indicator

TDM : Time Division Multiplex

Chapitre 1

Introduction

Au cours des dernieres annees, l’essor des communications cellulaires mobiles a ete

spectaculaire. Le nombre d’abonnes est passe de 11 millions en 1990 a plus de 2 mil-

liards en 20051. Cette forte croissance est due aux services attractifs proposes tels que

la video-conference, le telechargement et l’animation de donnees multimedia ou encore

les jeux electroniques interactifs. Les systemes de communications qui garantissent les

services de voix et de donnees aux usagers mobiles sont appeles reseaux mobiles. Le

moyen qui permet aux terminaux mobiles de se connecter a de pareils systemes consti-

tue le reseau d’acces. Cette panoplie de services se caracterise par la diversite de son

contenu ainsi que celle de ses exigences techniques. En effet, de tels services, gourmands

en largeur de bande radio, necessitent la mise en place d’un reseau d’acces performant.

La technologie d’acces radio 1xEV-DO (EVolution Data Only), egalement connue sous

le nom d’IS-856, est concue pour augmenter la capacite du debit binaire exige par les

applications evoluees. C’est dans ce cadre que s’inscrit l’objet de ce memoire : Eva-

luation de performance de la methode d’acces radio 1xEV-DO. Dans ce chapitre, nous

presentons d’abord les concepts de base des reseaux mobiles ; ensuite, nous soulevons

la problematique de la planification des reseaux d’acces. Enfin, nous definissons les ob-

jectifs vises par notre travail ainsi que la methodologie appliquee pour les atteindre.

1Source : ITU (International Telecommunication Union) - Rapport des statistiques publie le 15mars 2005.

Chapitre 1. Introduction 2

0

500

1000

1500

2000

2500

300019

8019

8419

8819

9219

9620

0020

04

Mobile

Fixe

Fig. 1.1 – Evolution du nombre d’abonnes dans le monde.

1.1 Concepts de base

Un reseau mobile est un reseau qui permet aux abonnes de communiquer pendant leurs

deplacements. Les futurs reseaux mobiles visent a regrouper les systemes actuels (tele-

phone fixe et sans fil, tele-avertisseur, cellulaire, communications via satellites) en une

infrastructure unique, capable d’offrir un large eventail de services (acces Internet a

haut debit, traitement d’images, video-conference, telecopie, courrier electronique), a la

fois aux abonnes mobiles (pietons, en vehicule) et aux abonnes fixes. De tels reseaux

concretiseront ainsi le principe d’offrir un service accessible en tout temps, en tout lieu,

pour tout le monde (Anytime, anywhere, anyone) [35]. Cette communication est de-

sormais possible grace a la technique d’acces qui permet a ces usagers mobiles de se

connecter au systeme. Cet acces radio est base sur un spectre radio divise en canaux

discrets [32]. L’evaluation de performance d’une methode d’acces radio permet alors

d’analyser la capacite de cette technologie a garantir le support de ces services et appli-

cations evolues. Comme la technologie 1xEV-DO se positionne comme une perspective

potentielle en vue d’equiper les futurs reseaux mobiles, l’etude de sa performance, et

plus precisement de sa capacite en terme de debit binaire offert, s’impose.

1.2 Problematique

Les operateurs ainsi que les fournisseurs de services sont actuellement confrontes a

une problematique quant aux orientations technologiques a suivre pour ameliorer les


performances de leurs systemes. Cette problematique pourrait etre formulee a travers

l’interrogation suivante : Comment doit-on planifier les methodes d’acces des futurs

reseaux mobiles pour garantir le support des applications avancees ? Les technologies

d’acces reposent sur divers elements techniques tels que la modulation, le codage, la

correction d’erreur et l’ordonnancement [21] [31] [10]. La multitude des choix de chacun

de ces elements ainsi que la complexite due a la combinaison de l’ensemble de ces

parametres constituent une problematique. Quelle methodologie doit-on suivre en vue de

supporter les services qui marquent deja les generations futures des systemes mobiles ?

Cette maximisation de performance, combinee a la minimisation du cout d’exploitation,

conduit a des objectifs conflictuels qui requierent un certain compromis entre la qualite

de service a offrir et le cout de deploiement [32]. Dans ce contexte, plusieurs technologies,

basees sur l’acces multiple a repartition de codes (CDMA : Code Division Multiple

Access), ont vu le jour, mais ne permettent pas encore d’atteindre le debit requis par

le trafic multimedia [11] [33] [34].

Plus recemment, les recherches se sont dirigees vers de nouvelles technologies d’ac-

ces [26]. Ces technologies visent a satisfaire les besoins des futurs services multimedias

et a garantir une parfaite compatibilite avec les technologies en cours d’utilisation. Les

familles de standards cdmaOne (IS-95A et IS-95B) et cdma2000 (1xMC, 1xEV-DO et

1xEV-DV (Enhanced Version Data and Voice)), s’inscrivent dans ce cas de figure. Mais,

il n’a pas encore ete demontre que ces technologies, telles que presentees au tableau 1.1,

permettent d’atteindre le debit escompte, en respectant les contraintes de qualite de

service et de cout. D’ou l’interet d’evaluer les performances de telles technologies et

particulierement de la technologie 1xEV-DO. Cette future methode d’acces radio porte

les espoirs des operateurs et des fournisseurs de services pour garantir le support des

applications evoluees.

Systeme CDMA Canal Capacite Maximale Capacite Reelle

cdmaOne IS-95B 1.25 Mhz 115.2 kbps 20 kbps

cdma2000 1xMC 1.25 Mhz 384 kbps 64 kbps

cdma2000 1xEV-DO 1.25 Mhz 2.4 Mbps 384 kbps

cdma2000 1xEV-DV 1.25 Mhz 3.2 Mbps Inconnue

cdma2000 3xMC 3.75 Mhz 4 Mbps Inconnue

Tab. 1.1 – Evolution des systemes CDMA.


1.3 Objectifs

L’objectif de notre recherche est de proposer, a partir d’une serie de simulations

et d’experimentations, une methodologie d’evaluation de performance de la methode

d’acces radio 1xEV-DO. Cette methodologie est basee sur des techniques de modulation,

de codage et de correction d’erreur, en vue d’analyser et d’ameliorer des parametres de

performance tels que le debit binaire. L’idee est alors d’etudier la relation entre le debit

binaire offert et la fiabilite du lien radio a travers les indices d’interference C/I et de

qualite de signal Ec/Io [43]. Plus specifiquement, nous visons les objectifs suivants :

– Explorer les reseaux mobiles a travers leur evolution et leur architecture de base ;

– Caracteriser les parametres fondamentaux des technologies d’acces, comme le

schema de codage et de modulation (AMC ), les algorithmes d’ordonnancement

(Scheduling), le mecanisme de controle d’erreur (H-ARQ) ;

– Etudier d’abord les methodes d’acces radio en s’attardant sur celles qui se basent

sur les techniques d’etalement de spectre, ensuite l’evolution des standards cd-

maOne et cdma2000 qui constituent la base de la technologie 1xEV-DO ;

– Deduire les modeles d’evaluation des performances (modele de mobilite, modele de

trafic, modele de service) qui s’appliquent aux techniques d’etalement de spectre ;

– Implementer les modeles et experimenter la methodologie sur la base d’un en-

semble de scenarios pour valider la fiabilite de l’approche proposee.

Les resultats vises permettront de justifier le choix de la technologie d’acces a adopter

par un operateur telephonique ou un fournisseur de services, lors de la planification du

reseau d’acces. Un tel choix garantit le support des services exigeants, en termes de

largeur de bande et de qualite de service. Ainsi, l’exploitation de tels resultats constitue

un apport significatif dans le domaine des reseaux mobiles. Il en resulte que l’amelio-

ration des performances des technologies d’acces permettra certainement de propulser

ce domaine dans une dimension innovatrice qui ne se soucie plus des limites techniques

qu’il connaıt actuellement.

1.4 Plan du memoire

La suite du memoire est organisee de la maniere suivante. Le chapitre 2 est consacre

a l’etat de l’art du domaine. Nous nous interesserons aux fondements de l’architecture

d’un systeme de communications mobiles, et plus particulierement, aux caracteristiques

du sous systeme radio et des methodes d’acces radio. Des techniques qui caracterisent le

domaine des reseaux mobiles, tels que le codage et la modulation, la correction d’erreur

et l’ordonnancement, seront alors introduites pour permettre une meilleure comprehen-


sion du reste du memoire.

Le chapitre 3 sera une etude complete des diverses methodes d’acces radio ainsi

qu’une analyse des techniques d’etalement de spectre a travers l’evolution des stan-

dards cdmaOne et cdma2000. Cette etude permettra de s’arreter sur les caracteristiques

fondamentales et communes de ces normes.

Le chapitre 4 traitera de l’evaluation de performance de la methode d’acces ra-

dio 1xEV-DO. Dans ce chapitre, nous definirons d’abord notre approche d’evaluation

et les composantes qui la constituent. Ensuite, nous developperons l’implementation

de cette methodologie a travers l’utilisation de l’outil de planification et de simulation

radio AtollTM

. Finalement, l’ensemble des resultats obtenus sera analyse et interprete.

Le present memoire se terminera par le chapitre 5 qui synthetisera les resultats

obtenus et presentera les limitations de notre recherche. Cette conclusion s’achevera par

des perspectives ou nous discuterons des parametres a considerer pour l’amelioration

des performances de la technologie d’acces 1xEV-DO.

Chapitre 2

Caracterisation des reseaux mobiles

L’architecture d’un systeme mobile repose sur une infrastructure materielle et lo-

gicielle dont les composantes assurent les fonctionnalites de base, comme le controle

d’acces, la gestion et l’optimisation des ressources du reseau. L’objectif de ce chapitre

est de presenter les entites de base de cette architecture, en insistant particulierement

sur leur aspect fonctionnel. Le chapitre est organise de la maniere suivante. D’abord,

nous retracerons l’evolution des reseaux mobiles. Ensuite, nous presenterons les sous-

systemes radio et reseau de l’architecture typique des reseaux mobiles de la prochaine

generation. Nous terminerons par une etude detaillee des caracteristiques radio, ainsi

que les services a offrir aux usagers.

2.1 Evolution

Les systemes mobiles comptent deja un certain nombre d’evolutions qui ont ete mar-

quees par la progression des techniques d’acces adoptees tel que illustre a la figure 2.1.

Dans cette section, nous presentons succinctement les differentes generations de reseaux

mobiles ainsi que les methodes d’acces adoptees.

2.1.1 La premiere generation (1G)

Apparue au debut des annees 1970, la premiere generation operait dans la bande de

frequence 890− 915 MHz et 935− 960 MHz. Cette generation comprenait des systemes

et des plates-formes de communications analogiques essentiellement dedies a la trans-

Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 7

mission de la voix [32]. Le qualificatif analogique caracterise la methode utilisee pour

vehiculer l’information sur ces systemes. Les concepts cles de cette generation sont la

reutilisation de frequence, a travers l’utilisation de la technique d’acces reseau AMRF

(Acces Multiple a Repartition en Frequence) [17] [36]. Dans le cas de cette technique

d’acces, les terminaux mobiles partagent la bande de frequences disponible en allouant

une partie de cette bande, appelee canal de trafic, a chaque unite mobile. Des limites de

capacite et de fiabilite ont caracterise cette premiere generation. Certains systemes qui

ont marque la premiere generation sont presentes au niveau du tableau 2.1 a travers la

specification des bandes de frequences allouees sur les liens montant et descendant ainsi

que la largeur du canal de transmission et la zone geographique de deploiement.

IS-95A IS-95B

HDR

1XEV-DV

3XMC

1XMC

cdma2000

AMPS / D-AMPS D-AMPS+

GSM

PDC

HSCSDGPRS EDGE

W-CDMA

2000

JP

EU

USA

2001 2002 2003

2G

3G

Évolution totalement compatibleÉvolution partiellement compatibleRefonte complète du système

Fig. 2.1 – Evolution des systemes mobiles.

2.1.2 La deuxieme generation (2G)

Apparue au debut des annees 90, elle caracterise, de facon generale, les systemes

mobiles numeriques [32] [13]. L’usage de la technologie numerique a en effet, permis

de resoudre les problemes de capacite et de securite inherents aux systemes 1G. Les

performances affichees permettent de supporter certains services mais demeurent insuf-

fisantes quant aux applications avancees. Nous ne retiendrons ici que les trois instances

qui connaissent le plus de succes :

– IS-136 et le GSM : fondes sur la technique d’acces AMRT (Acces Multiple a repar-

tition dans le Temps) qui consiste a diviser la bande de frequence disponible en

canaux. Ces canaux sont repartis en un certain nombre de tranches de temps [25].


Systeme Bande Dsc Bande Mnt Canal Region

AMPS 824-849 869-894 30 US

TACS 890-915 935-960 25 EU

E-TACS 872-905 917-950 25 UK

NMT-450 453-457.5 463-467.5 25 EU

NMT-900 890-915 935-960 12.5 EU

C-450 450-455.74 460-465.74 10 Allemagne, Portugal

RMTS 450-455 460-465 25 Italie

Radiocom2000

192.5-199.5

215.5-233.5

165.2-168.4

414.8-418

200.5-2007.5

207.5-215.7

169.8-173

424.8-428

12.5 France

NTT

925-940

915-918.5

922-925

870-885

860-863.5

867-870

25/6.25

6.25

6.25

Japan

JTACS/NTACS

915-925

898-901

918.5-922

860-870

843-846

863.5-867

25/12.5

25/12.5

12.5

Japan

Tab. 2.1 – Exemples de systemes cellulaires 1G.

On attribue ainsi a chaque utilisateur une tranche de temps qui permet l’acces au

canal pour la duree de cette tranche de temps.

– IS-95 CDMA : basee sur la technique d’acces CDMA [34] [13] ou encore AMRC

(Acces Multiple a repartition de Code) qui consiste a attribuer a chaque terminal

mobile un identifiant unique qui lui permet d’acceder au systeme.

2.1.3 La generation (2.5G)

La rencontre des deux domaines, Internet et les systemes de communication, a permis

d’etendre leurs perspectives conjointement. D’une part, les terminaux mobiles peuvent

se doter de la capacite de se connecter a la toile sans restriction de debit, de temps

ou de lieu. D’autre part, Internet et ses services derives peuvent etre exploites par des

usagers mobiles. Cette generation n’est donc que le fruit de l’evolution de la deuxieme

generation et le GPRS (General Packet Radio Service) constitue un exemple typique

de l’evolution du GSM en adoptant des methodes de modulation de haut niveau et des

techniques de codage efficaces dans le cadre de la methode d’acces AMRT pour offrir

des debits nettement plus interessants [39].


2.1.4 La troisieme generation (3G)

Cette generation a ete concue dans l’objectif de mettre les systemes mobiles de

deuxieme generation en phase avec le marche en vue de faire face a l’emergence de

l’internet a haute vitesse et du multimedia, en passant par l’amelioration des methodes

d’acces radio [32] [43]. Les reseaux appartenant a cette generation sont supposes etre

capables d’offrir un large eventail de services (donnees haute vitesse et multimedia) et

opereront dans la bande de frequence de 2 GHz. L’organisme de standardisation IMT-

2000 est destine a former la base des systemes mobiles de 3G qui consolidera les envi-

ronnements mobiles incompatibles d’aujourd’hui en une infrastructure reseau et radio

continue [2]. La version europeenne de l’IMT-2000 s’appelle UMTS (Universal Mobile

Telecommunication System). Aux Etats-Unis, le standard est plutot connu sous l’appel-

lation de CDMA-2000. Les systemes 3G sont caracterises par les proprietes suivantes :

– Une grande souplesse pour integrer les services et les applications evoluees ;

– Une performance de debit offert atteignant 144 kbps et meme 384 kbps.

L’evolution des systemes mobiles a introduit de multiples modifications a l’architecture

de base. La section suivante presente l’architecture typique des reseaux mobiles 3G a

travers une description des elements qui la constituent en insistant sur leurs fonctions.

2.2 Architecture systeme

Comme illustre a la figure 2.2, un reseau mobile est constitue de deux sous-systemes :

le sous-systeme radio, dit l’interface radio, et le sous-systeme reseau, dit le noyau du

reseau.

2.2.1 Sous-systeme reseau

Le sous-systeme reseau est constitue de commutateurs ou MSC (Mobile Switching

Center) installes a l’interieur de quelques-unes des cellules, choisies de maniere stra-

tegique. Ces commutateurs interconnectent les differentes stations de base entre elles

et avec d’autres elements fixes du reseau : relies entre eux, ils constituent la partie

fixe de l’infrastructure reseau souvent appelee reseau central ou reseau coeur (core net-

work) [32]. Le sous-systeme reseau integre aussi deux bases de donnees de localisation :

– Une base de donnees nominale HLR (Home Location Register) qui sauvegarde les

informations relatives aux abonnes :


VLR3

MSC 1 MSC 2 MSC 3

BSC 1 BSC 2 BSC 3 BSC 4 BSC 5 BSC 6

BS

BS

SousSystème

Radio

SousSystèmeRéseau

Réseau fixe

ou RTCPHLR

VLR2

VLR1

Fig. 2.2 – Architecture des reseaux mobiles.

– Donnees statiques : l’ensemble des donnees identifiant l’abonne tels que son

nom, prenom, adresse ;

– Donnees dynamiques : l’ensemble des donnees variables tels que la position de

l’abonnee, la duree des appels.

– Une base de donnees des visiteurs VLR (Visitor Location Register) qui sert a

localiser les unites mobiles en transit dans la zone controlee par le MSC.

2.2.2 Sous-systeme radio

L’etude du systeme radio s’attache directement au sujet traite par le present me-

moire, puisque c’est au niveau de ce sous-systeme que la technologie d’acces est im-

plementee pour assurer le lien entre les abonnes mobiles et le systeme de communica-

tion [32]. Dans un reseau mobile, le territoire couvert, ou zone de couverture dans la

terminologie des systemes mobiles, est generalement decoupe en petites surfaces geo-

graphiquement limitees et communement appelees cellules. Elles sont representees par

des hexagones, On peut alors definir en general trois categories de cellules qui sont :

– Macros-cellules : disposent d’un large rayon de couverture qui peut atteindre les


30 000 m.

– Micros-cellules : ont un rayon de couverture compris entre 100 et 300 m.

– Picos-cellules : ont un rayon de couverture compris entre 10 et 100 m.

Au niveau du sous-systeme radio, on denombre des entites fondamentales qui sont :

– Une station de base (BTS : Base Transceiver Station) qui dessert une centaine

d’utilisateurs mobiles dans une region donnee, en allouant les ressources permet-

tant de lancer de nouveaux appels et de completer des appels en cours lors de

deplacements a l’interieur des cellules.

– Un controleur de station de base (BSC : Base Station Controller) qui fournit

un support de commutation a plusieurs stations de base voisines, desservant des

milliers d’utilisateurs (les BSC et les BTS sont d’habitude relies par cable ou par

fibre optique, mais ils peuvent aussi etre relies par des liaisons micro-ondes)[32].

Chaque cellule est associee a une station de base ou a un BTS qui integre une antenne

assurant la transmission radio et la signalisation a l’interieur de la cellule. En effet,

integres a la station de base, les canaux de signalisation permettent aux unites mobiles

de communiquer avec le BTS et vice versa. Les stations de base sont a leur tour reliees

a des controleurs de station de base ou des BSC qui gerent les ressources radio ou

les bandes passantes des stations de base associees. Au cours de leur deplacement, les

unites mobiles communiquent par l’intermediaire de l’interface radio avec la station de

base. Cette station de base (BTS ) joue alors le role d’emetteur recepteur de la cellule.

En effet, l’interface radio assure le partage des bandes de frequences entre les diverses

unites mobiles [32]. Si deux unites mobiles emettent au meme moment sur une meme

frequence, en l’absence d’une politique efficace de controle d’acces, une collision des

signaux se produira et la qualite de la transmission se deteriorera, ce qui empechera de

rencontrer les performances necessaires pour supporter les services a offrir.

2.3 Caracteristiques du lien radio

Les gammes de frequences des differents messages transmis sur un lien radio sont

tres diverses : voix humaine pour le telephone (300 Hz a 3000 Hz), musique pour la

haute fidelite (HiFi : Hight Fidelity)(16 Hz a 20 KHz), signal de television (30 Hz a 6

MHz). La transmission a travers le lien radio est sujette aux aleas du parcours. En plus,

un message ne peut etre directement envoye sur le canal de transmission car, d’une

part, les frequences des canaux et des messages ne coıncident pas forcement (il faut

adapter la frequence du signal au mode de transmission) et d’autre part, il s’agit sur-

tout de pouvoir transmettre plusieurs messages sur un meme reseau. D’ou la necessite

de moduler le message a l’aide d’une porteuse afin de l’adapter au canal. A la reception,

il faut effectuer l’operation inverse : la demodulation. Deux types principaux de mo-


dulation ont ete developpes pour la transmission analogique : modulation d’amplitude

(AM) et modulation de frequence (FM). Ils ont ete etendus a la transmission numerique.

Cette section insiste sur les phenomenes physiques qui affectent les caracteristiques de

l’onde radio lors de sa transmission. Elle permet ainsi d’introduire la presentation des

techniques de traitement du signal radio adoptees par les methodes d’acces des futurs

reseaux mobiles [32] [13].

Il est essentiel de comprendre les principes de la propagation des ondes pour pouvoir pre-

dire les chances et les conditions d’etablissement d’une liaison radio entre deux points :

emetteur et recepteur. Cela permet, par exemple, de definir des parametres tels que :

– Le calcul de la puissance minimale d’un emetteur de radiodiffusion afin d’assurer

une reception confortable sur une zone determinee ;

– la determination de la position d’une station de base pour la radio-telephonie

mobile ;

– l’estimation des chances d’etablissement d’une liaison radio sur ondes courtes ;

– l’etude des phenomenes d’interference entre emetteurs ;

– le calcul du champ electromagnetique a proximite d’un equipement d’emission (ra-

dar, relais, emetteur de television, autre terminal mobile, etc...) pour determiner

les risques encourus par la population se trouvant a proximite.

Selon la frequence, la puissance, la topologie du terrain dans lequel se propage l’onde

radio, la direction et la distance entre l’emetteur et la station receptrice, etc... le niveau

du signal recu a l’extremite du parcours sera plus ou moins eleve, donc plus ou moins

exploitable.

Plus on s’eloigne de l’antenne, plus l’intensite du champ electromagnetique rayonne est

faible. Cette variation est reguliere dans un espace homogene, dans le vide, par exemple.

A la surface de la terre, de nombreux phenomenes viennent contredire cette regle : il

est frequent que l’onde recue directement, interfere avec une reflexion de cette meme

onde sur le sol, sur un obstacle ou sur une couche de l’ionosphere. Dans la pratique, il

est frequent que deux ou plusieurs phenomenes s’appliquent simultanement au trajet

d’une onde : reflexion et diffusion, diffusion et refraction... Ces phenomenes appliques

aux ondes radioelectriques permettent souvent d’etablir des liaisons entre des points

qui ne sont pas en vue directe [32]. Afin de mieux comprendre les caracteristiques de la

propagation de l’onde radio, nous presentons les phenomenes qu’elle est susceptible de

rencontrer dans l’espace. Ces phenomenes sont : la reflexion, la refraction, la diffusion

et l’interference des ondes radio.

Le phenomene de reflexion peut se produire quand une onde se reflechit sur une surface

comme le sol, la surface de l’eau, un mur ou une voiture. On parle de reflexion speculaire

lorsque l’onde se reflechit comme un rayon lumineux le ferait sur un miroir. Une onde


dont la frequence est de l’ordre de quelques megahertz peut se reflechir sur une des

couches ionisees de la haute atmosphere. La reflexion d’une onde est plus generalement

diffuse, l’onde se reflechissant dans plusieurs directions ainsi qu’un rayon lumineux frap-

pant une surface mate. Une antenne ou un miroir paraboliques fonctionnent de facon

similaire [32].

Le phenomene de refraction peut etre presente par analogie au rayon lumineux qui

est devie lorsqu’il passe d’un milieu d’indice de refraction n1 a un autre d’indice n2.

Ainsi, une onde radio peut subir un changement de direction dependant a la fois de

sa frequence et de la variation de l’indice de refraction. Ce phenomene est particulie-

rement important dans le cas de la propagation ionospherique, la reflexion que subit

une onde decametrique dans l’ionosphere est en fait une suite continue de refractions. Il

est possible de reproduire avec une onde radio dont la longueur d’onde est de quelques

centimetres a quelques decimetres le phenomene observe avec une lentille ou un prisme

en optique classique [32].

Le phenomene de diffusion peut se produire quand une onde rencontre un obstacle

dont la surface n’est pas parfaitement plane et lisse. C’est le cas des couches ionisees,

de la surface du sol dans les regions vallonnees (pour les longueurs d’ondes les plus

grandes) ou de la surface des obstacles (falaises, forets, constructions...) pour les ondes

ultra-courtes (au-dessus de quelques centaines de megahertz). Comme en optique, la

diffusion depend du rapport entre la longueur d’onde et les dimensions des obstacles ou

des irregularites a la surface des obstacles reflechissants. Ces derniers peuvent etre aussi

varies que des rideaux de pluie (en hyperfrequences) ou les zones ionisees de la haute

atmosphere lors des aurores polaires [32].

La definition de l’interference des ondes radio passe par la distinction entre deux phe-

nomenes semblables qui sont : le brouillage occasionne par deux signaux independants,

mais possedant des frequences tres proches, et l’interference apparaissant lorsque l’onde

directe diffusee par un emetteur est recue en meme temps qu’une onde reflechie. Dans

ce dernier cas, les temps de parcours des deux ondes sont differents et les deux signaux

recus sont dephases. Plusieurs cas peuvent alors se presenter :

– dephasage egal a un multiple de la periode : les signaux sont en phase et se

renforcent mutuellement. Leurs amplitudes s’ajoutent ;

– dephasage d’un multiple d’une demi-periode : les signaux sont en opposition de

phase et l’amplitude du plus faible se deduit de celle du plus fort. Si les deux

signaux ont la meme amplitude, le niveau du signal resultant est nul ;

– dephasage quelconque : l’amplitude du signal resultant est intermediaire entre ces

deux valeurs extremes.

Les phenomenes d’interferences peuvent etre tres genants lorsque le temps de parcours


de l’onde indirecte varie : l’amplitude du signal recu varie alors a un rythme plus ou

moins rapide [32]. Le phenomene d’interference est utilise dans des applications couvrant

de nombreux domaines : mesure de vitesse, radiogoniometrie, etc...

2.4 Techniques de traitement du signal radio

L’expression codage canal et modulation est souvent utilisee pour designer un en-

semble de techniques de traitement du signal appliquees a un signal numerique dans le

but d’optimiser sa transmission au sein des systemes de communications numeriques.

Ces techniques comprennent, entre autres, les codes de correction d’erreurs, l’entrelace-

ment, la modulation codee et non codee, les techniques de demodulation et de decodage,

l’egalisation du canal de transmission, la diversite temporelle, frequentielle ou spatiale,

etc...

2.4.1 Techniques de multiplexage

L’interface radio est composee de deux canaux, l’un montant et l’autre descendant,

asymetriques et independants [40]. On appelle multiplexage, la capacite a transmettre

sur un seul support physique (la bande de frequence), des donnees provenant de plusieurs

intervenants (terminaux mobiles). On distingue trois techniques de multiplexage qui ont

marque le domaine des reseaux mobiles :

– Le multiplexage frequentiel, appele aussi MRF (Multiplexage par Repartition de

Frequence) ou en anglais FDM (Frequency Division Multiplexing) [40]. Il consiste

a partager la bande de frequence disponible en un certain nombre de canaux ou

sous-bandes plus etroits et a affecter en permanence chacun de ces canaux a un

utilisateur ou a un usage exclusif ;

– Le multiplexage TDM (Time Division Multiplexing) ou MRT (Multiplexage a

Repartition dans le Temps) consiste a affecter a un utilisateur unique la totalite

de la bande passante pendant un court instant et a tour de role pour chaque

utilisateur [37].

– Le multiplexage CDM (Code Division Multiplexing) appele aussi MRC (Multi-

plexage par Repartition en Code) dans lequel chaque signal est caracterise par

une sequence codee qui permet de le restituer a partir du signal composite [42].


2.4.2 Modulation du signal radio

La modulation peut etre definie comme un processus par lequel le message est trans-

forme de sa forme originale en une forme adaptee a la transmission. Ce processus peut

etre realise en utilisant une porteuse a haute frequence, dont les parametres varient en

fonction du message a transmettre [13]. Nous presentons d’abord la modulation analo-

gique. Ensuite, nous developpons la modulation numerique avec les techniques les plus

frequemment utilisees dans les technologies d’acces radio.

Au niveau de la modulation analogique, on distingue trois principales techniques de

modulation du signal radio : modulation d’amplitude, modulation de frequence et mo-

dulation de phase. A partir de ces modes, d’autres variantes ont egalement vu le jour

pour repondre a un besoin technique et une exigence d’adoption et d’utilisation propre

au domaine d’application. Les reseaux mobiles, et plus precisement la couche physique

qui s’interesse au traitement du signal en vue d’offrir des performances de transmission

elevees constitue un des champs ou l’application de ces techniques de modulation affecte

directement la capacite du systeme [13].

La modulation d’amplitude correspond a la valeur de l’amplitude de la porteuse qui

est modulee. On parle alors de modulation AM. Cette modulation correspond a une

operation de multiplication du signal d’origine par la porteuse. Pour demoduler ce

signal a la reception, il faut effectuer le produit du signal recu par une porteuse locale

et filtrer le signal avec un filtre passe bas. Les domaines d’utilisation de la modulation

AM sont frequents tels que la radio et la television hertzienne [14] [24].

La modulation de frequence se base sur la variation de la frequence de la porteuse en

fonction du signal a moduler. On parle alors de modulation FM. Les appareils necessaires

pour la modulation et la demodulation FM sont plus sophistiques, mais le rapport

signal/bruit demeure important. Les domaines d’utilisation de la modulation FM sont

nombreux tels que :

– Radio FM ;

– Television par satellite.

La modulation de phase est fondee sur la variation de la phase de la porteuse. On parle

alors de modulation PM, bien que cette appellation soit rarement utilisee. Cette tech-

nique de modulation est compliquee a mettre en oeuvre car le demodulateur necessite

l’utilisation d’un oscillateur de reference pour detecter les variations de phase. Son in-

teret est qu’elle peut etre utilisee en conjonction avec la modulation d’amplitude sans

que les deux signaux aient a subir de grandes interferences [32]. Les techniques qui ont

ete introduites jusque la ont constitue la base pour diverses techniques derivees de mo-

dulation qui sont plus efficaces et mieux appropriees aux besoins des methodes d’acces


radio. Les techniques qui vont suivre constituent la base des techniques de modulation

adoptees par de pareils methodes [13].

Au niveau de la modulation numerique, on distingue, parmi les techniques de mo-

dulation les plus repandues, la modulation PSK (Phase Shift Keying). Cette technique

de modulation numerique qui est a l’origine de nombreuses variantes consiste a faire

varier la phase de la porteuse en fonction du signal. Si on a une porteuse A. cos (ω0t),

le signal module est :

m(t) = A. cos (ω0t + φk) (2.1)

L’ensemble des phases φk possibles est donne par :

φk = φ0 + (2k + 1)π

Mavec 0 < k < M (2.2)

La valeur M = 2n est le nombre de symboles pouvant etre distingues. L’expression 2.1

peut encore s’ecrire :

m(t) = A. cos (ω0t). cos (φk) − A. sin (ω0t). sin (φk) (2.3)

C’est la somme de 2 porteuses en quadrature, modulees en amplitude.

La modulation BPSK (Binary Phase Shift Keying) est une modulation a 2 etats de

phase, correspondant a φ0 = 0 et M = 2 dans l’equation 2.2. Les deux etats de phase

sont 0 et π et le signal module est :

m(t) = k. cos (ω0t) avec k ± 1 (2.4)

Il s’agit d’une modulation binaire puisqu’on n’a que 2 symboles : +1 et −1.

La modulation par sauts de phase, en quadrature QPSK (Quadrature Phase Shift

Keying) est une forme de modulation dans laquelle une porteuse est transmise selon

quatre phases, de 45, 135, 225, et 315 . La modification de la phase, d’un symbole au

suivant, encode deux bits par symbole. En QPSK, les quatre angles sont habituelle-

ment en decalage de phase de 90 . C’est l’avantage qu’apporte le QPSK par rapport

au PSK normal, a travers l’encodage deux valeurs pour doubler effectivement la bande

passante. La modulation QPSK est ainsi une modulation a 4 etats de phase, corres-

pondant a φ0 = 0 et M = 4 dans l’equation 2.2. Les 4 etats de phase sont donnes par :

φk = (2K + 1)π

4avec 0 ≤ k < 4 (2.5)

On peut donc coder des symboles de 2 bits. La phase du signal module change de 0,±π2

ou π en passant d’un symbole a l’autre. La modulation QPSK s’obtient par une double

modulation de 2 porteuses en quadrature par un groupe de 2 bits. Elle permet donc


de transmettre, dans une bande passante donnee, 2 fois plus d’information que ce que

permet la technique de modulation BPSK [13].

La modulation de type 8PSK (Phase Shift Keying), est une modulation par sauts de

phase a 8 etats. A chaque changement d’etat, la phase varie de n fois 45 en plus ou

en moins, chacune de ces variations permet d’identifier la transmission d’un nouveau

triplet de bits. Le debit est ainsi multiplie par trois par rapport a la modulation GMSK

(Gaussian Multiple Shift Keying) a seulement deux etats [21] [14].

La modulation d’amplitude en quadrature, soit QAM (Quadrature Amplitude Modula-

tion) est une forme de modulation d’une porteuse par modification de l’amplitude de

la porteuse elle-meme et d’une onde en quadrature (une onde en decalage de phase de

90 avec la porteuse) selon l’information transportee par deux signaux d’entree. Autre-

ment dit, cela peut etre considere (utilisant une notation en nombre complexe) comme

une simple modulation d’amplitude d’une onde, exprimee en complexe. Ce que cela

signifie est que l’amplitude et la phase de la porteuse sont simultanement modifiees en

fonction de l’information a transmettre. La modulation de phase peut egalement etre

consideree comme un cas particulier de la modulation d’amplitude en quadrature, ou

seule la phase varie. Cette remarque peut egalement etre etendu a la modulation de

frequence car cette derniere peut etre vue comme un cas particulier de la modulation

de phase. QAM est utilisee dans les systemes de television PAL et NTSC, ou les signaux

en phase et a 90 transportent les composantes des informations de couleur (chroma).

Cette modulation est largement utilisee dans les modems, et dans d’autres formes de

communications numeriques sur des canaux de transport analogiques.

Dans les applications numeriques, le signal modulant est generalement quantifie selon

ses composantes en phase et a 90 . L’ensemble des combinaisons d’amplitudes, vue sur

un diagramme en (x, y), est un ensemble de points appele constellation QAM. Cette

constellation, et en consequence le nombre de bits pouvant etre transmis en une fois,

peut etre augmentee pour un meilleur debit binaire, ou diminuee pour ameliorer la

fiabilite de la transmission en generant moins d’erreurs binaires. Le nombre de points

de la constellation est indiquee avant le type de modulation QAM. C’est un nombre

entier, puissance de 2 allant de 21 (2QAM) a 212 (4096QAM). La modulation 256QAM

est frequemment utilisee pour la television numerique par cable et dans le modem par

cable [15] [24].


1 0

01 00

1011

Q BPSK Q QPSK

Q 8-PSK

C

S

-C

-S

-C -S S C

011 001

000010

100

101111

110

Q 16-QAM0010 0011

01110110

0001 0000

0010 0100

11001101

10001001

11111110

10111010

-3A 3A

3A

-3A

-A

-A

A

Fig. 2.3 – Techniques de modulation adoptees par les futures methodes d’acces.

2.4.3 Codage et correction d’erreur

Le codage de canaux est une technique de controle d’erreur adoptee afin d’assurer

une transmission de donnees a travers des medias qui manquent de fiabilite, et ce en

apportant une certaine forme de redondance au niveau des donnees. Trois classes fon-

damentales de codage sont les plus frequemment utilisees : codage par bloc, codage

convolutionnel, et codage turbo. Dans cette section, on s’interesse aux techniques de

codage par bloc lineaires, pour illustrer leur efficacite quant a la detection ainsi que la

correction d’erreurs. Le FEC (Forward Error Correction) est l’appellation attribuee a

l’equipement receveur quand il est responsable du traitement d’erreurs. En effet, cet

equipement se charge de la recherche des erreurs lors du processus de decodage. Une

fois detectees, il corrige ces erreurs conformement a la capacite de la technique de co-

dage adoptee pour cette transmission de donnees. Le traitement d’erreurs a travers les

diverses techniques de codage, est desormais une etape fondamentale du cycle de traite-

ment du signal dans les systemes modernes de telecommunication [9]. Nous presentons

les techniques fondamentales de codage et de correction d’erreur qui sont : le codage

par bloc, le codage convolutionnel et le codage turbo.

Un codage par bloc encode un bloc de k symboles d’entree en n symboles codes, sachant


que n est superieur a k. L’objectif d’ajouter les n − k symboles est d’augmenter la

distance minimale de Hamming (MHD : Minimum Hamming Distance). Cette distance

correspond en fait au nombre minimum de symboles differents entres deux mots codes.

pour une distance minimale de Hamming dmin, le codage peut corriger t erreurs sachant

que t peut s’ecrire sous la forme :

t ≤ floor(dmin − 1

2) (2.6)

Notons au passage que la fonction floor(x) denote la fonction arithmetique qui permet

de determiner le plus grand entier inferieur a x. La distance minimale de Hamming

atteint des limites superieures avec une frequence de n − k symboles de la maniere

suivante :

dmin ≤ n − k + 1 (2.7)

Pour les codes binaires, seuls les codes de repetition et les codes de parite unique at-

teignent ces limites superieures. La classe des codes qui depassent cette limite superieure

sont appeles RSC (Reed Solomon Codes). Grace a leur propriete de preserver une bonne

distance entre symboles, les codes RSC sont souvent les blocs de code les plus frequem-

ment utilises par les algorithmes de codage et de decodage. En effet, cette classe de

codes est definie sur un bloc de symboles ou chaque symbole s’etale sur m bits, et ou

un code de longueur n est exprime en fonction de m comme suit :

n = 2m − 1 (2.8)

Le nombre de symboles d’entree k est relie aux parametres deja introduits m et dmin

par :

k = 2m − dmin (2.9)

Une flexibilite que presente encore les codes Reed Solomon est de personnaliser la lon-

gueur desiree du code, et ce en completant le code (le restant de la taille) par des bits

zero. Ainsi, d’apres les formules presentees precedement, le code Reed Solomon est ca-

pable de corriger des symboles errones au dela de ((n−k)/2). Chaque symbole contient

m bits, un total de m((n − k)/2) symboles peuvent etre corriges [13].

Le codage convolutionnel est une operation qui fait correspondre a une suite de k bits

continus d’entree et une suite de n bits de sortie. L’encodage conventionnel peut etre as-

sure grace a un simple decalage binaire modulo−2 du registre de donnees d’entree. Cette

technique repose sur le principe d’une entree unique de donnees et deux sorties de don-

nees Ai et Bi, dont l’imbrication de ces derniers delivre la sequence {A1B1A2B2A3B3...}.Chaque paire de bits de sortie {AiBi} depend de sept bits d’entree qui sont sauvegar-

des dans un registre memoire. La taille de ce registre est appelee longueur de contrainte

(Constraint length). Le decodage des codes conventionnels est une tache qui est sou-

vent deleguee au soft decision Viterbi decoding, une description plus complete de cette

technique est disponible a la reference [2].


Encodeur 1

Entrelaceur Encodeur 2

Perforage et Multiplexage

Bits en entrée

Bits en sortie

Fig. 2.4 – Schema de l’encodeur pour le codage turbo (Turbo Code).

En 1993, Claude Berrou et al. ont presente une classe de nouveaux codes convolutionels,

enchaınes et paralleles connue sous le nom des codes turbo [38]. Son execution, qui etait

seulement 0.7 dB de la limite de Shannon, constituait une grande amelioration par

rapport a d’autres methodes de codage. L’autre grand avantage des codes turbo est

qu’ils maintiennent la linearite de la complexite globale du systeme de codage.

La figure 2.4 montre le schema fonctionnel d’un encodeur de codage turbo compose deux

encodeurs convolutionnaires systematiques recursifs dits RSC (Recursive Systematic

Convolutional) et un entrelaceur, ou dk est le bit systematique, et c1k et c2

k sont les bits

de controle de parite. Le poids du code est egal a la somme des poids dk, c1k et c2

k au

sein du bloc. L’existence des deux composantes encodeur permet de garantir une grande

distance de Hamming, qui repond le mieux aux exigences du processus de correction

d’erreur FEC (Forward Error Code).

En raison de la presence de l’entrelaceur, il n’est pas possible de presenter la structure

complete des codes turbo par un diagramme d’etat avec une complexite raisonnable.

Ceci signifie que l’approche standard de programmation dynamique (utilisant l’algo-

rithme de Viterbi) ne peut pas etre appliquee pour les codes turbo. Le concept principal

repose sur le principe de fonctionnement d’un groupe de decodeur fonctionnant sur la

base du compte rendu de la connexion LLR (LikeLihood Ratio) pour effectuer l’estima-

tion propre de cette connexion et ameliorer ainsi avec une agregation de l’ensemble de

ces estimations l’evaluation globale de celle-ci. LLR est une mesure d’evaluation totale

d’information. Une partie de cette information sur laquelle se base cette estimation vient

du bit information appele bit intrinseque. L’autre partie de cette information vient de

l’autre decodeur et s’appelle l’information extrinseque. Cette operation est alors iteree

en boucle retroactive pour aboutir a une decision pour chaque bit [32]. La figure 2.5

represente le schema du decodeur pour le codage turbo.


+RSC Decodeur 1

Entrelaceur

Bits En Entrée

RSC Decodeur 2

Entrelaceur

De-Entrelaceur+

-

-

Systèmatique

Partie 1

Partie 2

-

-

Fig. 2.5 – Schema du decodeur pour le codage turbo (Turbo Code).

2.4.4 Codage et modulation adaptatifs

L’utilisation de la modulation et du codage adaptatifs (AMC : Adaptive Modulation

and Coding) est une des techniques clefs permettant aux systemes sans fil de futures

generations de garantir une efficacite spectrale elevee [26][15]. L’idee de base de l’AMC

est de changer dynamiquement les schemas de modulation et de codage (MCS : Mo-

dulation and Coding Schema) en fonction de l’etat du canal dans l’objectif d’optimiser

l’efficacite spectrale globale. La decision au sujet de choisir le schema de modulation et

de codage approprie est effectuee du cote du recepteur selon l’etat observe de canal avec

l’information vehiculee par l’emetteur dans chaque flux transmis. De nombreuses tech-

niques d’AMC ont ete presentees dans la litterature. Dans ce qui suit, une description

est fournie sur certains de ces articles qui sont les plus appropries au travail de recherche

presente dans ce memoire. Une etude plus approfondie de la matiere est disponible a

la reference [21]. Dans [16] et [14], divers taux et schemas d’adaptation de puissance

sont etudies. La politique d’adaptation de puissance trouvee est essentiellement une for-

mule water-filling temporelle. Dans [15] et [3], une modulation a variation de taux et de

puissance utilisant une modulation MQAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation)

est presentee dont les resultats degages montrent que la technique fournit 5 a 10 dB de

gain de plus que ce que propose la modulation a taux et puissance fixes, et plus de 20

dB de gain de plus par rapport aux techniques de modulation non adaptative.

Dans [3], la capacite du canal est examinee a travers l’application de diverses techniques

adaptatives de transmission. L’adoption de ces techniques montre que l’efficacite spec-

trale pour un canal peut etre amelioree par des techniques adaptatives de transmission

combinee avec la diversite spatiale. Dans [15], on propose un schema d’AMC base sur

la technique de variation du taux et de la puissance du signal [14]. Cette technique

superpose un Codage de Treillis (Trellis Code) sur une modulation non codee. Les re-


RSC Encodeur

EntrelaceurRestrictif

RSC Encodeur

SBTCDecodeur

EstimateurCannal

PunctureurEntrelaceur

Modulation

Adaptative

Adaptative Encodeur

+ +

L[k] N[k]

Canal

Récepteur

Canal de compte rendu

Emetteur

Fig. 2.6 – Structure du systeme de Codage et de Modulation Adaptatifs (AMC).

sultats de simulation prouvent qu’avec un code simple de treillis de quatre etats, un

gain efficace de codage de 3 dB peut etre realise. Dans [24], une technique adaptative

a taux variable avec une modulation QAM et un codage treillis est discutee. Cette

technique permet d’offrir un taux d’erreurs moyen BER (Bit Error Rate) inferieur aux

techniques avec schema a taux fixe. Dans [14], on propose une autre technique d’AMC

en utilisant la modulation MPSK (M-ary Phase Shift Keying), qui offre un gain de 3

a 20 dB au niveau du taux d’erreurs BER. Dans [15], on propose un schema d’AMC,

qui utilise un ensemble de codes treillis specialement concu pour les canaux gaussiens

AWGN (Additive White Gaussian Noise). Ce schema est applique a un modele de re-

seau micro cellulaire en vue d’etudier l’efficacite spectrale offerte en la comparant a celle

de la technique de modulation codee non adaptative. Les resultats obtenus prouvent

que les schemas d’AMC fournissent des avantages significatifs par rapport a une mo-

dulation non adaptative traditionnel en termes d’efficacite spectrale et de latence de

transmission.

2.4.5 Demande de retransmission automatique hybride (H-

ARQ)

L’Hybride-ARQ est un schema de correction d’erreur ou les blocs d’informations

sont codes pour mieux servir le FEC (Forward Error Correction) lors de la procedure

de retransmission requise par le recepteur en vue de remedier aux erreurs qui ont affecte

la transmission initiale. L’hybride-ARQ est utilise au niveau des canaux de trafic sur le

lien descendant pour adapter les taux de codage de l’emetteur par rapport aux taux de

donnees du recepteur (terminal mobile). Le canal de trafic du lien descendant adapte

un code FEC (Turbo code et code a repetition) et un schema de modulation decide sur


la base de l’indicateur de qualite du signal (DRI : Data Rate Indicator). Cet indicateur

est fixe suite aux mesures du signal sur bruit (SNIR) faites au niveau du canal pilote.

Une strategie a deux etapes est alors a envisager pour assurer les caracteristiques de

transmission des donnees en terme de taux de codage et de debit assures ; la premiere

etape consiste en un controle de puissance et de taux de codage fonde sur l’interpretation

des conditions du lien. La deuxieme etape implique le H-ARQ pour permettre une

adaptation des taux de codage et ceux des donnees basee sur une prediction de la

qualite du lien. Dans des contextes de transmission a faibles delais et ne presentant pas

de phenomenes d’attenuations excessives (channel fading), l’ecart entre les decisions

prises sur l’interpretation du DRI a priori ou a posteriori est negligeable. Cependant

dans le cas contraire, la strategie de controle de puissance est privilegiee [27].

2.4.6 Entrelacement (Interleaving)

Il figure parmi les mecanismes mis en place pour pallier a une attenuation profonde

de la puissance du signal (Deep Fading) due aux conditions de propagation de l’onde

radio. C’est l’entrelacement temporel (Time Interleaving) qui consiste a combiner sur

un certain intervalle de temps les donnees de telle maniere qu’une attenuation du si-

gnal soit caracterisee par peu d’erreurs sur une longue duree plutot que des erreurs

frequentes sur une courte duree. En effet, les mecanismes de correction d’erreurs sont

plus efficaces a corriger des erreurs dispersees plutot qu’une longue suite d’erreurs (une

disparition aleatoire du signal). En effet, deux temps d’entrelacement sont possibles :

400 millisecondes ou 2 secondes. A noter que plus le temps d’entrelacement est long,

plus le recepteur mettra de temps a recevoir le signal lorsque l’on change de frequence.

2.4.7 Algorithmes d’ordonnancement

L’algorithme d’ordonnancement est un concept qui permet de repondre a la ques-

tion suivante : ”En presence de plusieurs demandes d’acces, laquelle le controleur d’acces

devra-t-il servir en premier ?” Dans ce paragraphe, nous presentons les principaux algo-

rithmes d’ordonnancement qui ont ete implementes au niveau des commutateurs [10].

En effet, ces algorithmes sont decomposes en 4 familles :

– L’ordonnanceur a priorite absolue ;

– Les ordonnanceurs derives de GPS (Generalized Processor Sharing) ;

– Les ordonnanceurs derives du RR (Round Robin) ;

– Les ordonnanceurs temporels.


Bien que nous ayons decompose les algorithmes en 4 familles, toute combinaison entre

ces familles est permise. Cependant, des proprietes communes sont tout de meme veri-

fiees independamment de la decomposition a savoir [4] :

– Isolation des flux : quelque soit le debit des flux sources, la portion de service

allouee aux differents flux doit etre la plus proche de celle requise [4]. En presence

de flux a debit eleve, les flux a faible debit ne doivent pas etre penalises ;

– Delai : le retard introduit par le traitement de l’algorithme doit etre acceptable

pour la QoS du systeme ;

– Efficacite d’utilisation : la bande passante du systeme doit etre efficacement ex-

ploitee ;

– L’equite : la bande passante du reseau doit etre partagee equitablement entre les

differents usagers mobiles actifs de la meme classe ;

– Simplicite : l’algorithme d’ordonnancement doit etre facile a implementer et simple

a gerer ;

– Facteur d’echelle : l’algorithme devra gerer un grand nombre de connexions et

devra supporter une variation du debit offert par le lien [22].

Nous presentons les algorithmes d’ordonnancement qui ont caracterise les methodes

d’acces radio afin d’offrir une meilleure capacite et un meilleur partage de la ressource

radio. Ces algorithmes sont : First In First Out (FIFO), Head Of the Line (HOL),

Generalised Processor Sharing (GPS), Weighted Fair Queuing (WFQ), Worst-case Fair

Weighted Fair Queuing (WF2Q), Round Robin (RR), Weighted Round Robin (WRR)

et Deficit Round Robin (DRR).

L’algorithme First In First Out est l’algorithme d’ordonnancement le plus simple :

l’ordre de service des paquets est l’ordre chronologique de leur arrivee dans la file.

L’avantage d’un tel algorithme est sa simplicite absolue (pas de puissance du processeur

utilise ni de memoire supplementaire). Bien sur, ce schema ne permet de differencier

aucune classe de trafic.

L’algorithme Head Of the Line est un algorithme assez simple : a l’entree de l’ordon-

nanceur, les paquets sont classifies et mis dans des files. La priorite de chaque paquet

correspond a la priorite de sa file. Les files sont servies de la file la plus prioritaire a

la file la moins prioritaire. Cet algorithme ne garantit la performance que pour les pa-

quets de plus haute priorite. Nous savons aussi d’apres la theorie des files d’attentes que

le temps d’attente moyen de la file d’attente la plus prioritaire depend aussi du taux

d’arrivee et du temps de service moyen de toutes les files [22].

L’algorithme Generalised Processor Sharing garantit une borne au delai de traversee

du reseau. Pour chaque acces i, un poids φi est associe [4]. En consequence, la capacite

du lien sera partagee entre les differentes connexions en fonctions du poids associe a


chacune d’elles. Si C designe la capacite du lien, alors le debit minimum garanti pour

l’acces i en presence de N − 1 autres classes de poids Φj , j ∈ 1..N − 1 sera :

mdi=

Φi∑Nj=1 Φj

.C (2.10)

Lorsqu’une ou plusieurs connexions n’emettent pas de paquets, leur(s) part(s) seront

reparties sur les autres connexions actives en fonction du poids respectif de chacune

d’elles. Donc nous pouvons ecrire :

Di =

⎧⎨⎩

Φi�j∈B(t) Φj

.C , i ∈ B(t)

0 autrement(2.11)

Ou :

Di(t) : debit( alloue a la connexion i a l’instant t.

C : debit total du lien.

B(t) : l’ensemble des connexions actives a l’instant t.

Cependant l’algorithme GPS considere que le controleur d’acces peut traiter plusieurs

files simultanement et que le trafic est divisible indefiniment.

L’algorithme Weighted Fair Queuing est derive de GPS et de PGPS (Packet per pa-

quet Generalised Processor Sharing) connu aussi sous le nom de WFQ (Weighted Fair

Queuing) [4] . A l’instant τ de l’emission d’un paquet, WFQ choisit le premier paquet,

parmi ceux de la file WFQ et sa transmission en GPS est toujours inferieure au temps

de transmission d’un paquet de taille maximale. De meme, en terme de quantite de bits

servie pour chaque session i, la file GPS peut, au maximum, envoyer la taille maximale

d’un paquet de plus que la file WFQ correspondante. Le debit garanti pour la connexion

i s’exprime par :

Di(t) =Φi∑j Φj

.C (2.12)

L’algorithme Worst-case Fair Weighted Fair Queuing est equitable meme avec le cas le

plus penalisant. A l’instant τ , quand le serveur WF 2Q entreprend le processus de choix

du paquet emis, il ne considere que les paquets qui ont deja entame leur service dans le

systeme GPS correspondant.

L’algorithme Round Robin consiste a scruter les files les unes a la suite des autres. Si la

file contient un paquet, ce dernier sera servi. Par contre, si aucun paquet ne se trouve a

ce moment, l’ordonnanceur passe directement a la file suivante. Plusieurs methodes de

services existent :

– Le serveur reste dans une file tant que des paquets sont a traiter ;

– Un nombre limite de paquets peut etre servi pour chaque file.


Cet algorithme est simple. Il est equitable si les paquets des differentes files sont de la

meme longueur. Dans le cas contraire, les files avec les paquets les plus longs seront les

mieux servies .

Au niveau de l’algorithme Weighted Round Robin, l’ordonnanceur parcourt les diffe-

rentes files et les sert en fonction du poids associe a chacune d’elles. Cet ordonnanceur

reste simple. l’equite est verifiee si les paquets des differentes files ont la meme longueur.

Dans le cas contraire, ce sont les files avec les paquets de plus grandes tailles qui seront

favorisees .

Les concepteurs de l’algorithme Deficit Round Robin voulaient resoudre le probleme

de l’equite de WRR. Ils ont alors introduit un compteur de deficit lie a chaque file. A

chaque tour, ce compteur est incremente d’un quantum qi pour la classe i. Si la valeur

du compteur devient plus grand que la taille du premier paquet dans la file, alors ce

paquet sera envoye au reseau et le compteur de la file sera reduit de la valeur de la

taille du paquet. Cette valeur sera sauvegardee pour le prochain tour. Dans le cas ou

la somme du deficit et du quantum est inferieure a la taille du paquet, le deficit est

incremente du quantum sauvegarde, mais le paquet ne sera pas emis. L’ordonnanceur

passera ensuite a la prochaine file. Quand l’ordonnanceur se presente devant une file

vide, le deficit de cette derniere est initialise a zero afin de preserver l’equite. Ainsi

l’ordonnanceur devient independant de la taille des paquets de chaque classe. Par le

choix du quantum de chaque file, la bande passante allouee a chaque classe sera fixee .

Les ordonnanceurs temporels constituent une famille qui traite les paquets en fonc-

tion de leur ordre temporel d’emission. Chaque paquet admet un certain temps limite

d’envoi en fonction de sa classe. Nous presentons les algorithmes qui caracterisent cette

famille d’ordonnanceurs temporels : Earliest Deadline First (EDF) et Earliest Due Date

(EDD).

L’algorithme Earliest Deadline First associe a chaque paquet un delai maximum d’at-

tente i.e. deadline. A l’entree de l’ordonnanceur, ce dernier fixe pour chaque paquet un

temps au bout duquel il doit etre servi. Ainsi, les paquets sont tries et donc en fonction

de la valeur croissante du delai permis. Le probleme qui existe avec cette technique est

relatif au cas de surcharge de la station de base, les performances en terme de garantie

de delai d’attente ne seront plus respectees. Pour resoudre ce probleme, il faudra un

systeme preemptif qui decide d’arreter l’emission d’un paquet dans les instants de sur-

charge. Plusieurs articles ont propose des methodes pour ameliorer les performances de

l’EDF pendant les surcharges. Les options etaient les suivantes :

– La preemption : arreter le traitement d’un paquet, traiter un autre, puis revenir

au premier et continuer son traitement ;


– L’elimination des paquets dont le delai maximal est depasse.

L’algorithme Delay Earliest Due Date (Delay EDD) fixe sur chaque station de base

le seuil du delai de tel sorte que si toutes les connexions sont a un debit maximal, le

delai subit reste inferieur a la limite imposee par le flux. Avant d’accepter un flux, ce

mecanisme effectue un controle d’admission afin de s’assurer que les performances des

flux deja presents dans le reseau ne seront pas deteriorees.

2.5 Services et qualite de service

Dans cette section, nous commencons d’abord par caracteriser les services offerts.

Ensuite, nous developpons la qualite de service qui constitue un parametre determinant

de ces services. Enfin, nous presentons la gestion de cette qualite de service.

2.5.1 Services

La fonction principale des technologies d’acces est d’offrir un lien radio performant

afin de supporter les futurs services a offrir aux usagers. Les espoirs qui reposent sur

ces services et ces applications evoluees futures ainsi que leur impact sur les revenus de

ses operateurs et fournisseurs de services incite a analyser les exigences de chacune de

ces categories en terme de qualites de service a garantir. Une classification basee sur les

exigences techniques en matiere d’interactivite et de debit binaire de chaque classe de

service est disponible au tableau 2.2 [8].

Classe de services Delai (s) Debit Exemple

Conversationnel << 1 32 − 384 kbps Conference video

Streaming < 1 32 − 128 kbps Audio, Video

Interactif ≈ 1 5 kbps Navigation web

Arriere-plan > 1 1 kbps Telecopieur

Tab. 2.2 – Classes de services.

Une illustration avec des applications reelles permet de mieux s’arreter sur la nature

de la qualite de service exigee ainsi que l’origine du besoin :

1. Classe Conversationnelle : La sensibilite au faible debit, au delai et aux erreurs

caracterisent cette classe d’applications. En effet, a cause des fluctuations et des

retards, la qualite du service risque de se degrader rapidement d’ou la necessite

du maintien d’une bonne coherence du flux de donnees supporte. L’aspect temps


reel impose un indice d’erreur extremement bas pour eviter des procedures de

correction a travers des re-envois de paquets.

– Telephonie ;

– VoIP : Voie sur IP ;

– Videoconference ;

– Jeux interactifs.

2. Classe Lecture : Cette classe se caracterise par son aspect unidirectionnel (re-

ception exclusive), ainsi le debit, les delais et les erreurs demeurent les indices

cles qui definissent la qualite de service mais avec plus de flexibilite que la classe

conversationnelle.

– Lecture de fichiers audio ou video compresses.

3. Classe interactive : L’aspect interactif entre les entites qui sont impliques (client,

serveur(s)) ainsi que l’echange de donnees qui s’etablit le long de la duree de

connexion, exige un respect aussi bien du debit pour mettre l’accent sur la fre-

quence des scenarios d’envoi reception que du delai dit Round-trip pour garder la

coherence du contenu de cette echange.

– Navigation sur Internet ;

– Acces distant ;

– E-Commerce : Commerce Electronique ;

4. Classe arriere-plan : Particulierement reservee aux services qui se declenchent en

arriere-plan avec une strategie de meilleur effort (Best effort), seul le respect de

l’indice d’erreur peut caracteriser les applications de cette classe.

– Telechargement ;

– Mise a jour d’applications embarquees ;

– Courrier electronique.

2.5.2 Qualite de service (QoS)

La qualite de service est une mesure de la satisfaction des usagers d’un systeme.

Les parametres qui definissent la qualite de service sont etroitement lies a la nature

meme des applications supportees. Dans le cadre de cette recherche, nous pouvons citer

certaines specifications particulieres qui touchent directement les performances affichees

par les techniques d’acces tels que :

– La specification des performances du flux : la capacite de garantir les exigences des

flux supportes. Des parametres tels que : le debit binaire, les delais, la gigue, et le

taux de perte sont determinants pour le bon fonctionnement des futurs services

multimedias. Ces specifications permettent de definir les besoins ainsi que les

exigences avec une approche metrique quantitative ;


Nous presentons les parametres fondamentaux qui caracterisent les services et les ap-

plications evoluees : le debit, la fiabilite et le delai.

Le debit exprime le taux binaire de reception de donnees lors d’une connexion. L’exi-

gence en terme de debit dans le contexte d’une qualite de service est definie par l’ex-

pression 2.13

W ≥ Wmin (2.13)

ou W correspond au debit assure par le service, alors que Wmin est la limite inferieure

du debit specifie par le client.

La fiabilite decoule du rapport des trames erronees par l’ensemble des trames emises.

Ce rapport est appele FER1= taux de frames erronees. Ce taux est defini comme le

demontre l’equation 2.14.

FER = totTrames−Err/totTrames−Rec (2.14)

avec totTrames−Err = Nombre total des trames erronees et totTrame−Rec = Nombre total

des trames recues.

FER ≤ FERmax (2.15)

La fiabilite est souvent synonyme de BER2 qui correspond au taux de bits errones

lorsqu’on restreint l’etude de la transmission a la couche physique. En effet, le sujet

traite par notre recherche couvre les performances des techniques d’acces radio. Ces

methodes d’acces operent exclusivement au niveau de la couche physique d’ou la perti-

nence d’introduire cet indice comme parametre determinant pour la gestion de la qualite

de service.

Le delai est une contrainte specifiee par le client, c’est-a-dire le temps entre le debut de

transmission d’une trame et la fin de sa reception par le meme niveau de couche. La

limite de delai toleree peut etre exprimee par :

Di ≤ Dmax, ∀i. (2.16)

ou Di est le delai correspondant a toute Tramei et Dmax sa limite superieure. Le delai

de bout en bout regroupe les aspects suivants :

– Delai de traitement ;

– Delai de transmission ;

– Delai d’attente ;

– Delai de propagation.

1FER = Frame Error Rate2BER = Bit Error Rate


2.5.3 Gestion de la qualite de service (QoS)

Dans un reseau mobile, la qualite de service [8] fait l’objet d’une attention particu-

liere. En effet, dans le but d’optimiser l’utilisation des ressources radio, les differents

services ont ete classes en fonction de leur sensibilite a la degradation de certains para-

metres et, pour chacun d’entre eux, la transmission s’effectue en optimisant ces differents

parametres. Il s’agit d’une veritable gestion de la qualite de service. Cinq parametres

ont ete identifies, qui concourent aux performances du systeme :

– disponibilite du reseau ;

– debit reel de transmission des donnees ;

– taux de perte des paquets ;

– retard de transmission ;

– gigue, ou variation du delai de transmission.

La gestion de la qualite de service s’interesse aux quatre derniers, la disponibilite du

reseau devant, dans tous les cas, etre aussi proche que possible de 100%. Pour obtenir

la qualite de service prevue, un reseau mobile s’appuie sur des mecanismes de gestion

du trafic. Celui-ci est classe en niveaux de service en fonction des applications. Le

systeme mobile fonctionne selon le principe de la non-reservation de ressources, une

negociation permanente du niveau de qualite de service etant effectuee, en fonction des

ressources disponibles et des besoins des usagers a un moment donne. Cette negociation

est effectuee a travers une interaction entre les composantes du systeme.

L’information echangee entre les composantes du systeme mobile et relative a la qualite

de service est stockee dans un profil QoS. Ainsi pour permettre une distinction et

un traitement specifique de chaque profil, on definit l’ensemble des classes de QoS

suivantes :

– Classes de priorite : elles correspondent a l’importance de conserver les don-

nees en toutes circonstances (trois classes : haute priorite, priorite normale, basse

priorite) ;

– Classes de retard : quatre classes de delai de transmission d’un point d’acces a

un autre, independamment de l’influence des reseaux exterieurs, ont ete definies.

La quatrieme classe correspond seulement a un « meilleur effort », alors que pour

un paquet de 128 octets, le temps de propagation moyen dans le reseau GPRS est

fixe a 0, 5 s en classe 1 et jusqu’a 50 s en classe 3 ;

– Classes de fiabilite : pour des transmissions de donnees, la perte de donnees ou

la transmission de donnees erronees sont critiques. On s’interesse donc a la proba-

bilite de perdre des donnees, de les delivrer dans un ordre errone, de les acheminer

plusieurs fois ou de transmettre des donnees fausses. Pour chaque service, un ni-

veau de fiabilite est requis. Il y a cinq classes, correspondant a des combinaisons

de sensibilite aux parametres telles que la transmission en temps reel, les erreurs


de transmission, les pertes d’information ;

– Classes de debit maximal : neuf classes de debit maximal, allant de 8 kbits

a 2048 kbits, ont ete definies. Ces debits de transmission peuvent etre atteints a

certains moments de la transmission mais ne sont pas garantis de maniere conti-

nue, dependant en fait des ressources disponibles dans le reseau. Ils peuvent aussi

etre limites par l’operateur pour des raisons purement commerciales ;

– Classes de debit moyen : dix-huit classes, correspondant au debit reellement

transmis sur une duree moyenne de communication en mode paquet, ont ete defi-

nies. Elles varient de 0,22 bit/s a 44 kbits/s. Une dix-neuvieme classe (numerotee

« 31 », en prevision de l’introduction future de debits moyens intermediaires)

correspond a 111 kbits/s, en « meilleur effort ».

Par ailleurs, quatre classes de trafic, ayant chacune ses parametres de qualite de service

definis, ont ete introduites :

– Conversational (mode conversation) : ce mode correspond essentiellement a

la telephonie. Le debit varie de 4 a 25 kbits et le delai de transmission est inferieur

a 150ms.

– Streaming (mode flux de donnees) : il s’agit de la transmission unidirection-

nelle de sons et d’images vers le mobile, a un debit variant de 32 kbits a 128 kbits

pour le son, 32 kbits a 384 kbits pour l’image, avec un retard inferieur a 10 s.

– Interactive (mode interactif) : ce mode correspond essentiellement a la consul-

tation de pages sur l’Internet. Le temps de reponse additionnel du a la traversee

du reseau doit etre inferieur a 4 s par page.

– Background (mode tache de fond) : les transmissions en mode tache de fond

sont celles qui n’ont pas d’exigence de qualite relative aux parametres des prece-

dentes classes de service et peuvent s’effectuer en simultaneite avec des transmis-

sions plus prioritaires. Seul l’integrite de la transmission doit etre assuree, mais

sans souci du delai de transmission, lequel n’est pas precise et peut atteindre

plusieurs dizaines de secondes, voire de minutes.

Chapitre 3

Etude des technologies d’acces radio

Les technologies d’acces jouent un role preponderant dans la qualite de service a

offrir dans un reseau mobile. Cette qualite de service s’exprime par la capacite a trans-

mettre beaucoup d’informations par unite de temps. L’amelioration de cette capacite se

refletera sur la capacite globale du reseau. Dans ce chapitre, nous presenterons la tech-

nologie d’acces multiple comme une approche optimisee pour l’exploitation du spectre

radio qui constitue une ressource rare dans les reseaux mobiles. Nous commencerons

dans la premiere partie par faire le tour des methodes d’acces radio qui ont marque les

systemes mobiles. Dans la deuxieme section, nous nous attarderons sur les techniques

d’etalement de spectre. Ces techniques constituent la base des systemes CDMA (Code

Division Multiple Access) que nous developperons dans la troisieme et derniere section

de ce chapitre.

3.1 Methodes d’acces classiques

Dans un reseau mobile, la bande de frequences disponibles est divisee en canaux

discrets affectes en groupes a des cellules couvrant une region geographique. Le spectre

radio constitue une ressource tellement rare et precieuse, qu’on ne permet pas de garder

une connexion permanente entre le terminal mobile et la station de base. Cela nous

amene a penser a une strategie de partager cette ressource entre les divers usagers.

Ce partage doit etre optimise en vue de maximiser la capacite des usagers supportes.

Des techniques d’acces multiple sont alors mises en place pour permettre a plusieurs

utilisateurs de partager efficacement la bande radio disponible. Ces techniques sont

divisees en :

Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 33

– Acces Multiple a Repartition en Frequence AMRF (FDMA : Frequency Division

Multiple Access) [36] ;

– Acces Multiple a Repartition dans le Temps AMRT (TDMA : Time Division

Multiple Access) [25] [39] ;

– Acces Multiple a Repartition de Code AMRC (CDMA : Code Division Multiple

Access [39].

Presentons ces methodes d’acces radio.

3.1.1 Acces Multiple a Repartition en Frequence

La technologie AMRF permet de diviser la bande radio en sous-canaux de largeur

etroite. Des bandes de garde sont alors utilisees pour separer les canaux adjacents et

minimiser les interferences [17]. Le systeme de communication AMPS qui etait implante

aux Etats-Unis, et qui operait sur les bandes de frequences [824−849] Mhz et [869−894]

Mhz avec une largeur de canal de 30 Khz, constitue un exemple de systeme ayant adopte

cette technique d’acces multiple. Le tableau 2.1 comporte encore plus d’exemples de

systemes 1G. Cette technologie d’acces multiple presente plusieurs avantages [36] :

– L’augmentation de la capacite offerte peut etre assuree grace a la reduction du

debit supporte et a l’utilisation des techniques de codage efficaces ;

– La conception technologique AMRF est relativement simple. Son implementation

peut etre pensee autour d’une gestion de la ressource pour satisfaire les exigences

de la qualite de service de la voix.

Toutefois, la technologie AMRF presente certaines limites :

– La technologie AMRF ne presente pas de difference significative par rapport aux

systemes analogiques, puisque l’augmentation de la capacite est tributaire de la

reduction des facteurs signal/interference et signal/bruit ;

– Le debit maximum supporte par un canal est fixe et limite, ce qui restreint les

perspectives des services qui peuvent etre offerts en adoptant cette technologie

d’acces, particulierement ceux des futurs systemes mobiles qui sont exigeants en

debit binaire.

La figure 3.1 presente les caracteristiques de la technique d’acces AMRF. Nous distin-

guons, au niveau de cette figure, un decoupage principal de la bande radio en deux

parties pour couvrir les liens montant et descendant. Ensuite, un decoupage secondaire

de ces deux bandes radio en canaux separes par des bandes de garde.


Lien Montant

Circuit ...Fréquence 1

Fréquence 2

Fréquence n

Circuit ...

Circuit ...

.

.

.

.

.

.

Circuit ...Fréquence 1

Fréquence 2

Fréquence n

Circuit ...

Circuit ...

.

.

.

.

.

.

Lien Descendant

Temps

Fréquence

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

Fig. 3.1 – Acces multiple a repartition en frequence (AMRF).

3.1.2 Acces Multiple a Repartition dans le Temps

Alors que la technique d’acces multiple AMRF permet le partage du spectre radio

entre les usagers grace a une division de la bande de frequences. La technique AMRT

se base sur le principe de l’allocation temporelle de cette ressource radio. En effet,

l’information de chaque usager est acheminee durant un intervalle de temps appele slot.

Une trame de messages est alors composee d’un nombre de slots. Chaque slot comporte

un preambule servant de delimiteur et d’identificateur de la trame, ce qui permettra une

meilleure synchronisation lors de la reception, en plus d’une suite de bits qui represente

le message a transmettre [25] [39]. Un temps de garde est requis entre les usagers

afin d’eviter le chevauchement des messages. Le systeme de communication GSM fait

partie des systemes fondes sur AMRF. Cette technique d’acces presente de nombreux

avantages :

– L’offre d’une certaine flexibilite quant aux debits supportes, non seulement a tra-

vers l’allocation multiple des canaux, mais aussi par rapport aux usagers qui

sollicitent le systeme ;

– La distinction des bandes etroites grace a la synchronisation temporelle qui evite

d’augmenter le cout des terminaux mobiles ;

– Le decoupage du message en trames, ce qui offre a la fois une meilleure gestion et

un meilleur controle de debit et d’erreur ;

– L’utilisation optimisee et efficace du spectre radio : plus besoin de bandes de garde

entre les sous-canaux ;


Lien Montant

Lien Descendant

Temps

FréquenceSlot 1 Slot 2 Slot 3 Slot m

CircuitFréquence 1

Fréquence 2

Fréquence n

.

.

.

.

.

.

Circuit Circuit … Circuit

Circuit Circuit Circuit … Circuit


CircuitFréquence 1

Fréquence 2

Fréquence n

.

.

.

.

.

.

Circuit Circuit … Circuit



Fig. 3.2 – Acces multiple a repartition dans le temps (AMRT).

– La transmission de chaque signal avec un temps de garde approprie pour garantir

la synchronisation.

La technologie AMRT presente toutefois certaines limites [39] :

– Elle exige un pic en puissance lors de la transmission sur le lien montant, ce qui

reduit considerablement son autonomie ;

– Elle necessite la synchronisation du signal a la reception pour delimiter les trames

et extraire les messages.

La figure 3.2 illustre la repartition des frequences ainsi que leur utilisation a travers

le temps. Le slot constitue une unite d’allocation exclusive de la bande de frequence

a un usager durant un intervalle de temps. Cette allocation temporelle du canal de

communication est effectuee de facon identique sur les liens montant et descendant.

3.1.3 Acces Multiple a Repartition de Code

Conformement aux standards IS-95A/J-STD-008 [34], les principales caracteris-

tiques d’un systeme CDMA s’articulent non seulement autour d’aspects techniques re-

latifs a la capacite et la qualite de service, mais aussi autour des aspects economiques

relatifs aux couts d’etablissement et d’exploitation d’un systeme. En effet, la capacite


projetee par un systeme CDMA est plus importante que celle offerte par d’autres sys-

temes analogiques ou numeriques [11] [33]. Cette capacite releve des techniques et des

schemas de codage et de modulation adoptes, du facteur d’activite de la voix, de la

sectorisation radio ainsi que de la reutilisation entiere du spectre radio dans chaque

cellule ou dans chaque secteur.

Dans le meme ordre d’idees, un systeme CDMA fournit une qualite de service qui ga-

rantit une robustesse qui corrige le defaut de fiabilite qui caracterise le lien radio [13].

Grace a cette methode d’acces radio, les defauts du lien radio qui limitent les perfor-

mances des systemes a bandes etroites sont exploites pour offrir une meilleure capacite

au systeme. En fait, des phenomenes tels que l’attenuation, la degradation de la qualite

du signal, les procedures de releve repetitives sont geres efficacement au sein de la tech-

nique CDMA [33]. D’abord, au niveau de la releve, l’elimination de l’effet Ping-Pong

est assuree par une procedure propre a CDMA [11]. Cette procedure permet de main-

tenir une double connexion entre le terminal mobile et la cellule cible d’une part, et

l’ancienne cellule d’autre part. De ce fait, elle est capable d’assurer une fine transition

entre les cellules conformement au patron de mobilite du terminal et d’eviter ainsi les

blocages d’appels qui constituent un facteur determinant pour la qualite de service. De

plus, cette technologie exploite l’attenuation du signal ainsi que la multiplication des

chemins de propagation de l’onde radio pour ameliorer la qualite des services qu’elle

offre. Ainsi, a travers l’utilisation de diverses techniques de traitement du signal, chaque

terminal mobile selectionne les trois signaux les plus forts et les combine d’une facon

coherente pour en extraire un signal qui est encore plus puissant.

Par ailleurs, le CDMA se distingue par son cout effectif reduit. D’abord, pour assurer la

couverture radio, il n’a plus besoin d’adopter des patrons de reutilisation de frequences

au sein des cellules [13]. Ensuite, les terminaux mobiles compatibles avec la technologie

CDMA transmettent avec une puissance moyenne de l’ordre de 6 a 7 mW, ce qui

est significativement inferieure aux puissances de transmission moyennes requises par

d’autres technologies, tels que le FDMA et le TDMA. Une transmission avec une faible

puissance assure une plus grande autonomie des batteries au sein des terminaux mobiles.

3.2 Techniques d’etalement de spectre

La technique d’etalement de spectre, reservee au depart aux applications militaires

grace a son immunite contre les interferences et les blocages pour garantir une transmis-

sion meme en presence de bruit, est actuellement adoptee pour des applications civiles,

tels que les systemes mobiles. Trois approches sont denombrees pour implementer les


systemes a etalement de spectre :

– Etalement de spectre avec sequence directe (DSSS : Direct Sequence Spread Spec-

trum ;

– Etalement de spectre avec saut de frequence (FHSS : Frequency Hopping Spread

Spectrum ;

– Etalement de spectre avec saut de temps (THSS : Time Hopping Spread Spec-

trum).

Presentons ces techniques d’etalement de spectre.

3.2.1 Etalement de spectre avec sequence directe

Au sein de la technique d’etalement de spectre avec sequence directe, les canaux

sont modules avec un code numerique ou le taux du code est superieur au taux du

signal d’information. La figure 3.3 presente cette technique d’etalement de spectre, ou

la periode de sortie du signal To est superieure a la periode Tc du signal qui comporte la

donnee a transmettre. La relation To = (2n − 1)Tc montre la relation entre les periodes

To et Tc ainsi que le facteur d’etalement n. De pareils systemes sont aussi appeles des

systemes Pseudo Noise (PN).

+1

-1

Tc = Période de temps

t

To = Période de sortie du signal

To = (2n-1)Tc

Fig. 3.3 – Etalement de spectre a sequence directe.

3.2.2 Etalement de spectre avec sauts de frequences

Au niveau de cette technique d’etalement de spectre, les sauts de frequences pour

la selection des canaux de transmission obeissent a un modele genere par un code


sequentiel. Cette generation veille a proteger les transmissions des autres systemes non

fondes sur l’etalement de spectre. Au sein d’un systeme FHSS, la frequence du signal

demeure constante pour une duree temporelle specifique Tc. Un systeme FHSS peut

s’appuyer sur un saut de frequence rapide ou lent. En effet, pour les systemes FHSS bases

sur un saut de frequence rapide, l’occurrence des sauts est plus frequente que le debit du

message, alors que pour les systemes bases sur un saut de frequence lent, cette occurrence

est plus basse que celle du debit du message. Une situation intermediaire serait alors

de garantir une meme frequence entre le debit du message et le saut de frequence. La

figure 3.4 illustre une pareille technique d’etalement de spectre. On distingue alors les

sauts de frequences fi durant une periode de temps Tc.

0

t

f1

f2

f3

f4

fn-2

fn-1

fn

Fréquence

Tc 2Tc

Fig. 3.4 – Etalement de spectre avec sauts de frequences.

3.2.3 Etalement de spectre avec sauts de temps

Le temps de transmission, au sein de cette technique d’etalement de spectre, est

divise en plusieurs intervalles de temps appele Trame. Chaque trame est subdivisee a son

tour en fentes (slots). Durant le temps d’une trame, un et un seul slot est module avec le

message. Une fois l’ensemble des trames accumulant le contenu binaire du message est

constitue, la transmission est effectuee. La figure 3.5 represente la technique d’etalement

de spectre avec sauts de temps. Une fenetre de transmission est composee de M periodes

de transmission unitaires Tt appelees slots.


t

UneFenêtre

Tt 2Tt 3Tt0

Temps de transmissionde slots (K bits)

M = Nombre de slots danschaque fenêtre ; M= (Tt / t)

t

Fig. 3.5 – Etalement de spectre avec sauts de temps.

La capacite theorique d’un canal, telle que definie par la formule de Shannon, est donnee

par [13] :

C = Bwlog2

[1 +

S

N

](3.1)

ou Bw est la largeur de bande du canal en Hertz, S la puissance du signal, et N est la

puissance du bruit.

L’equation 3.1 illustre la relation entre la capacite theorique d’un canal a transmettre

des donnees sans erreur pour un rapport de signal sur bruit et une largeur de bande

donnes. Cette capacite est susceptible d’etre amelioree par l’augmentation de la largeur

de bande, ou la puissance de transmission, ou une combinaison des deux. Un systeme

classique de transmission analogique est concu pour respecter la contrainte de signal

sur bruit qui est de l’ordre de 17 decibels (dB)1 ou plus. Toutefois, les systemes mobiles

fondes sur la technologie CDMA tolerent des seuils de signal sur bruit (SNR) beaucoup

plus faibles, etant donne la faible interference entre les canaux. Ainsi, l’equation 3.1

devient :C

Bw= 1.44loge

[1 +

S

N

](3.2)

puisque

loge

(1 +

S

N

)=

S

N− 1

2

(S

N

)2

+1

3

(S

N

)3

− 1

4

(S

N

)4

+ ...

1Cette valeur est relative a un environnement presentant des contraintes de propagation radio, etce pour des systemes analogiques adoptant la modulation de frequence. Pour de meilleurs conditionsde transmission radio, la valeur de l’indice signal sur bruit (SNR) peut etre plus basse.


Etant donne les valeurs negligeables de S/N ≤ 0.1, les equations 3.1 et 3.2 donnent

alors :

Bw ≈ C

1.44

N

S(3.3)

3.2.4 Facteur d’etalement et configuration radio

Les specifications des standards cdmaOne et cdma2000 qui reposent sur la methode

d’acces multiple a repartition de codes AMRC definissent un ensemble de configurations

radio pour les technologies d’acces 1xMC et 3xMC. Cet ensemble est compose de [6] :

– 6 configurations radio RC (Radio Configuration) pour le lien descendant ;

– 9 configurations radio RC pour le lien montant.

Ces specifications definissent egalement deux facteurs d’etalement (Spreading Rate)

designes par [6] :

– SR1 (Spreading Rate 1 ) qui a une valeur de 1.2288 Mcps et est destine aux sys-

temes IS-95A/B, 1xRTT ;

– SR3 (Spreading Rate 3 ) qui a une valeur de 3.6864 Mcps (3 * 1.2288 Mcps) et est

reserve aux systemes 3xMC.

Les tableaux 3.1 et 3.2 illustrent les variations des debits supportes en fonction des

combinaisons des configurations radio et des taux d’etalement. Le tableau 3.1 presente

ces caracteristiques sur le lien descendant, alors que le tableau 3.2 les presente sur

le lien montant. Les differents debits supportes pour chaque combinaison de facteur

d’etalement de spectre et de configuration radio (SR, RC) garantissent une flexibilite

lors de la negociation du debit final de transmission. Cette negociation est faite entre

la station de base et le terminal mobile. Elle est tributaire de la qualite de reception du

signal radio. Cette qualite de reception est evaluee par le terminal mobile.

L’etalement de spectre a sequence directe figure parmi les variantes les plus repan-

dues dans les travaux de recherche qui traitent de l’innovation des technologies d’acces.

Cette technique d’etalement offre une orthogonalite qui garantit une meilleure effica-

cite spectrale, permettant de resoudre theoriquement des problemes de perturbations

et d’interferences de frequences voisines. Mais, en pratique, a partir d’un certain seuil,

des interferences sont detectees et font degrader la performance du systeme. L’objectif

est maintenant d’ameliorer les performances que l’etalement de spectre peut offrir a

travers des techniques de codage, de modulation, d’entrelacement et enfin d’ordonnan-

cement. Dans la suite de ce memoire, on s’interesse a la famille des standards cdmaOne

et cdma2000 qui sont fondes sur la technique d’acces a etalement de spectre.


RC SR Debit (kbps) Taux de codage

1 1 1.2, 2.4, 4.8, 9.6 R = 1/2

2 1 1.8, 3.6, 7.2, 14.4 R = 1/2

3 1 1.5, 2.7, 4.8, 9.6, 38.4, 30.72 R = 1/4

4 1 1.5, 2.7, 4.8, 9.6, 38.4, 76.8 R = 1/2

5 1 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 28.8, 115.2, 230.4 R = 1/4

6 3 1.5, 2.7, 9.6, 76.8, 153.6, 307.2 R = 1/6

7 3 1.5, 4.8, 9.6, 76.8, 153.6, 614.4 R = 1/3

8 3 1.8, 3.6, 14.4, 115.2, 230.4, 460.8 R = 1/4

9 3 1.8,3.6, 14.4, 57.6, 115.2, 230.4, 460.8 R = 1/2

Tab. 3.1 – Configuration radio et facteur d’etalement du lien descendant.

RC SR Debit (kbps) Taux de codage

1 1 1.2, 2.4, 4.8, 9.6 R = 1/2

2 1 1.8, 3.6, 7.2, 14.4 R = 1/2

3 1 1.2, 1.35, 2.4, 19.2, 38.4, 153.6, 307.2 R = 1/4

4 1 1.8, 3.6, 14.4, 28.8, 57.6, 115.2, 230.4 R = 1/4

5 3 1.2, 1.35, 2.4, 2.7, 9.6, 19.2, 76.8, 153.6, 307.2 R = 1/4

6 3 1.8, 3.6, 14.4, 57.6, 115.2, 460.8 , 614.4 R = 1/4

Tab. 3.2 – Configuration radio et facteur d’etalement du lien montant.

3.3 Evolution des systemes CDMA

Les standards cdmaOne et cdma2000 constituent des normes de communication pro-

posees par la 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2 ) [35]. Le cdmaOne decrit

un systeme sans fil complet, base sur la norme de TIA/EIA IS-95 CDMA, comprenant

les revisions A et B. Le cdma2000, quant a lui, constitue l’evolution du cdmaOne et

englobe, comme le montre la figure 3.6, les technologies suivantes [35] :

– 1xMC ;

– 1xEV-DO ;

– 1xEV-DV.

Presentons ces technologies.


cdmaOne IS-95A

cdmaOneIS-95B

cdma2000 1X(1XMC)

cdma2000 3X (3XMC) 1XEV-DV

1XEV-DO

3GPP2

Fig. 3.6 – Evolution des systemes CDMA du standard cdmaOne a cdma2000.

3.3.1 La technologie IS-95

La premiere revision de la technologie IS-95 porte le nom de IS-95A. Les perfor-

mances affichees par cette technologie assuraient des debits de l’ordre de 14.4 kbps. Les

specifications des technologies IS-95 et JSTD008 sont tres similaires a l’exception de

certaines particularites relatives a l’allocation spectrale. Le tableau 3.3 resume les ca-

racteristiques generales de la technologie IS-95, alors que la figure 3.7 illustre l’allocation

des spectres radio pour chacune de ces deux technologies [33].

Modulation QPSK

Debit de chip (d’etalement) 1.2288 Mcps

Longueur de trame 10 ms

Debit nominal (RS1) 9600 bps

Largeur de la bande 1.25 Mhz

Codage Convolution avec codage Viterbi

Tab. 3.3 – Caracteristiques techniques du systeme CDMA IS-95.

La technologie d’acces IS-95 est fonctionnelle sur deux plages de frequences radio :

– Bande de frequences cellulaires : le domaine de frequence [824 - 894 Mhz] est celui

du standard IS-95A. Une bande de frequences de 45 Mhz separe le lien montant

du lien descendant. La largeur d’un canal est de 30 Khz ;

– Bande de frequences PCS : le domaine de frequence [1850 - 1990 Mhz] est celui du

standard JSTD-008. Une bande de frequences de 80 Mhz separe le lien montant

du lien descendant. La largeur d’un canal est de 50 Khz.

Au sein de la technologie CDMA, chaque terminal mobile detient un code unique. Ce


A B Paging ESMR , etc. A B

824 Mhz 835 845 849

846.5 869

870

891.5

880 890 894

825

800 MHZ. Spectre Cellulaire (IS-95)

A B C Data

1850 Mhz

845 849

1910 Mhz

1900 MHZ. Spectre PCS (JSTD008)

D FE Voice A B C

1930 Mhz

D FE1990 Mhz

Fig. 3.7 – Spectre radio 800-1900 Mhz pour les systemes CDMA (IS-95).

code permet l’identification des usagers lors de la transmission. Ainsi, le code au sein

de la technique CDMA est equivalent a la frequence au niveau de la technique FDMA

(Frequency Division Multiple Access), et au temps au niveau de la technique TDMA

(Time Division Multiple Access) [13]. Les paragraphes suivants decrivent respectivement

ces codes qui se composent de : le code Walsh, le code PN court et PN long.

Le code Walsh est un identifiant de la diffusion spectrale. Cette unicite de la diffusion est

une caracteristique fondamentale au sein de la technologie CDMA. Dans chaque cellule,

le terminal mobile detient un code unique. Ce code garantit la propriete d’orthogonalite

des vecteurs de donnees transmis. En effet, l’auto-correlation d’un code Walsh est egale

a 1, et sa correlation avec n’importe quel autre code est egal a 0. Dans le cadre de

la famille cdmaOne, les standards IS-95A et IS-95B utilisent 64 codes orthogonaux.

Ces codes sont a la base de la diffusion spectrale sur le lien montant. Ainsi le lien

montant est subdivise en canaux dont le nombre est egal au nombre de codes Walsh.

Ces canaux sont appeles les canaux codes. Contrairement au lien montant ou les codes

Walsh servent a identifier les usagers, au niveau du lien descendant, les codes Walsh

servent plutot a elaborer un schema de modulation [13]. Dans le meme ordre d’idees,

le code PN court est un code de 16 bits utilise pour identifier les stations de base. La

differenciation entre les stations de base est faite grace a l’affectation d’un excentrage

(Offset) de ce code a un temps de reference commun a l’ensemble des stations de base.

Au niveau du lien descendant, le terminal mobile utilise ce code pour renforcer le signal

radio, mais sans pour autant affecter d’excentrage [13].

Un des concepts importants des systemes bases sur la technologie IS-95 est l’orthogona-

lite de la diffusion spectrale. Une definition complete de la diffusion spectrale est fournie

par Haykins [13]. Cette definition s’articule autour de deux concepts fondamentaux :

– La diffusion spectrale est un mode de transmission dans lequel les sequences de


Canaux de Contrôle

Lien Descendant Lien Montant

AccèsPilote Synchronisation Pagination

Fig. 3.8 – Les canaux de contole (IS-95).

donnees occupent une largeur de bande qui depasse le minimum de largeur de

bande necessaire pour leur acheminement ;

– La diffusion spectrale est accomplie avant la transmission effective, grace a l’uti-

lisation d’un code genere independamment des donnees. Le meme code est utilise

a la reception pour reconstruire la sequence des donnees d’origine.

La diffusion spectrale fonctionne de la maniere suivante. La sequence de donnees est

multipliee par un code PN pour aboutir a la modulation desiree. Ainsi, la multiplication

des informations de canaux etroits par ceux des canaux a large bande avec sequence de

codes conduit a la diffusion spectrale. Les avantages de cette technique sont multiples :

– Communication securisee grace au code PN ;

– Elimination des effets dus aux trajets multiples ;

– Acces multiple : plusieurs utilisateurs exploitent les memes canaux de communi-

cation.

Pour permettre la reconstitution du message d’origine lors de la reception, une procedure

de synchronisation en deux temps se met en boucle :

– Phase d’acquisition : cette etape, dite de large synchronisation, assure le groupe-

ment et la collecte des signaux percus par le code identificateur ;

– Phase de suivi : cette etape, dite de fine synchronisation, permet de mettre le code

recu en synchronisation avec le code transmis.

3.3.2 Caracteristiques du lien montant (IS-95A)

Le lien montant de la technologie IS-95A comporte 64 canaux logiques (canaux

codes). Un canal code fait partie d’un groupe de 64 bits de Walsh. Cette fonction de

Walsh garantit que les canaux soient completement separes et distingues a la reception.


Debit (bps)Parametre

9600 bps 4800 bps 2400 bps 1200 bps

Debit d’etalement 1.2288 1.2288 1.2288 1.2288

Taux de codage 1/3 1/3 1/3 1/3

Tab. 3.4 – Caracteristiques du canal de trafic du lien montant RS1 (IS-95A).

Chaque canal code transmet des signaux avec un code PN court, moyennant la tech-

nique de modulation QPSK, superposee a la technique de modulation BPSK [43]. Nous

presentons les canaux qui composent le lien montant de la technologie IS-95A a savoir :

le canal pilote, le canal de synchronisation, le canal de radio recherche (pagination) et le

canal de trafic. La figure 3.8 presente la structure de l’ensemble des canaux de controle

de la technologie IS-95 [13].

Le canal pilote n’est pas destine a l’acheminement des donnees. En effet, ce canal opere

comme une balise pour definir l’etendue des cellules. C’est pourquoi il est transmis avec

une puissance maximale. Ce canal est egalement adopte pour mesurer le temps lors de la

phase d’acquisition, au cours d’une procedure de releve. L’appellation technique de canal

pilote est Wo. La periode du code court au sein de ce canal est de 215 = 26.67 ms sur le

debit d’etalement 1.2288 Mhz. Les codes accordees aux stations sont des multiples de

64, donnant un total de 215/64 = 512 affectations possibles. Par consequent, 9 bits sont

utilises pour couvrir ces 512 possibilites. L’operation d’identification et d’affectation de

la station de base est appelee excentrage du pilote (Pilot Offset).

D’autre part, le canal de synchronisation est utilise par le terminal mobile lors de la

phase d’acquisition du signal, et ce, en vue d’obtenir les informations suivantes :

– l’heure du systeme ;

– l’identification du systeme ;

– l’etat du code PN long.

Le canal de synchronisation porte l’appellation technique de W32 et opere avec un debit

de 1200 bps.

Quant au canal de radio recherche (pagination), il diffuse les messages et les informations

relatives a l’etablissement de l’appel. Le debit utilise, qui est de l’ordre de 4800 ou 9600

bps, est preleve du debit alloue au canal de synchronisation. Les codes Walsh W1-W7

sont assignes a ce canal de radio recherche (pagination). En effet, W1 qui est appele

canal de radio recherche primaire, opere en un mode particulier appele mode encoche,

c’est-a-dire le terminal mobile passe du mode inactif au mode actif au moment ou il se

met a l’ecoute [13].


Par ailleurs, le canal de trafic est affecte aux usagers en vue de supporter leurs appels.

Ce canal exploite le reste des codes Walsh disponibles pour constituer ainsi la capacite

du systeme en terme de nombre d’usagers supporte simultanement. Pour terminer, un

canal du lien montant est identifie par les elements suivants [13] :

– la frequence radio assignee ;

– le code court unique de l’excentrage du pilote par cellule ;

– le code Walsh unique de chaque usager.

Le canal de trafic sur le lien montant RS1 permet des transmissions pouvant atteindre

9600 bps, comme indique a la table 3.5. Le canal de trafic disponible sur le lien montant

RS2 supporte des debits de l’ordre de 14.4 kbps, 7.2 kbps, 3.6 kbps et 1.8 kbps, comme

indique au tableau 3.6 [13].

3.3.3 Caracteristique du lien descendant (IS-95A)

Le lien descendant de la technologie IS-95A consiste en un ensemble de 242 − 1

canaux logiques [13]. Chaque terminal mobile possede parmi cet ensemble un canal

qui lui est propre. Ce canal demeure affecte a ce terminal meme apres une releve. Le

lien descendant ne suit pas la restriction d’orthogonalite des vecteurs de diffusion radio

imposee au lien montant. En effet, la correlation entre les codes des terminaux mobiles

est differente de zero ( �= 0), mais demeure acceptable. Dans la partie suivante, nous

presentons le canal d’acces et le canal de trafic.

Le canal d’acces qui opere avec un debit de 4800 bps, est utilise par le terminal mobile

pour effectuer une des actions suivantes [13] :

– Transmettre une requete d’enregistrement (Registration request) ;

– Transmettre une requete d’etablissement d’appel (Call setup request) ;

– Transmettre le temps d’une radio recherche (Page Response Time) ;

– Transmettre une reponse relative a un ordre (Order Response) ;

– Transmettre des informations de signalisation (Signaling Information).

Le canal de trafic est utilise pour acheminer les appels entre le terminal mobile et la

station de base BS. Lors de l’etablissement d’un appel, un couple de canaux de trafic

(lien montant et lien descendant) est alors alloue au terminal mobile. Le canal de trafic

peut etre reduit a la definition d’un code propre associe au terminal mobile dont les

details sont presentes dans la figure 3.11 [43]. La figure 3.9 presente la structure de

l’ensemble des canaux de trafic de la technologie IS-95. Cette figure comporte les deux

types de canaux de trafic : canaux de signalisation et canaux de voix et de donnees. Les

canaux de signalisation supportent le flux des donnees de controle (controle de puis-

sance, controle de diffusion en rafale). Les canaux de donnees sont caracterises par le

taux de codage adopte qui determine le debit binaire de la transmission.



9600 bps 4800 bps 2400 bps 1200 bps



Bits par solt 128 256 512 1024

Tab. 3.5 – Caracteristiques du canal de trafic du lien descendant RS1 (IS-95A).

Canaux de Trafic

Voix/Données Signalisation

1Blanc et Éclat

(Blank and burst)

Obscure et Éclat(Dim and Bust)

Contrôle de puissance (lien

descendant)

1/2 1/4 1/8

Fig. 3.9 – Les canaux de trafic (IS-95).

Pour conclure, un canal du lien descendant est caracterise par les elements suivants :

– la frequence radio assignee ;

– le code PN long, associe individuellement a chaque terminal mobile.

3.3.4 La technologie IS-95B

La technologie IS-95B repose sur une architecture de canaux logiques semblable a

celle de IS-95A, en suivant toutefois un modele de fonctionnement relativement different.

En effet, IS-95B permet d’atteindre des debits de l’ordre de 115.2 kbps, grace a la

technique d’allocation de canaux multiples. Cette technique est implementee de maniere

distincte sur les liens montant et descendant [13].

Au niveau du lien montant, le terminal mobile detient le code du canal fondamental

FCC (Fundamental Channel Code) extrait de son masque de code long. La constitution

d’un tel code est decrite a la figure 3.11 a travers la construction du code du canal


Active Slot

Data304

Chips

Data160

Chips

Data304

Chips

Data304

Chips

Data160

Chips

Data304

Chips

Idle Slot

½ Slot 768 Chips½ Slot 768 Chips

Fig. 3.10 – Structure du canal SCAM de la technologie IS-95B


14400 bps 7200 bps 3600 bps 1800bps



Bits par solt 85.33 170.67 341.33 682.67

Tab. 3.6 – Caracteristiques du canal de trafic du lien descendant RS2 (IS-95B).

d’acces ainsi que celui du canal de trafic. Pour transmettre des donnees, le terminal

mobile doit le signaler a la station de base a travers un message SCRM (Supplemen-

tal Channel Request Message), en utilisant son code de canal fondamental. La station

de base consulte alors le MSC auquel elle est rattachee pour coordonner l’acces de ce

terminal mobile en plus de celui des autres terminaux actifs. Le MSC peut alors accor-

der l’acces a ce terminal mobile a travers l’envoi d’un message SCAM (Supplemental

Channel Assignement Message), dont la structure est presentee a la figure 3.10. Cette

figure illustre la structure du slot qui comporte 2 ∗ 768 chips. Ce message alloue plus de

7 codes de canaux supplementaires (en plus du code du canal fondamental). Les codes

des canaux supplementaires sont derives a partir d’un decalage sur la base du code du

canal fondamental [43].

Au niveau du lien descendant, c’est le MSC qui annonce au terminal mobile la recep-

tion de donnees, en utilisant un message SCAM (Supplemental Channel Assignment

Message). Il indique ainsi les codes des canaux a utiliser (au dela de 8) ainsi que le

code Wlash qui sera adopte pour l’envoi des donnees sur chaque canal. Dans les pe-

riodes de fortes demandes, cette technologie est en mesure d’allouer des canaux supple-

mentaires a partir d’autres stations de base. De cette facon, la technologie IS-95B est

capable d’atteindre des debits eleves tout en assurant une compatibilite complete a la

technologie IS-95A [13].



14400 bps 7200 bps 3600 bps 1800 bps



Tab. 3.7 – Caracteristiques du canal de trafic du lien montant RS2 (IS-95B).

1100011000 (10 bits ) Code ESN permuté (32 bits )

Le code du canal de trafic

ESN = (E32,E30,E29,E28,E27,E26,E25,...E2,E1,E0)ESN Permuté = (E0,E31,E22,E13,E4,E26,E17,E8,E30,E21E12,E3,E25,E16,E7,E29,E20,E11,E2,E24,E15,E6,E28,E19,E10,E1,E23,E14,E5,E27,E18,E9)

ESN est un code unique sur 32 bits affecté au terminal mobile par son constructeur .

110001111(9 bits )

Numéro du canal d’accès(5 bits )

Numéro du canal de radio recherche

(pagination )(3 bits )

Identifiant Station de Base

(16 bits )

Excentrage pilote du lien montant

(9bits )

Le code du canal d’accès

Fig. 3.11 – Le code canal (IS-95).


La migration vers IS-95B etait attractive a la fois pour les operateurs et les fournisseurs

de services qui voient dans cette operation l’occasion de developper des services a valeur

ajoutee. La critique qui peut etre portee a ce niveau d’analyse est relative aux besoins

et aux caracteristiques des services supportes. Comment peut-on assurer le service de la

voix, tout en garantissant le support des services promis par les futurs reseaux mobiles,

sachant que ces applications evoluees ont de fortes contraintes de qualite de service liees

a l’interactivite, le temps reel et les hauts debits ?

3.3.5 La technologie 1xMC

La capacite de supporter des services de voix et de donnees sur la meme porteuse

rend la technologie 1xMC particulierement rentable pour les operateurs sans fil. En effet,

la bande radio constitue une ressource rare et couteuse pour les reseaux mobiles. Grace

a cette optimisation du spectre radio, 1xMC permet aux operateurs de mieux orienter

les investissements lors de l’octroi des licences radio, de la selection des infrastructures

radio et reseau, pour un meilleur deploiement.

Cette technologie peut etre deployee dans tout le spectre cellulaire et de PCS : 450

Mhz, 800 Mhz, 1700 Mhz, 1900 Mhz et 2100 Mhz. Elle peut egalement etre mise en

application dans d’autres frequences telles que 900 Mhz, 1800 Mhz et 2100 Mhz. Son

efficacite spectrale permet de supporter efficacement des trafics eleves et diversifies en

fonction des services sollicites, sur n’importe quel canal de 1, 25 Mhz de spectre [43].

Les reseaux 1xMC, jusqu’a la phase de specification 1, offrent un debit maximal de

153, 6 kbps [43]. Cette technologie d’acces soutient 35 canaux de trafic par secteur par

frequence radio (FR) (26 Erlangs/secteur/FR) [43]. L’amelioration de la capacite du

lien descendant est attribuee a des taux de codage faibles de l’ordre de (1/4), et a une

diversite de transmission [43].

La technologie 1xMC ameliore de maniere significative la gestion de l’energie et la duree

de vie de la charge des batteries. Dans les paragraphes suivants, nous presentons les

aspects de synchronisation ainsi que la structure radio de la couche physique de la tech-

nologie 1xMC. Le concept de synchronisation au sein des reseaux mobiles comportent

des avantages qui sont :

– La reference commune du temps ameliore l’acquisition des canaux et des proce-

dures de releve puisqu’il n’y a aucune ambiguıte de temps en recherchant ou en

integrant une nouvelle cellule dans le reseau ;

– Elle permet egalement au systeme d’exploiter certains canaux communs pour as-

surer une releve transparente (soft handoff ) qui ameliore l’efficacite du reseau. La


transmission est synchronisee a travers un processus appele Universal Coordi-

nated Time (UCT). La synchronisation de la transmission sur le lien descendant

de toutes les stations de base est faite durant quelques micro-secondes. Elle peut

etre realisee par plusieurs techniques comprenant la synchronisation individuelle,

la signalisation par radio recherche, ou par les systemes satellitaires tels que le

GPS, GALILEE, ou le GLONASS [13].

La structure du canal de trafic du lien descendant de la technologie 1xMC peut inclure

plusieurs canaux physiques [35] :

– Le canal fondamental F-FCH (Fundamental Channel) est equivalent au canal de

trafic de la technologie IS-95. Ce canal permet de supporter des signaux de voix,

de donnees et de signalisation dans l’intervalle de debit binaire [750 bps a 14, 4

kbps] ;

– Le canal supplementaire (Supplemental Channel F-SCH) supporte des services de

donnees a haut debit. Le reseau peut ainsi ordonnancer une transmission orientee

paquet sur le canal F-SCH ;

– Le canal de controle dedie (Dedicated Control Channel F-dcch) est utilise pour la

signalisation ou encore pour les sessions de trafic en rafales.

Le SCH (Supplemental Channel) a l’avantage de regler le schema de modulation, de

codage et de controle de puissance, en fonction des conditions de transmission du lien

radio. Ceci permet a un canal supplementaire SCH d’offrir un debit jusqu’a 16 fois

plus eleve que celui d’un canal fondamental FCH (Fundamental Channel), de l’ordre

de 153.6 kbps a 307.2 kbps pour les revisions 0 et A [43].

3.3.6 La technologie 1xEV-DV

L’elaboration des specifications de la technologie1xEV-DV a ete etabli en deux re-

visions : Revision C et Revision D. Alors que la Revision C a mis les bases de la

technologie dans sa version initiale, la Revision D a apporte des ameliorations du de-

bit offert sur le lien montant. La figure 3.12 illustre le cheminement chronologique de

l’elaboration de la technologie.

La technologie 1xEV-DV a incorpore une serie d’elements qui, une fois combines, per-

mettent d’augmenter le debit offert pour atteindre un maximum theorique de 3.1 Mbps

et une moyenne par secteur de plus de 1 Mbps. Ces elements incluent d’abord des

techniques telles que : le codage et la modulation adaptatifs (AMC : Adaptive Modu-

lation and Coding) et le controle d’erreur par reponse automatique hybride (H-ARQ :

Hybrid-Automatic Repeat reQuest). En effet, la technologie 1xEV-DV a defini, en plus

de ces techniques adoptees, un nouveau canal de trafic supplementaire appele F-PDCH

(Forward Packet Data CHannel), supportant aussi bien un multiplexage a division de


2001 200301/01/2002

avril 2002Rédaction des

spécifications REV C

janvier 2003Approbation du IOS pour

IS2000 REV C

octobre 2001Choix du Framework

pour 1xEV-DV (IS2000 REV C)

juillet 02Approbation de IS2000 REV C

pour publication

octobre 2002Format de base de IOS pour supporter REV C

août 2002Approbation de ITU de IS2000 REV C

Comme un standard 3G

Fig. 3.12 – Planification du projet de specification de la technologie 1xEV-DV.

temps TDM que celui a division de codes CDM . Les details des structures des canaux

logiques de la technologie 1xEV-DV sur les liens montant et descendant sont presentes

aux figures 3.13 et 3.14 [5]. Ces figurent illustrent les canaux qui ont ete ajoutes grace

a la revision D sur les liens montant et descendant. Ainsi, l’interface radio de 1xEV-DV

supporte a la fois les services de voix et de donnees qui partagent en mode concurrentiel

des canaux de 1.25Mhz du lien radio.

De plus, cette technologie d’acces offre une flexibilite quant aux techniques de multi-

plexage en alternant le TDM et le CDM selon les contraintes de qualite de service. En

effet, la technique TDM est adoptee dans un contexte du meilleur effort (Best Effort),

tel que le service FTP (File Transfert Protocol), alors que la technique CDM est adop-

tee pour des services plus contraignants en terme de qualite de service tels que le WAP

(Wireless Application Protocol), V oIP (Voice over Internet Protocol) et la lecture des

fichiers multimedia.


Reverse CDMA ChannelFor spreading rates 1 and 2 (SR1 and SR3)

AccessChannel

ReverseTraffic channel

(RC 1 or 2)

Enhanced access channel operation

Reverse common control channel

operation

Reverse traffic channel operation

(RC 3 or 6)

Reverse traffic channel operation

(RC 7)

Reverse fundamental channel

Reverse supplemental code channel

Reverse pilot channel

Enhanced accesschannel


Reverse commonControl channel


Reverse dedicatedControl channel

Reverse fundamental channel

Reverse supplementalchannel

Reverse power control subchannel

Reverse channel quality indicator

channelReverse

acknowledgementchannels


Reverse secondary pilot

channel

Reverse packet data channel

Reverse packet data control

channel

Reverse request channel

Reverse power dontrol subchannel

Reverse channel quality indicator

channelReverse

acknowledgementchannel

Revision C

Revision D

Fig. 3.13 – Structure du lien montant (1xEV-DV).

Forward CDMA ChannelFor spreading rates 1 and 3

(SR1 and SR3)

Revision C

Revision D

Common assignement

channels

Forward indicator conrtrol

channels

Forward acknowl- dgement channel (SR1)

Forward grant

channels (SR1)

Pilot channels

Forward common control

channels

Sync channels

Traffic channels

Broadcast control

channels

Paging channels

(SR1)

Quick paging

channels

Forward packet data

control channels

(SR1)

Forward pilot

channel

Forward pilot

channel

Transmit diversity

pilot channel

Forward packet data channels (SR1, RC 10)

Forward dedicated control channels

(RC 3-5)

Forward fundamental

channels (RC 1-9)

Power control

subchannels

Forward supplemental

code channels (RC

1-2)

Forward supplemental channels (RC

3-9)

Auxiliary transmit diversity

pilot channels

Auxiliary pilot

channels

Transmit diversity

pilot channel

Fig. 3.14 – Structure du lien descendant (1xEV-DV).

Chapitre 4

La future technologie 1xEV-DO :

analyse et performances

La technologie 1xEV-DO (Evolution Data Only), connue aussi sous le nom de HDR

(High Data Rate), constitue une version evoluee du standard CDMA2000 et plus preci-

sement de sa variante 1xRTT (Single carrier 1x Radio Transmission Technology) [45].

La technologie 1xEV-DO est fondee sur les memes caracteristiques de base de la couche

physique des standards cdmaOne, ce qui fait d’elle une version completement compatible

avec les standards anterieurs des systemes a base d’etalement de spectre. Cette methode

d’acces radio se distingue par ses deux modes inter-operables de fonctionnement :

– Un mode 1x integre et optimise pour la voix et le trafic de donnees a debit modere ;

– Un mode 1xEV optimise pour l’acces Internet et le trafic de donnees a haut debit.

Dans ce chapitre, nous commencons par etudier les caracteristiques radio (structure des

canaux) et techniques (codage et modulation adaptatifs et correction d’erreur) de la

methode d’acces 1xEV-DO. Ensuite nous presentons notre methodologie d’evaluation de

performance des techniques d’acces a base d’etalement de spectre. L’implementation de

notre methodologie se base sur la technologie 1xEV-DO afin d’analyser sa performance.

Les resultats obtenus suite a nos simulations sont alors interpretes.

4.1 Interface radio

L’interface radio de la technologie 1xEV-DO est planifiee pour optimiser la gestion

du trafic. Son efficacite spectrale est justifiee par le debit binaire supporte sur la meme

largeur de bande (1.25 Mhz), tel que illustre au tableau 4.3. Afin de pouvoir traiter les

Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 55

ReverseActivity

1 XEV - DO

Forward Reverse

PilotMediumAccessControl

Traffic Control

ReversePowerControl

Traffic

Data Ack

Access

PilotMediumAccessControl

Pilot Data

ReverseData

Indicator

DataRate

Control

Fig. 4.1 – Structure des canaux (1xEV-DO).

deux types de trafic (la voix et les donnees), une structure de canaux est mise en place

afin d’optimiser le support de ces trafics. Nous presentons ainsi cette structure succinc-

tement sur les liens descendant et montant en mettant l’accent sur chaque composante

et la fonctionnalite qu’elle remplit [5].

4.1.1 Structure des canaux

La communication entre un terminal mobile et une station de base est assuree par

des canaux physiques et logiques. Ces canaux sont en mesure de vehiculer des donnees

utiles ou des informations de controle. Une agregation de l’ensemble de ces canaux est

communement appelee canaux CDMA. Ces canaux sont regroupes en des canaux de

lien montant et d’autres de lien descendant comme l’illustre la figure 4.1. Afin de mieux

analyser les performances offertes par la methode d’acces 1xEV-DO, il est imperatif

d’etudier les caracteristiques de la couche physique de cette technologie a travers les

structures des liens montant et descendant [23].

Les canaux du lien descendant contiennent un ou plusieurs canaux d’etalement de

spectre appeles code channels qui sont codes avec un pilot offset [35]. Ces canaux pi-

lote permettent a une ou plusieurs stations mobiles de communiquer simultanement

avec la meme station de base a travers une allocation commune, partagee ou dediee.

L’usage de cette ressource radio est diversifie au niveau de la technologie 1xEV-DO. En


effet, un groupe de canaux pilote sert a l’allocation des canaux de trafic aux stations

mobiles. Cette allocation specifie le nombre de ces canaux, la phase du signal radio

pour le processus de demodulation et identifie les criteres d’evaluation de la qualite de

transmission. Lors d’une transmission radio quatre canaux pilote sont disponibles :

– Le canal F-PICH (Forward Pilot Channel) est omnipresent pour toute connexion

au systeme ;

– Le canal F-TDPICH (Forward Transmission Diversity Pilot Channel) est alloue

si la diversite de transmission est presente ;

– Les deux autres canaux pilote supplementaires F-APICH (Forward Auxiliary Pilot

Channel) et F-ATD-PICH (Auxiliary Transmit Diversity Pilot Channels) sont

dedies aux antennes intelligentes (Smart Antenna).

Les canaux communs incluent aussi le canal F-SYNCH (Forward Synchronization Chan-

nel) qui est utilise par le terminal mobile pour acquerir les informations systemes et

un groupe de canaux de diffusion et de radio recherche d’information de controle. Ce

groupe comporte aussi bien le canal F-PCH (Forward Paging Channel) qui assure la

compatibilite avec la structure de canaux des systemes IS-95 du standard cdmaOne,

que les canaux F-BCCH (Forward Broadcast Control Channel) et F-CCCH (Forward

Common Control Channel) qui remplissent la meme fonction de radio recherche (pagi-

nation). La structure du lien descendant est illustree a la figure 4.2. Ainsi la station de

base transmet le signal radio a travers de multiples canaux communs et d’autres dedies

pour les usagers de sa zone de couverture. Il faut noter que les canaux fondamentaux

(F-FCHs) sont dedies pour le support de la voix alors que les canaux supplementaires

(F-SCHs) sont reserves au transfert de donnees [1]. La technologie 1xEV-DO alloue a

chaque abonne un canal de trafic compose des canaux suivants :

– 1 Forward Fundamental Channel (F-FCH) ;

– 0-7 Forward Supplemental Code Channels (F-SCHs) pour RC1 et RC2 comme

decrit dans la section 3.2.4 ;

– 0-2 Forward Supplemental Code Channels (F-SCHs) pour RC3 et RC9 comme

decrit dans la section 3.2.4.

Par analogie a la diffusion de la station de base du signal radio, les terminaux mo-

biles transmettent leurs signaux respectifs vers la station de base. La transmission de

chaque terminal mobile est identifiee par un code unique d’etalement de spectre. Cette

distinction permet a la station de base d’interagir, sans confusion, avec l’ensemble des

terminaux mobiles qui se trouvent dans sa zone de couverture.

La technologie 1xEV-DO garantit une gestion efficace de la puissance de transmission.

Le terminal mobile communique a la station de base les debits qu’il est en mesure de

supporter en fonction de sa condition de reception. Cette capacite de controler le debit

permet aux points d’acces de diffuser en permanence avec un maximum de puissance et

assure ainsi des debits importants pour les usagers qui disposent des meilleures condi-


Forward Channels

Common Assignement Channels

Common Power Control Channels

Common Control Channels

Pilot Channels

Synch Channel

Traffic Channels

Broadcast Control Channels

Paging Channels

Quick Paging Channels

Packet Data Control Channels

Pilot Channel

Transmit DiversityPilot Channel

Auxiliary Pilot Channel

Auxiliary Transmit Diversity Pilot Channels

Packet Data Channels

Dedicated Control Channels

Fundamental Channel

Power Control Subchannel

Supplemental Channels

Fig. 4.2 – Structure des canaux du lien descendant de la technologie 1xEV-DO.

Reverse Channels

Access Channel

Enhanced Access Channel operation

Reverse Common Control Channel Operation

Reverse Traffic Channel

Operation

R - PICH

R - EACH

R - PICH

R - CCCH

R - PICH

0 or & R - DCCH

0 or & R - FCH

0 or & R - SCH

0 or & R - PCSCH

0 or & R - ACKCH

0 or & R - CQICH

Fig. 4.3 – Structure des canaux du lien montant de la technologie 1xEV-DO.


tions de reception. La definition des attributs de la transmission sur les liens montant et

descendant est etablie conjointement entre le point d’acces (station de base) et le termi-

nal d’acces (terminal mobile). Le terminal mobile mesure la puissance du canal pilote, et

a travers un processus continu, il ajuste le debit en fonction des conditions de ce canal.

En effet, le terminal mobile evalue la qualite du signal percu a travers l’indice (Ec/Io).

Cet indice reflete la condition de transmission ainsi que sa qualite. Le terminal analyse

en plus, les contraintes en terme de qualite de service (QoS), et plus particulierement,

le debit binaire exige par le service sollicite par l’utilisateur. L’evaluation de l’indice

(Ec/Io) combinee a la qualite de service exigee definit le taux de codage, necessaire au

terminal mobile, pour supporter le service dans ces conditions de transmission. Ce taux

de codage, tel que presente aux tableaux 3.1 et 3.2, est alors achemine a la station de

base a travers le canal RDI (Reverse Data Indicator). La station de base, en fonction

des ressources radio dont elle dispose, s’assure de satisfaire le taux de codage exige par

le terminal mobile et la reponse est vehiculee sous forme d’information de controle sur

le canal DRC (Data Rate Control) [1]. La structure des canaux du lien montant est

illustree a la figure 4.3.

4.1.2 Modulation et codage adaptifs (AMC)

Le flux de donnees echange dans un systeme mobile ne differe en rien de celui d’In-

ternet. La reception et l’envoi des donnees sont toujours disproportionnes. C’est pour

quoi l’attention est portee beaucoup plus au debit du lien descendant qu’a celui du lien

montant. L’integration de nouvelles techniques de codage et de modulation 2.4.3, pour

une gestion plus efficace des ressources radio en fonction des conditions de transmission,

ont permis a la technologie 1xEV-DO d’offrir des debits binaires exemplaires sur le lien

descendant mais aussi sur le lien montant malgre la limite du controle de puissance im-

posee aux terminaux mobiles [7]. La particularite de 1xEV-DO est le changement des

schemas de codage et de modulation pour permettre la transmission de donnees avec des

donnees au-dela de 2.5 Mbps. Cette technologie dispose aussi d’une structure de canaux

de trafic de donnees et de controle evoluee, ce qui lui permet de supporter aussi bien

les transmissions en rafale (brust) que les transmissions en mode continu des donnees.

La caracteristique des transmissions a travers le lien radio est le manque de fiabilite.

Les conditions de transmission fluctuent en fonction des obstacles et des perturbations

observes. Dans un cas favorable, presentant de bonnes conditions de transmission, un

taux de codage relativement grand (R = 1/3) et un schema de modulation a grande

constellation (16-QAM ) sont adoptes. Les classes des taux de codages (au nombre de

13, de 0 a 12) sont indiquees au niveau des specifications de la revision 0 de la techno-

logie 1xEV-DO. Pour chaque classe, le debit binaire offert, le nombre de slots utilisees,

le nombre de bits par trame (BpP : Bits per Packet), le taux de codage et le schema


de modulation sont attribues. Les tableaux 4.1 et 4.2 presentent les differentes classes

de taux de codage. Le terminal mobile assure le choix de la classe de taux de codage

a adopter en fonction de son evaluation de la condition de transmission. La compatibi-

lite de l’architecture systeme de la technologie 1xEV-DO avec les standards anterieurs

de la famille cdmaOne, fait d’elle une alternative solide sur le marche, qui permet de

conjuguer des atouts tels que l’evolution technologique, l’optimisation de la capacite du

reseau et le cout effectif de deploiement [31].

La technologie 1xEV-DO profite de la puissance des aspects de codage parallele et de

decodage turbo. Puisque les Trames utilisees au sein de cette technologie sont plus

larges que celles du standard IS-95 et 1xMC, les taux de codage (R = 1/4 et 1/2) sont

utilises sur le lien montant et les taux de codage (R = 1/5 et 1/3) sont utilises sur le

lien descendant comme decrit dans la section 3.2.4 [38].

Debit(kbps) Modulation Type Bits per Packet Code Rate Slots

38.4 QPSK 1024 1/5 16

76.8 QPSK 1024 1/5 8

153.6 QPSK 1024 1/5 4

307.2 QPSK 1024 1/3 2

614.4 QPSK 2048 1/3 4

614.4 QPSK 1024 1/3 1

921.6 8PSK 2048 1/3 2

921.6 QPSK 2048 1/5 2

1228.8 16QAM 4096 1/3 1

1228.8 8PSK 3072 1/5 2

2457.6 16QAM 4096 1/5 1

Tab. 4.1 – Caracteristiques du lien descendant de la technologie 1xEV-DO.

Physical Layer Parameters

Data Rates (kbps) 9.6 19.6 38.4 76.8 153.6

Modulation Type BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK

Bit per Packet 256 512 1024 2048 4096

Code Rate 1/4 1/4 1/4 1/4 1/2

Number of Slots 16 16 16 16 16

Tab. 4.2 – Caracteristiques du lien montant de la technologie 1xEV-DO.


Lien Debit

Lien Descendant 2.457Mbps/secteur

Lien Montant 153.6Kbps/secteur

Tab. 4.3 – Le debit en pic de la technologie 1xEV-DO

4.1.3 Algorithmes d’ordonnancement

L’algorithme Ordonnanceur a equite proportionnelle adopte une notion differente

de l’equite connue sous le nom d’equite proportionnelle. L’algorithme proportionnel

d’equite Proportional Fair Algorithm optimise le debit offert aux usagers mobiles, qui

disposent des meilleures conditions de transmission. L’algorithme employe par l’ordon-

nanceur a equite proportionnelle, tire profit du debit binaire variable et du 1.67 ms

de temps de transmission (Largeur d’un slot) qu’offre 1xEV-DO. L’algorithme main-

tient une diffusion sur le lien radio conditionnee par les taux supportes. Ces taux qui

traduisent la qualite du signal du canal pilote recu, sont communiques par le terminal

mobile. Evitant de continuer une transmission avec les memes parametres si les condi-

tions se degradent. Grace a l’algorithme d’ordonnancement, une meilleure gestion des

ressources et une adaptation aux conditions de transmission sont alors garanties pour

assurer l’optimisation de l’efficacite spectrale [19]. Les usagers presentant les meilleures

conditions de transmission radio sont alors favorises tout en preservant le phenomene de

famine (l’algorithme garantit l’allocation de temps de transmission moins avantageux

aux usagers qui presentent une qualite degradee de transmission radio). La figure 4.4

resume la gestion des parametres de transmission et des priorites a travers une compa-

raison entre la capacite qu’offre cet algorithme par rapport a celle de l’algorithme PFS

(Proportional Fair Scheduler).

4.1.4 Demande de retransmission automatique Hybride (H-

ARQ)

Parmi les methodes de controle et de correction d’erreur sur un lien radio lors d’une

transmission de donnees, on peut citer : d’abord le FEC ( Forward Error Correction),

ensuite, de la demande de retransmission automatique ARQ : Automatic Repeat Re-

quest. Finalement, la combinaison de ces deux techniques designee par H-ARQ : Hybrid

Automatic Repeat Request. Dans ARQ et HARQ, la presence des erreurs est verifiee

grace a l’adoption d’un code de detection d’erreur Error Detecting Code. Dans le cas

de l’ARQ, lors de la detection des erreurs, une demande de retransmission ou un ac-

quittement negatif Negative Acknowledgment (NAck) est renvoyee a l’emetteur. Dans


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

38,4 76,8 153,6 307,2 614,4 921,6 1229 1843 2458

Débit (kbps)

Pro

bab

ilité

Equal Time Round Robin Scheduler

Proportional Fair Scheduler

Fig. 4.4 – Performance des algorithmes d’ordonnancement de la technologie 1xEV-DO.

le type H-ARQ, un NAck implique une demande des bits de controle de parite Error

Correction Parity Bits pour la correction d’erreurs. Un preambule de parite, nomme

CRC (Cyclic Redundancy Code) sur une taille de 16 bits, est alors ajoute aux trames

de donnees, bien que des preambules de 24 ou 32 bits sont parfois exiges, pour garantir

la qualite necessaire de certains services. Cette technique hybride, illustree a travers

l’exemple de la figure 4.5, assure une gestion optimale du controle et de la correction

d’erreur de la technologie [27] [44].

Taille Trame(bit) Preambule(chips) Donnee(chips) Efficacite Spectrale(bit/chip)

1024 1024 24576 1/24

1024 512 12288 1/12

1024 256 6144 1/6

1024 128 3072 1/3

2048 128 6272 16/49

1024 64 1536 2/3

2048 64 3136 32/49

3072 64 3136 48/49

2048 64 1536 4/3

4096 64 3136 64/49

3072 64 1536 2

4096 64 1536 8/3

Tab. 4.4 – Efficacite spectrale de la technologie (1xEV-DO).

Le flux de donnees echange dans un systeme mobile ne differe en rien de celui d’Inter-

net. La reception et l’envoi des donnees sont toujours disproportionnes. C’est la raison


Transmit slot 1

Transmit slot 1

Transmit slot 3

Transmit slot 2

n n +1 n +2 n +3 n +4 n +5 n +6 n +7 n +8 n +9 n +10 n +11 n +12

First slot for the Next Physical layer Packet

Transmission

Forward Traffic ChannelPhysical Layer Packet

Transmission with 153.6 kbps

DRC ChannelTransmission

requesting 153.6 kbps

Half Slot Offset

NAK NAK ACKOne Slot

DRCRequest for 153.6 kbps

ACK Channel

Half SlotTransmission

ACK : AcknowledgmentARQ : Automatic Request ControlDRC : Data Rate ControlNAK : Negative acknowledgment

Fig. 4.5 – La correction d’erreur H-ARQ au niveau du lien descendant de 1xEV-DO.

pour laquelle l’attention est portee beaucoup plus au debit du lien descendant qu’a

celui du lien montant. L’integration de nouvelles techniques de codage 2.4.3 et d’al-

gorithme d’ordonnancement pour une gestion plus efficace des ressources ont permis

a la technologie d’offrir des debits de donnees exemplaires sur le lien descendant mais

aussi sur le lien montant malgre la limite du controle de puissance imposee aux termi-

naux mobiles [44]. La technologie se presente comme une evolution des standards IS-95

et 1xMC qui ont deja introduit le concept d’offrir le transfert de donnees en plus de

la voix. Par contre, avec son canal partage sur le lien descendant, la technologie offre

des debits nettement plus importants profitant des techniques de codage 2.4.4 et d’al-

gorithme d’ordonnancement 4.1.3 qui garantissent de meilleures capacites reseau. Une

multitude de techniques de modulation (sur le lien descendant) assurent la diversite des

debits qui peuvent etre offerts a l’usager en fonction de la qualite du lien percu comme

l’illustrent les tableaux 4.1 et 4.2. Cette adaptation du debit aux conditions de trans-

mission vient appuyer l’efficacite spectrale et l’optimisation de la gestion des ressources.

Finalement, la technologie 1xEV-DO se positionne comme une alternative potentielle

pour prendre la releve des standards IS-95 et 1xMC, et meme si cette methode d’acces

fait partie de la famille cdma2000 qui est supposee repondre aux attentes de l’ITU

des systemes 3G, 1xEV-DO avec les performances qu’elle affiche, depasse largement les

objectifs techniques definis au depart pour de pareils systemes.


4.2 Methodologie suivie

L’evaluation de la performance des reseaux de prochaines generations constitue un

defi scientifique a forte repercussion economique. En effet, l’evaluation des capacites et

des limites d’un systeme de communication permet de mieux orienter les choix tech-

nologiques et strategiques des operateurs telephoniques et des fournisseurs de services.

Une evaluation des performances d’un reseau mobile passe obligatoirement par l’eva-

luation des performances de la technologie d’acces sur laquelle il est fonde. Dans le

cadre de ce memoire, nous nous interessons a l’etude des systemes mobiles bases sur la

technique d’etalement de spectre CDMA, et plus precisement la technologie 1xEV-DO.

Nous presenterons au depart la complexite du processus d’evaluation de performance

dans les reseaux mobiles. Ensuite, nous definirons notre methodologie d’evaluation des

performances de la methode d’acces 1xEV-DO qui est le fruit de l’analyse et des stan-

dards cdmaOne et cdma2000 faite au chapitre 4 et que nous finirons par l’implementer

en adoptant l’outil AtollTM

.

La performance d’un reseau mobile a toujours ete traduite par des mesures prelevees

sur le terrain et qui refletent aussi bien les capacites assurees que les limites observees

en phase d’exploitation. L’interpretation de ces resultats permet d’ajuster le systeme

et d’asservir son comportement a travers des interventions sur le systeme deja en place

en vue d’ameliorer ses performances. Ces interventions sont souvent decidees en te-

nant compte des contraintes de conception et de planification d’origine du systeme. Ces

contraintes limitent l’efficacite de ces contre-mesures en vue d’atteindre l’objectif de de-

part, a savoir ameliorer les performances du systeme de communication. L’idee consiste

alors a elaborer une approche qui soit capable de simuler le comportement d’un reseau

mobile a partir d’un ensemble de modeles. Ces modeles refletent d’une maniere plausible

les conditions reelles d’exploitation en vue de rapprocher les resultats degages grace a

ce processus de simulations aux valeurs mesurees par la suite sur le terrain.

Notre methodologie d’evaluation des performances de la methode d’acces 1xEV-DO

s’appuie d’abord sur une configuration de base qui est composee de :

– Specification des parametres radio ;

– Specification des donnees geographiques ;

Ensuite un groupe de modeles qui traduit le caractere dynamique de l’exploitation d’un

systeme de communication est determine a travers les elements suivants :

– Modelisation du trafic de communication ;

– Modelisation du profil utilisateur ;

– Modelisation de la mobilite ;

– Modelisation des services offerts ;


– Modelisation des terminaux mobiles ;

Finalement, l’implementation de cette methodologie passe par l’utilisation de l’outil de

simulation radio AtollTM

. Cet outil est capable de simuler un contexte d’exploitation

du reseau 1xEV-DO ainsi defini proche de la realite. Nous dressons alors la liste des

etapes suivantes :

– Definition des scenarios de simulation ;

– Execution des scenarios de simulation ;

– Interpretation et analyse des resultats degages.

Afin de mieux etaler notre approche, nous commencons par definir la configuration de

base de notre methodologie.

4.3 Definition des parametres

4.3.1 Configuration de base

La configuration de base de notre methodologie consiste en un ensemble de donnees

fondamentales pour definir les composantes du systeme mobile 1xEV-DO. On peut dis-

tinguer deux groupes de donnees : les donnees radio et les donnees geographiques. Les

donnees radio comportent la description des equipements qui vont constituer le systeme

mobile. Ces equipements sont constitues de sites, d’antennes, de transmetteurs et de

secteurs. Le site presente le support sur lequel sera monte les transmetteurs. Il est ca-

racterise par une position geographique specifique comme le montre le tableau 4.5. Le

tableau presente les positions geographiques (x et y), l’altitude du site ainsi que l’equi-

pement qu’il supporte. L’antenne est un equipement qui permet la diffusion de l’onde

radio. L’ensemble de ces caracteristiques techniques est disponible au tableau 4.6. Ce

tableau illustre les caracteristiques de la diffusion de l’onde radio a partir de l’antenne.

Cette propagation est dictee par les deux patrons de propagation horizontal et vertical.

Les transmetteurs constituent une technique de couverture radio basee sur le concept de

sectorisation et qui caracterise les futurs systemes mobiles. Ainsi, au niveau du site, on

implante un groupe de transmetteurs qui permettent de faire la couverture requise. Seul

l’angle de couverture de l’antenne et l’angle d’ouverture de la zone a couvrir permettent

de determiner le nombre requis de transmetteurs par site. Dans notre methodologie, le

choix est fixe a une triple sectorisation de 120 pour garantir une couverture optimale

par site de 360 . Le tableau 4.7 illustre les parametres de definition des transmetteurs.

D’apres ce tableau, un transmetteur est caracterise d’abord par les pertes dues a la

transmission et a la reception du signal radio, ensuite par son rayon de propagation et

de couverture radio, sa position angulaire dans l’espace et finalement par son modele


de propagation. Le tableau 4.8 presente les parametres definissant un secteur. Ces pa-

rametres sont constitues d’abord de la puissance maximale de diffusion ainsi que des

puissances des canaux d’en-tete (pilote, radio recherche et synchronisation), ensuite des

facteurs de charges supportees sur les liens montant et descendant.

Parametre Description

Equipement Constructeur ou manufacturier

Position (x) Coordonnees geographiques

Position (y) Coordonnees geographiques

Altitude (m) Hauteur par rapport au sol

Tab. 4.5 – Donnees de configuration d’un site.


Equipement Constructeur ou manufacturier

Patron horizontal Propagation horizontale du signal

Patron vertical Propagation verticale du signal

Angle ( ) Angle de couverture

Tab. 4.6 – Donnees de configuration d’une antenne.


Antenne Equipement de base

Pertes de transmission (dBm) Pertes de puissance

Pertes de reception (dBm) Pertes de puissance

Bruits divers (dBm) pertes dues au bruit

Rayon de calcul propagation (m) Angle de couverture

Modele de propagation Modele formel de propagation

Position angulaire ( ) -

Tab. 4.7 – Donnees de configuration d’un transmetteur.

Dans la perspective d’une simulation qui se veut proche de la realite, notre methodologie

integre l’aspect geographique a travers des donnees qui permettent de definir la zone

geographique sur laquelle va s’implanter le systeme mobile. Cette zone geographique est

representee par une carte geographique de modele numerique de terrain (DTM : Digital

Terrain Model) qui encapsule de l’information sur 16 bits/pixel comme presente a la

figure 4.6. Au niveau de cette zone geographique ainsi definie, on peut restreindre notre

etude sur une section particuliere qui correspondrait par exemple a une zone urbaine

dense. Cette zone restreinte, appelee zone de calcul, utilise la meme metrique qu’une

zone geographique. Cette metrique peut etre exprimee en coordonnees cartographiques

(abscisse, ordonnee) ou encore geographiques (latitude, longitude). La figure 4.7 presente

un exemple de zone de calcul au sein d’une zone geographique.


Fig. 4.6 – Carte DTM de la ville de Nice (France).

Fig. 4.7 – Zone de calcul de la ville de Nice (France).



Transmetteur Equipement de base

Puissance maximale (dBm) Puissance de diffusion

Puissance Pilote(dBm) Puissance du canal pilote

Puissance Radio recherche (dBm) Puissance du canal radio recherche

Puissance synchronisation (dBm) Puissance du canal synchronisation

Facteur de charge UL (%) Charge supportee par le lien montant

Facteur de charge DL (%) Charge supportee par le lien descendant

Tab. 4.8 – Donnees de configuration d’un secteur.

4.3.2 Definition des Modeles

La reconstitution du contexte reel de l’exploitation d’un systeme mobile passe par

un ensemble de modeles qui sont :

– Modele de mobilite ;

– Modele de terminaux mobiles ;

– Modele de services ;

– Modele utilisateur ;

– Modele de trafic.

La mobilite des usagers lors de la communication decoule directement de la definition

meme des reseaux mobiles. Ainsi, la representation de cette donnee est fondamentale

pour distinguer les usagers en fonction de leur vitesse de deplacement. Le debit que

peut supporter un terminal mobile en mouvement decroıt en fonction de la vitesse. Le

concept active-set est une caracteristique qui permet de definir l’ensemble des stations

de base auxquelles le terminal d’un usager mobile peut etre connecte a un instant donne.

En effet, le terminal etablit une connexion principale avec la station de base en charge

de couvrir la zone ou se trouve l’utilisateur. Cependant, d’autres connexions secondaires

alternatives sont etablies. Grace a l’active-set, des connexions presentant une meilleure

qualite de signal s’offrent au terminal mobile dans le cas ou la qualite du signal en cours

se degrade lors du deplacement de l’usager. Les criteres qui regissent la constitution de

l’actif-set sont relatifs a l’indice de qualite de signal (Ec/Io). Le tableau 4.9 illustre la

definition du modele de mobilite.

Les usagers des futurs systemes mobiles seront dotes d’equipements dedies pour sup-

porter les services et les applications offertes. La representation des terminaux mobiles

a travers un modele propre au sein de notre methodologie est justifiee par le role actif

que joue un terminal dans l’analyse de la qualite du signal percu. Ce modele, a travers

les parametres relatifs aux pertes et aux puissances minimales et maximales suppor-

tees, permet aussi de definir le schema de codage et de modulation (AMC) a adopter



Ec/Io-Supp (dB) Indice min pour quitter un active-set

Ec/Io-Ajout (dB) Indice min pour integrer un active-set

Ec/Io (dB) Puissance de diffusion

C/I requis = f(debit) Puissance du canal pilote

Vitesse Vitesse de deplacement

Tab. 4.9 – Definition des parametres de mobilite.

pour une transmission optimale. Le tableau 4.10 presente les donnees qui identifient le

modele de terminaux mobiles.


Pertes totales (dBm) Pertes dues aux bruits et interferences

Puissance max (dBm) Puissance maximale de diffusion

Puissance min (dBm) Puissance minimale de diffusion

Tab. 4.10 – Definition du modele des terminaux mobiles.

Les futurs reseaux mobiles seront amenes a offrir une panoplie de services evolues bases

sur le concept de transfert de donnees. La modelisation de ces services permet de simuler

le comportement du reseau par rapport a leurs exigences en terme de qualite de service

(QoS). Le tableau 4.11 illustre les caracteristiques du modele de services.


Facteur de codage UL Le facteur de codage a adopter sur le lien montant

Facteur de codage DL Le facteur de codage a adopter sur le lien descendant

Priorite Priorite du service

Probabilite de garantir le debit Ponderation des debits supportes

Tab. 4.11 – Definition du modele de services.

La modelisation du profil des usagers permet de refleter une categorisation selon des

criteres sociaux ou encore economiques de la population des utilisateurs. En effet, la

distribution des usagers n’est pas uniforme dans un reseau mobile. Le modele profil

utilisateur peut refleter une classification. Les frequences d’utilisation, les durees d’ex-

ploitation ainsi que les services sollicites varient en fonction du profil de l’usager. Le

tableau 4.12 illustre la definition du modele usager.

Le modele de trafic permet de representer le flux de donnees generees par les usagers

du reseau. Ainsi, la densite d’un profil particulier d’usagers dans une zone geographique

permet de creer un flux de donnees fonde sur les divers parametres de ce profil d’usagers.

Le tableau 4.13 represente les parametres qui caracterisent le modele de trafic.



Classe de Terminal Modele du Terminal Mobile

Activation du service/Hr Frequence d’utilisation par heure

Duree (sec) Duree d’utilisation du service

Tab. 4.12 – Definition du modele usager.


Zone Zone geographique

Profil usager Classe d’usagers

Type de Mobilite Vitesse de deplacement

Densite Usager/Km2

Tab. 4.13 – Definition du modele de trafic.

4.3.3 Definition des scenarios de simulation

Un scenario est un cas d’utilisation de l’ensemble des parametres qu’on vient de

definir dans le cadre de notre methodologie d’evaluation de performance. Ce cas d’uti-

lisation vise a reconstituer une situation reelle et simuler le comportement du systeme

pour nous delivrer les resultats qui traduisent ce comportement. L’elaboration d’un

scenario passe imperativement par l’etude et l’analyse des valeurs a attribuer a chaque

parametre. Dans le cadre de nos travaux de recherches, les scenarios sont definis a par-

tir de la synthese des chapitres 2 et 3. En effet, cette synthese nous a permis tout

d’abord d’argumenter nos choix de valeurs pour chaque parametre de notre methodolo-

gie. Ensuite, elle nous a guide afin d’aboutir a nos objectifs, qui s’articulent autour de

l’evaluation de la performance de la technologie 1xEV-DO et particulierement le debit

binaire offert ainsi que ces caracteristiques.

4.4 Implementation

L’implementation de la methodologie proposee se fait a travers la creation d’un pro-

jet concret, capable de supporter les donnees de base, de representer les modeles definis

et d’iterer les scenarios de simulation en vue d’aboutir aux resultats escomptes. Afin

de reussir cette implementation, la selection de la solution adequate qui nous permet

d’atteindre nos objectifs s’impose. Le choix de l’outil AtollTM

de Forsk R© est le fruit

d’une analyse qualitative des solutions disponibles dans le domaine des reseaux mobiles.

AtollTM

est un environnement de conception, de planification et d’etude de performance

des reseaux mobiles. Elaboree autour d’une plate-forme flexible et extensible, cette solu-


tion permet de repondre aux besoins de nos travaux de recherche pour illustrer de facon

tangible les resultats obtenus grace a l’implementation de notre methodologie d’evalua-

tion de performance de la technologie 1xEV-DO. Les tableaux 4.14, 4.17 et 4.18 illustrent

la creation des scenarios a travers l’affectation des valeurs relatives aux parametres de-

finis dans notre methodologie d’evaluation de performance. Cette implementation est

basee sur une etude de la zone de Nice (France) ; elle decrit le systeme 1xEV-DO a

travers les donnees radio, geographiques ainsi que l’environnement d’exploitation qui

regroupe les donnees relatives au profil des usagers et leurs types de mobilite.

Parametre Valeurs Commentaire

Systeme de projection NTF (Paris)/ France Etendue gestion des coordonnees

Ville/Region etudiee Nice (France) zone geographique

Nombre de stations de base 42

Coordonnees des sites Nice-Sites.xls fichier de donnees

Zone de calcul Nice-Zone-Calcul.xls fichier de donnees

Tab. 4.14 – Parametres geographiques de simulation.

Service Terminal mobile usage/heure Duree (s)

Voix Terminal 1x1EV-DO 0,25 240

Acces Mobile a Internet Terminal 1x1EV-DO 0,25 150

Visiophonie Terminal 1x1EV-DO 0,25 240

Service de Messagerie Multimedia Terminal 1x1EV-DO 0,10 60

Tab. 4.15 – Profil utilisateur affaire (Business User).

Service Terminal mobile usage/heure Duree (s)

Voix Terminal 1x1EV-DO 0,25 210

Acces Mobile a Internet Terminal 1x1EV-DO 0,25 120

Service de Messagerie Multimedia Terminal 1x1EV-DO 0,10 50

Tab. 4.16 – Profil utilisateur standard (Standard User).

Le tableau 4.19 presente l’exemple d’un site avec ses coordonnees geographiques qui

identifient son emplacement. L’altitude est une donnee determinante pour le calcul de la

propagation de l’onde radio lors du processus de simulation. De facon similaire, le reste

des entites qui constituent le systeme 1xEV-DO tels que les antennes, les emetteurs

et les secteurs sont alors definis. Une illustration graphique de l’ensemble des sites,

antennes, emetteurs et secteurs implantes au sein de la zone de calcul est presentee a

la figure 4.8. Les tableaux 4.15 et 4.16 presentent les caracteristiques des deux profils

utilisateurs qui sont :

– utilisateur standard (standard user) ;

– utilisateur affaire (business user).


Environnement Profil d’usager Type de mobilite Densite (usager/km2)

Urbain dense Affaire Pieton 800

Urbain dense Standard Pieton 600

Urbain Affaire Pieton 300

Urbain Standard Pieton 400

Banlieue Affaire 50km/h 150

Banlieue Standard 50km/h 200

Rural Standard 90km/h 50

Tab. 4.17 – Parametres de l’environnement de simulation.

Service UL debit nominal DL debit nominal

Acces a Internet Mobile (MIA) 14 (kbps) 56 (kbps)

Service de Messagerie Multimedia (MMS) 64 (kbps) 196 (kbps)

Visiophonie 256 (kbps) 490 (kbps)

Tab. 4.18 – Parametres des services offerts.

Ces deux profils sont definis dans le cadre de l’implementation du modele profil utilisa-

teur de notre methodologie d’evaluation de performance. Les proprietes qui figurent au

niveau de ces tableaux demontrent la dependance du profil usager du service sollicite,

du terminal mobile requis pour ce service ainsi que de la frequence d’utilisation et de

la duree d’exploitation.

Les figures 4.9 et 4.10 illustrent les patrons de propagation horizontal et vertical du

signal radio d’une antenne. Les schemas traduisent les valeurs d’attenuation de cette

propagation sur 360 .

L’approche suivie afin d’implementer notre methodologie d’evaluation de performance

en vue d’analyser la capacite de la methode d’acces radio 1xEV-DO est decrite comme

suit. D’abord, nous avons cree un projet a partir du modele 1xEV-DO offert par l’outil

Atoll, comme le montre la figure 4.11. Ce modele offre un environnement de travail

qui correspond a cette technique d’acces. Les entites de base qui caracterisent cette

methode d’acces sont definies par des valeurs par defaut pour chaque parametre. Nous

avons ensuite procede a la creation des donnees de configuration. Nous avons alors

choisi la ville de Nice (France) et ses environs comme zone geographique, et le centre-

ville comme zone de calcul. Les figures 4.6 et 4.7 illustrent respectivement ces deux

entites.

En second lieu, nous avons defini les donnees radio a travers la creation de deux types

d’antennes dont l’illustration des patrons de diffusion (horizontal et vertical) est re-

presentee aux figures 4.9 et 4.10. La creation des emetteurs est desormais possible


Fig. 4.8 – Implementation des donnees radio.

010203040506070

Co-Polar

Fig. 4.9 – Exemple de patron de propagation horizontal d’une antenne.



Equipement Site (1xEVDO)

Position (x) 991 867

Position (y) 1 864 717

Altitude (m) 15

Tab. 4.19 – Exemple de definition d’un site.

020406080

100120

Co-Polar

Fig. 4.10 – Exemple de patron de propagation vertical d’une antenne.

puisqu’elle se base sur l’equipement qui represente le type d’antenne. La definition de

la sectorisation et l’association des emetteurs aux secteurs ainsi definis et ensuite des

secteurs aux sites. Ces etapes requierent une certaine chronologie dans le cheminement

des operations. Ceci est du a la dependance entre ces entites, comme explique a la sec-

tion 4.2. La distribution geographique des sites et l’association des emetteurs et des

secteurs qui lui sont relatifs sont effectues en nous basant sur les fichiers de donnees

definis au tableau 4.14.

L’etape suivante consistait a creer les differents modeles de notre methodologie d’eva-

luation de performance (modele de mobilite, modele utilisateur, modele de terminaux

mobiles, modele de service, modele de trafic). Cette etape est marquee par un ajuste-

ment effectue sur les modeles definis a l’origine. En effet, une adaptation imperative

de notre methodologie a ete effectuee pour reussir l’implementation de ces modeles. La

creation des scenarios de simulation est finalement faite sur la base de tous les para-

metres et les modeles que nous avons definis et implementes.

L’execution d’un scenario de simulation par l’outil Atoll consiste en la creation d’une



Antenne 120 Sector 14.5 dBi 0 Tilt

Pertes de transmission (dBm) 8

Pertes de reception (dBm) 5

Bruits divers (dBm) 7

Rayon de calcul de propagation (m) 3000

Modele de propagation Modele de Propagation Standard

Position angulaire ( ) 150

Tab. 4.20 – Exemple de definition d’un transmetteur.


Transmetteur 120 Sector 14.5 dBi 0 Tilt (1)

Puissance maximale (dBm) 70

Puissance Pilote (dBm) 30

Puissance Pagination (dBm) 17

Puissance synchronisation (dBm) 25

Facteur de charge UL (%) 75

Facteur de charge DL (%) 75

Tab. 4.21 – Exemple de definition d’un secteur.

population d’usagers qui correspond aux parametres de densite et de profil utilisateur

definis aux tableaux 4.12 4.15 et 4.16. La cardinalite de cette population ainsi que sa

distribution geographique sont assurees par l’outil de facon aleatoire pour diversifier

le comportement du systeme a analyser. L’affectation des terminaux mobiles a chaque

membre de cette population est faite en fonction du profil usager et des services requis.

La position geographique de chaque utilisateur est determinante pour caracteriser la

qualite de la connexion entre son terminal mobile et la station de base en charge de

couvrir la zone geographique ou il se trouve. La qualite du signal est alors affectee non

seulement selon la topologie du terrain de cette zone geographique ou se trouve l’usager,

mais aussi selon les exigences du service qu’il sollicite.

4.5 Resultats obtenus et analyse

Les resultats obtenus a la fin de chaque scenario de simulation comportent les va-

leurs des indices C/I et Ec/Io ainsi que le debit binaire pour chaque utilisateur. Afin

de pouvoir representer les relations entre ces indices de qualite de transmission d’une

part, et le debit offert par la technologie 1xEV-DO, nous avons adopte une procedure


Fig. 4.11 – Le modele Atoll de projet 1xEV-DO

appropriee d’analyse et d’interpretation de ces resultats. En fait, un modele de tableur

a ete defini pour dresser un etat complet de l’ensemble des resultats de tous les scena-

rios de simulation. En nous basant sur les donnees des tableaux 4.1 et 4.2, nous avons

pu grouper en sous-familles les resultats obtenus en fonction du debit binaire. Nous

avons procede a l’interpretation de ces resultats en utilisant de multiples agregations et

groupements pour viser, a chaque fois, un aspect particulier de la performance du sys-

teme 1xEV-DO simule. C’est ainsi que la creation de differents tableaux de donnees par

utilisateur, par secteur et par service a ete faite. Un groupement des resultats obtenus

par secteur et par indice (C/I et Ec/Io) nous permet d’interpreter la qualite du signal

sur les liens montant et descendant par secteur et par indice. Ce resultat caracterise

la qualite de la couverture d’une zone de service et la capacite d’assurer des ressources

radio aux utilisateurs qui s’y trouvent en fonction de la charge de trafic du systeme.Les

figures 4.12 et 4.13 montrent la qualite du signal offerte par secteur pour un systeme

1xEV-DO. Les deux formes des courbes se ressemblent et ceci est du au fait que les

systemes CDMA affichent une certaine immunite quant aux anomalies de transmission

et les perturbations qu’elle peut subir. Les indices C/I et Ec/Io ne representent que

deux elements qui caracterisent d’abord le rapport signal sur bruit, ensuite, la qualite

du signal percu. Ainsi, cette ressemblance de forme des deux courbes est justifiee par le

comportement du systeme CDMA, et en l’occurrence la technologie d’acces 1xEV-DO,

envers ces perturbations qui caracterisent le lien radio.

Au sein de l’ensemble des usagers d’un meme secteur, nous sommes en mesure d’analyser

la relation entre les debits requis par les terminaux mobiles en vue de supporter les


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

−2,42 −1,54 −1,53 −0,54 0,54 1,54 1,55 2,58 3,54 4,51 5,38

Ec/Io (dB)

Déb

it (

kbp

s)

Débit sur lien descendant (kbps)

Fig. 4.12 – Debit en fonction de l’indice Ec/Io.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

5,87 6,05 6,07 6,09 6,09 6,10 6,10 6,11 6,13 6,15 6,51

C/I (dB)

Déb

it (

kbp

s)

Débit sur lien descendant(kbps)

Fig. 4.13 – Debit en fonction de l’indice C/I.


0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1 000,00

1 200,00

1 400,00

1 600,00

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 103

Utilisateur

Rat

e (k

bp

s)

DL requested rate (kbps)DL obtained rate (kbps)

Fig. 4.14 – Debit offert en fonction du debit requis sur le lien descendant par utilisateur.

services qu’ils offrent. Lors de la simulation, les debits offerts par le systeme ne sont pas

systematiquement a la hauteur de la demande des terminaux mobiles. Cette limite de

capacite peut etre due a la charge du secteur ou encore a la qualite de couverture de la

zone ou se localise ce terminal mobile.

L’effectif des utilisateurs qui ont sollicite un service et qui n’ont pas pu beneficier du

support du systeme caracterise la probabilite de rejet du reseau mobile. Les figures 4.14

et 4.16 illustrent comment notre systeme 1xEV-DO s’est comporte pour satisfaire les

debits requis sur les liens montant et descendant. Ces figures comportent chacune deux

courbes representant a chaque fois le debit requis et le debit offert. Les statistiques des

resultats obtenus montrent que 95.3% des debits requis ont ete satisfaits completement,

2.1% ont ete satisfaits partiellement (le debit offert ne correspond pas a celui demande,

mais il permet tout de meme d’offrir le service sollicite), 2.6% des debits requis n’ont pas

pu etre satisfaits et ont cause le rejet de l’utilisateur. Le profil usager qui est suceptible

d’etre rejete est celui qui exige le plus de ressources radio et qui exige plus de contraintes

en terme de qualite de service. Cette strategie de rejet favorise la maximisation du

nombre d’usagers satisfaits par rapport aux services sollicites.

La figure 4.16 presente une moyenne faite sur les resultats des debits des liens montant

et descendant par secteur. L’analyse des systemes CDMA montre qu’a partir d’une

certaine capacite, les perturbations et les interferences affectent la performance offerte.

Ainsi, la courbe qui trace l’evolution de l’indice C/I confirme cette caracteristique des

systemes CDMA. Cette courbe resulte d’une analyse approfondie et d’agregation des

resultats obtenus par service offert (Acces mobile a internet, messagerie multimedia et


0

50

100

150

200

250

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116

Utilisateur

Déb

it (

kbp

s)

UL requested rate (kbps)

UL obtained rate (kbps)

Fig. 4.15 – Debit offert en fonction du debit requis sur le lien montant par utilisateur.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

s1 s5 s9 s13

s17

s21

s25

s29

s33

s37

s41

s45

s49

s53

s57

s61

s65

s69

s73

s77

s81

Émetteur

Déb

it m

oye

n (

kbp

s)

DL throughput (kbps)

UL throughput (kbps)

Fig. 4.16 – Debit des liens montant et descendant par secteur.


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

−3,38 −2,98 0,20 1,88 4,05 6,97 10,20 15,54

C/I (dB)

Déb

it (

kbp

s)DL Throughput (kbps)

Fig. 4.17 – Debit en fonction de l’indice C/I pour le service d’acces mobile a Internet.

visiophonie) pour degager l’evolution de ces indices en fonction du debit binaire. Les

figures 4.17, 4.18, 4.19, 4.20, 4.21 et 4.22 sont dressees a partir d’un groupement des

resultats par service. Ensuite, en fonction des paliers definis pour chaque service en

termes de debits binaires maximum et minimum comme illustre au tableau 4.18, une

moyenne des debits offerts pour chaque service est faite pour permettre de creer une

representation des debits moyens par service a la figure 4.23. L’analyse de ces resultats

nous montre l’impact des interferences et de la degradation de la qualite de service sur

le debit offert.

Apres la synthese de l’ensemble des resultats degages par l’implementation de notre

methodologie, nous realisons l’importance de l’etude des elements cles pour assurer la

performance d’une methode d’acces radio d’un systeme mobile. Ces elements se re-

sument a :

– L’etude des exigences en terme de qualite de service (QoS) des services et des

applications evoluees a offrir aux usagers (Acces mobile a internet, messagerie

multimedia et visiophonie) ;

– L’analyse de la zone de deploiement du systeme mobile pour combler les limites

que peut afficher une methode d’acces en presence d’une topologie de terrain acci-

dentee ou presentant des obstacles qui sont capables de faire degrader rapidement

la qualite de couverture et la puissance du signal offert aux usagers.

L’approche que nous avons adoptee pour permettre l’evaluation de la performance de

la methode d’acces radio 1xEV-DO, son implementation et les resultats obtenus consti-


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-0,96 1,77 2,93 3,18 4,45 5,82 6,40 7,15

Ec/Io (dB)

Déb

it (

kbp


∗

Fig. 4.18 – Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service d’acces mobile a Internet.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-0,66 3,84 7,02 10,85 14,99

C/I (dB)

Déb

it (

kbp

s)

DL Throughput (kbps)

Fig. 4.19 – Debit en fonction de l’indice C/I pour le service de messagerie multimedia.


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

−1,38 0,20 1,80 2,34 3,16

Ec/Io (dB)

Déb

it (

kbp


Fig. 4.20 – Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service de messagerie multimedia.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

−3,36 −2,95 −0,68 2,03 4,37 7,19 10,20 13,98

C/I (dB)

Déb

it (

kbp

s)

DL Throughput (kbps)

Fig. 4.21 – Debit en fonction de l’indice C/I pour le service de visiophonie.


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

−1,17 −0,74 1,39 2,12 3,36 4,78 5,40 6,14

EC/Io (dB)

Déb

it (

kbp


Fig. 4.22 – Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service de visiophonie.

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

500,00

Multimedia Messaging Service Mobile Internet Access Visiophony

Services

Déb

it (

kbp

s)

DownLink throughput (kbps)

UpLink throughput (kbps)

Fig. 4.23 – Debit moyen par service.


tuent un veritable outil d’aide a la decision pour les operateurs et les fournisseurs d’acces.

En effet, ces derniers cherchent des criteres de comparaison, des elements d’evaluation

ainsi que des arguments qui justifient le choix parmi les differentes technologies d’ac-

ces. La methode d’acces radio 1xEV-DO se positionne ainsi, et en se basant sur nos

propres resultats, comme un choix potentiel pour garantir le support des services et des

applications evoluees par les futurs reseaux mobiles.

Chapitre 5

Conclusion

Apres avoir elabore notre methodologie d’evaluation de performance de la technolo-

gie 1xEV-DO et procede a son implementation avec l’outil de simulation AtollTM

, il nous

revient maintenant de conclure. Dans cette conclusion, nous faisons d’abord la synthese

de la demarche suivie pour obtenir les resultats caracterisant les performances de la

technologie 1xEV-DO. Ensuite, nous nous arreterons sur les limitations de nos travaux

de recherche. Finalement, nous presenterons les perspectives et extensions potentielles

de tels travaux.

5.1 Synthese des resultats

Dans ce memoire, nous avons tout d’abord presente les caracteristiques des reseaux

mobiles. Ensuite, nous avons developpe une etude complete des methodes d’acces radio,

en mettant l’accent sur celles qui sont basees sur la technique d’etalement de spectre.

Par la suite, nous avons retrace le chemin d’evolution des standards de cdmaOne (IS-

95A et IS-95B) au cdma2000 (1xMC et 1xEV-DV). L’etude de cette progression nous a

permis d’analyser les changements qu’ont connus les systemes CDMA. Ces changements

touchent aussi bien la structure des canaux que les techniques de codage, de modulation

et de controle d’erreur. Cette analyse nous a aussi montre la forte dependance entre

ces techniques et les performances affichees par ces systemes, en plus de nous aider a

definir une approche qui soit en mesure d’evaluer ces performances.

L’evaluation de performance a commence par l’elaboration de notre approche qui repose

sur une etude detaillee des caracteristiques fondamentales de la technologie 1xEV-DO

Chapitre 5. Conclusion 85

comme la modulation et le codage adaptatifs (AMC : Adaptive Modulation and Co-

ding), la demande automatique de retransmission (H-ARQ : Hybrid Automatic Repeat

reQuest) et les algorithmes d’ordonnancement (Scheduling Algorithm). Cette metho-

dologie s’articule autour d’une configuration de base comportant les donnees geogra-

phiques et radio, d’un ensemble de parametres et des modeles suivants : un modele

d’utilisateurs, un modele de trafic, un modele de services, un modele de mobilite et

un modele de terminaux mobiles. Alors que la configuration de base permet de defi-

nir le contexte de la simulation (la zone geographique et les composantes du systeme

mobile), les parametres et les modeles permettent de creer les differents scenarios de la

simulation.

L’implementation des modeles qui relevent de notre methodologie grace a l’outil de

planification et de simulation radio AtollTM

de Forsk R© a permis de profiter du ca-

ractere flexible de cet outil pour concretiser notre modelisation et notre configuration

de base. L’execution des differents scenarios a conduit a diverses representations de la

relation entre le debit binaire offert en fonction des indices de signal sur interference

(C/I) et de qualite du signal radio (Ec/Io). D’apres nos resultats, la capacite de la

technologie 1xEV-DO a satisfaire les exigences de qualite de service des applications

evoluees confirme le potentiel de cette future methode d’acces radio. En effet, ces resul-

tats montrent que cette technique d’acces radio est capable de garantir la satisfaction

totale de 95.3% des debits requis et un faible taux de rejet (de l’ordre de 2.6%) des

usagers mobiles.

5.2 Limitations

Les resultats obtenus dans ce memoire ne sont pas tout a fait complets puisqu’ils

ne couvrent que le debit binaire offert par la technologie 1xEV-DO. Ce choix decoule

de l’importance de ce parametre de qualite de service dans la specification des futurs

services et applications evolues a offrir aux usagers mobiles grace a la methode d’acces

1xEV-DO. Une evaluation de performance plus approfondie de cette technologie devrait

couvrir d’autres aspects, comme les delais de transmission, l’efficacite spectrale et le taux

d’erreur lors de la transmission des donnees. Ces elements permettront certainement

d’etudier le comportement des futurs systemes mobiles sur la base de resultats realistes

et plausibles.

Le processus de simulation avec AtollTM

comporte egalement des limites. En effet, la

gestion de la mobilite merite d’etre approfondie pour presenter un modele de patron de

mobilite complet avec des parametres specifiques tels que la vitesse et la direction du


deplacement. De plus, l’outil AtollTM

de Forsk R© ne couvre dans sa version 2.4.1 que les

aspects de controle de puissance et le codage et la modulation adaptatifs (AMC ). Les

algorithmes d’ordonnancement (Scheduling), le controle et la correction d’erreur (H-

ARQ) ne sont pas encore implementes. Le fait d’inclure ces concepts fondamentaux des

futurs systemes mobiles nous permettra d’abord, d’analyse nos resultats obtenus autour

de ces concepts, ensuite, de completer notre approche d’evaluation de performance de

la technologie d’acces 1xEV-DO.

Le facteur temps constitue aussi un element fondamental a integrer au processus de

simulation afin d’illustrer le comportement dynamique du systeme mobile. En effet, dans

sa version actuelle, l’outil Atoll ne supporte, dans le contexte de la simulation, qu’une

simple vue statique (snapshot) des usagers. Autrement dit, seul la position geographique

d’un utilisateur au moment de la simulation definit les caracteristiques de sa connexion

au systeme. Cette interpretation temporelle des conditions de reception du signal radio

est loin de refleter la situation reelle d’un usager qui se deplace et pour qui la qualite du

signal radio recu est fonction des caracteristiques de mobilite (vitesse, positionnement

par rapport a la station de base, les obstacles et les perturbations).

5.3 Perspectives

Une perspective future de nos travaux de recherche nous conduira a l’amelioration

des performances illustrees a travers les resultats obtenus. En effet, apres avoir analyse

la dependance entre les caracteristiques radio et techniques de la technologie 1xEV-DO

et la performance qu’elle affiche, nous sommes bien places pour explorer les possibilites

d’ameliorer ces performances. Les recherches ne cessent de progresser dans des champs

tels que le codage, la modulation, le controle et la correction d’erreur et d’ordonnance-

ment. Une extension de notre effort d’analyse pourrait se baser sur ces recherches pour

proposer une nouvelle configuration, avec ces elements techniques fondamentaux. Ainsi,

la technologie 1xEV-DO continuera a se positionner comme un potentiel evolutif qui

permet d’elaborer la base des futurs reseaux mobiles en vue de supporter les services et

applications evolues.

Finalement, la constitution de la population qui va representer les usagers pourrait

profiter de la maturite que connaıt l’intelligence artificielle grace aux systemes multi-

agents. En effet, a travers ces systemes, nous serons en mesure de creer une population a

base d’individus qui seront representes par des agents rationnels ayant un comportement

fonde sur la perception et l’interaction avec leurs environnements en vue d’atteindre

leurs buts. Cette representation du modele utilisateur permettra de se rapprocher du


comportement humain et refletera avec plus de precision le besoin de chaque categorie

d’usagers.

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Index

1xEV-DO

Evolution Data Only, 54, 56, 58–62

1xEV-DV

Evolution Data and Voice, 51

EVolution, Data and Voice, 52

8PSK

8 Level Phase Shift Keying, 17

AM

Amplitude Modulation, 15

AMC

Adaptive Modulation and Coding, 21

AMRC

Acces Multiple a repartition de Code,

8, 40

AMRF

Acces Multiple a Repartition en Fre-

quence, 7, 33

AMRT

Acces Multiple a Repartition dans le

Temps, 7, 8, 33, 34

BPSK

Binary Phase Shift Keying, 16

BSC

Base Station Controller, 11

BTS

Base Transceiver Station, 11

CDM

Multiplexage par Repartition en Code,

14

CDMA

Code Division Multiple Access, 3, 8,

35, 36, 39, 42–44, 55, 63

cdma2000

1xMC, 1xEV-DO, 1xEV-DV CDMA

Systems, 3, 5, 40, 41, 59, 63

cdmaOne

IS95/A, IS95/B CDMA Systems, 3,

5, 40, 41, 43, 63, 84

CW

Code Walsh, 43

DRC

Data Rate Control, 23

DRR

Deficit Round Robin, 26

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum,

37

EDF

Earliest Deadline First, 26

F-APICH

Forward Auxiliary Pilot Channel, 56

F-ATD-PICH

Auxiliary Transmit Diversity Pilot

Channels, 56

F-DCCH

Forward Dedicated Control Channel,

51

F-SCH

Forward Supplemental Channel, 51

F-TDPICH

Forward Transmission Diversity Pi-

lot Channel, 56

FCC

Fundamental Channel Code, 47

Index 92

FEC

Forward Error Correction, 18

FHSS

Frequency Hopping Spread Spectrum,

37

FIFO

First In First Out, 24

FM

Frequency Modulation, 15

GPS

Generalised Processor Sharing, 24

H-ARQ

Hybrid-Automatic Repeat reQuest,

22

HLR

Home Location Register, 9

HOL

Head Of the Line, 24

MCS

Modulation and Coding Schema, 21

MHD

Minimum Hamming Distance, 19

MRF

Multiplexage par Repartition de Fre-

quence, 14

MRT

Multiplexage par Repartition de Temps,

14

PM

Phase Modulation, 15

QAM

Quadrature Amplitude Modulation,

17

QoS

Quality of Service, 24

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying, 16

RR

Round Robin, 26

RSC

Recursive Systematic Convolutional,

20

Reed Solomon Codes, 19

SCAM

Supplemental Channel Assignement

Message, 48

SCRM

Supplemental Channel Request Mes-

sage, 48

Short PN

Short Pseudo Noise, 43

THSS

Time Hopping Spread Spectrum, 37

VLR

Visitor Location Register, 10

WF2Q

Worst-case Fair Weighted Fair Queuing,

25

WFQ

Weighted Fair Queuing, 25

WRR

Weighted Round Robin, 26

Documents

Évaluation de performance de la méthode d'accès radio 1xEV-DO