1Rpublique Algrienne Dmocratique et PopulaireMinistre de l'Enseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique

Universit Hadj Lakhdar BatnaFacult des sciences

Dpartement d'informatique

MmoirePrsent en vue de l'obtention du diplme de

Magistre en informatique

Option : Ingnierie des systmes informatiques

ThmeGestion des ressources radioDans un Rseau htrogne

ParGourdache Samir

Soutenance le : 16 Mars 2011Devant le jury compos de :

Pr. Benmohammed Mohamed, Professeur luniversit de Constantine : Prsident du jury,Dr. Zidani Abdelmadjid, Matre de Confrences-A- luniversit de Batna : Examinateur,Dr. Kazar Okba, Matre de Confrences-A- luniversit de Biskra : Examinateur,Dr, Bilami Azeddine, Matre de Confrences-A- luniversit de Batna : Rapporteur.

2A tous ceux pour qui mes joies sont les leurs, et mes tristesses sont les leursaussi, je ddie cet humble travail en signe de reconnaissance et d'affection;

sachant quece que je leur offre est en da de ce que je leur doit,

et peu, en face de ce qu'ils mritent.

3Je tiens remercier Mr Bilami azzeddine pour avoir accept de diriger cetravail et pour avoir eu confiance en mes choix. Mes remerciements vont aussi messieurs les membres du jury qui ont bien voulu xaminer et valuer ce travail.Mr Belahcen Moussa voudra bien recevoir ma reconnaissance pour sonamabilit et sa serviabilit. Je saisi cette occasion aussi pour remerciermessieurs Benabes Nacer eddine, Benafia ali, et Derradji salah, tousenseignants l'universit de Batna, pour les sincres sentiments de respect etd'estime qu'ils ont manifest mon egard.Je ne saurais, enfin, oublier toux ceux qui ont marqu de l'intert l'ide deme voir achever ce travail.

4ABSTRACT

Nous proposons une approche pour la gestion des ressources radio dans un rseau sans fil htrogne quis'adapte mieux la gestion de la mobilit, tout en renforant les autres composants de cette fonction(contrle d'accs, mobilit, handover, partage de charge,etc). L'ide principale est d'exploiter, auxmoments opportuns, les disparits tant temporelles que spatiales, qui caractrisent la rpartition des tatsde charge en ressources radio des diffrentes zones des diffrents rseaux constituants le rseauhtrogne. Ces disparits sont dues, dune part, aux fluctuations dans les degrs d'utilisation desressources radio au cours du temps et, dautre part, aux dcalages temporels qui caractrisent cesfluctuations. Le volume de ressources radio "oisives" gnres dans certaines "zones de couverture debase sans fil" ZBS(cellule, espace couvert par un point d'accs,etc.), viennent "soulager" les zones ayantun besoin de ces ressources. L'approche utilise le handover vertical en tant que mcanisme de base derquilibrage. Nos apports, nous les sous-titrons "prvision" et "provision". Nous nous appuyons ceteffet sur deux particularits trs intressantes des rseaux htrognes. La premire de ces particularitsest constitue par l'existence, dans un mme espace, d'un fort degr de chevauchement de couverture sansfil par les diffrentes technologies d'accs. La deuxime particularit vient de la nature multimodale desquipements des utilisateurs. Pour la prvision, ces deux caractristiques nous permettent d'tablir unesorte de carte dynamique de rpartition des diffrents quipements des utilisateurs travers tout le rseauhtrogne. Elle met en vidence dans chaque zone de base, une varit de sous zones diffrentes,entranant un dcoupage plus fin de l'espace de couverture sans fil et rendant, par l mme, la tache des"capteurs de contextes" plus aise. Un "capteur de contexte" est une entit "logiciel" attache chaqueZBS dont le rle est de tenir celle-ci au fait du contexte tout moment. En termes de provision enressources radio, nous proposons un schma pour la redistribution des ressources radio dans tout le rseauhtrogne. Sa raison d'tre est de rtablir les dsquilibres de charges qui se crent du fait de l'activitqui rgne dans le rseau. Plusieurs critres structurant la conception de ce schma ont t observs. Nousavons, dessein, choisi un schma simple, fonctionnant de manire cyclique et distribue, o les entitsimpliques peuvent se contenter d'un minimum de connaissances mutuelles grce une "symtrie decomportement". Le schma est flexible, efficace, quitable, et pareto optimal. Cette dernire proprit estrendue effective par l'introduction d'un "comportement de port virtuel". Le schma nous permet aussi dedduire certaines formules relatives aux nombres maximums de cycles ncessaires pour raliser ladistribution, aux pourcentages des ressources mobilises durant les divers cycles, ainsi qu'aux casparticuliers o les distributions ncessitent les nombres maximums de cycles. Enfin nous pensons quenotre schma doit tre analys en tant point d'articulation des divers composants impliqus dans la GRR.

5Table des matiresINTRODUCTION 8CHAPITRE 1 ..10LES TECHNLOGIES D'ACCES RADIO1.1 Introduction ..101.2 TAR mise en uvre dans les rseaux GSM ..101.2.1 Prsentation ..101.2.2 Interface Air du rseau GSM..101.2.2.1 Canaux logiques ..121.2.3 Principe de rutilisation des ressources ..161.2.4 Code de couleur BSIC ..171.2.5 L'entrelacement et construction de salves (bursts) ..171.2.6 Contrle par la base de la puissance dmission ..181.3 TAR mise en uvre dans les rseaux GPRS ..181.3.1 Prsentation ..181.3.2 Interface air du GPR ..191.3.2 Allocation des ressources ..201.3.3 Canaux logiques GPRS ..201.3.4 Association des canaux logiques aux canaux physiques ..211.4 TAR utilisant la communication par talage de spectre ..221.4.1 Prsentation ..221.4.1.1 Justification thorique de ltalage de spectre ..221.4.2 Techniques de ltalement de spectre ..231.4.2.1Etalement par squence directe ..231.4.2.2 Ltalement par saut de frquences ..241.4.2.3 Synchronisation ..241.4.3 IS-95 (cdmaOne) ..241.4.3.1 Les codes pseudo bruit Courts, Longs et de Walsh ..251.4.3.2 Uplink (reverse direction)..261.4.3.3 Downlink (forward direction) ..271.4.3.4 Les canaux logiques ..281.4.3.4.1 Canaux de la voie "Forward" ..281.4.3.4.2 Canaux de la voie "reverse" ..301.4.3.5 Control de puissance ..301.4.4 CMDA2000 ..311.4.4.1 Prsentation ..311.4.4.2 Les canaux logiques . 331.4.4.3 Quelques caractristiques du cdma2000 ..341.4.5 WCDMA (Wideband CDMA) ..351.4.5.1 Aspects de la couche physique du WCDMA ..351.4.5.2 Caractristiques de la couche physique de l'UMTS ..371.4.5.3 Protocoles UMTS ..381.4.5.4 Architecture radio..391.4.5.5 Plan de contrle et plan utilisateur.411.4.5.6 Canaux physiques..411.4.5.7 Canaux de transport ..43

1.5 TAR mise en oeuvre dans le rseau WiMAX ..45

61.5.1 OFDM (Orthogonal Frequency Multiplexing) ..461.5.1.1 Orthogonalit des porteuses des sous canaux ..461.5.1.2 Implmentation de L'metteur/rcepteur (Gnration du signale) ..471.5.2 Avantages de l'OFDM ..481.5.3 Technique d'accs OFDMA ..501.5.4 Allocation des sous-porteuse ..52

CHAPITRE 2 ..55GESTION DES RESSOURCES RADIO (GRR)2.1 Introduction ..552.2 Les composants de la GRR ..562.3 Le Contrle dAdmission ..562.3.1 CA pour contrler la Qualit du signale ..572.3.1.1 Interfrences et SIR (Signal to Inteference Ratio) ..572.3.1.2 Charge de la cellule (ou le rseau). ..582.3.1.3 Faisabilit de l'allocation de puissance (Power Allocation Feasability)...582.3.1.4 Contrle d'Admission Optimum avec des contraintes de qualit du signale ..59

2.3.2 CA pour contrler la probabilit d'chec du handover ..592.3.2.1 Politique des Bandes de Garde (Guard Band policy) ..592.3.2.2 L'tat de charge dans la cellule hte et les cellules voisines en tant que critre de CA ..602.3.2.3 Ressources disponibles dans la cellule hte et les cellules voisines ..602.3.2.4Estimation de la probabilit d'chec du handover / de surcharge. ..602.3.3 CA pour contrler les paramtres de QoS du niveau paquet ..612.3.3.1CA pour le contrle de la vitesse de transmission612.3.4 Schmas de CA bass sur le revenu ..612.4 Le Handover ..622.4.1 Principes du Hard handover ..622.4.1.1 Critres de dclenchement du hard handover ..632.4.2 Principes du soft handover ..642.4.2.1 Algorithme du soft handover ..65

2.5 Contrle de puissance ..662.5.1 Contrle de puissance en boucle ouverte ..672.5.2 Contrle de puissance en boucle ferme ..682.5.3 Contrle de puissance en boucle extrieure ..682.6 Ordonnancement (Scheduling) ..682.6.1 Aspects majeurs de l'ordonnancement sans fil ..692.6.2 Quelques approches pour l'ordonnancement sans fil ..70

CHAPITRE 3 ..73ETAT DE L'ART DE LA PRISE DE GESTIONDES RESSOURCES RADIO DANS LES RESEAUX SAN FIL HETEROGENES3.1 Introduction ..733.2 La Prise de Dcision ..743.2.1 Mcanismes bass sur une fonction ..743.2.2 Mcanismes bass sur un modle mathmatique ..773.2.3 Mcanismes bass sur la Thorie des jeux ..833.2.4 Mcanismes bass sur AHP et GRA ..86

CHAPITRE 4 ..88SCHEMA POUR LA GESTION DES RESSOURCES RADIODANSUN RESEAU SANS FIL ET MOBILE HETEROGENE4.1 Introduction ..884.2 Modlisation d'un rseau sans fil htrogne ..884.3 Schma propos pour la redistribution des RR ..91

74.3.1 Principe ...914.3.2 Problmatique de la mise en uvre du schma ..924.3.3 Schma de base pour la GRR 964.3.3.1 Version Prliminaire ..964.3.3.2 Commentaires sur la version prliminaire du schma 1024.3.3.3 Version "finale" 1044.3.4 Rsultats des Simulations 1074.3.4.1 Cadre des simulations 1084.3.4.2 Rsultats des Simulations 109

CONCLUSION 112REFERENCES 113

8INTRODUCTIONDe l'avis des spcialistes, les rseaux sans fil du futur seront des rseaux htrognes [1]. C'est une visionqui carte l'alternative d'une seule technologie dominante, fournissant un service ubiquiste. En revanche,elle plaide pour une coexistence des diffrentes technologies d'accs radio (TAR), au sein de rseaux sansfil htrognes. Ces TARs devront tre combines de manire permettre aux utilisateurs mobiles de tirerprofit des caractristiques propres de chacune d'entre elles, en termes de couverture, de dbits, de QoS, decots, d'implmentation, etc, et d'tre toujours connects selon le label "Always Best Connectedanywhere and at anytime" (une des cls importantes du succs de ces rseaux). Ce concept de rseau sansfil et de mobiles htrogne(RSMH) ne va sans poser de rels dfis ses concepteurs, et toutparticulirement d'un point de vue Gestion des Ressources Radio (GRR). La raret des ressources radio,les diffrents facteurs de dgradation qui affectent la propagation des ondes radio, et le fait que lescommunications s'oprent travers l'air ambiant, font de l'interface air dans les rseaux sans fil un vraigoulot d'tranglement. Ces faits runis exigent, en consquence, des politiques et techniques de GRRadquates.En fait, la GRR est un problme facettes multiples, impliquant plusieurs aspects interdpendants. Dansles nombreux travaux ddis la GRR dans les rseaux sans fil htrognes (Heterogeneous WirelessNetworks), trois fonctions cls rcurrentes, centres sur l'assurance d'un certain niveau de QoS (Quality ofService), peuvent tre identifies. Il s'agit du Control d'Admission d'Appel (C.A.P), de la Gestion de laMobilit (G.M) et du Partage de Charge (P.G).Le C.A.P, prend en charge le trafic entrant des utilisateurs, aussi bien celui des appels nouveaux que celuiayant pour origine des handovers (dans le cas qui nous concerne il s'agit des handovers intertechnologies), et dtermine s'il y a lieu ou non d'autoriser ces demandes de connexion, en gnrant le caschant les paramtres ncessaires. Une fois la connexion au rseau autorise, la qualit du service qui luiest fournie (QoS) devrait tre assure pendant toute la dure de la session de communication. De mme,les dcisions d'admissions de nouvelles connexions dans le rseau ne devraient pas rsulter en unealtration de la QoS des connexions en cours. Pour jouer son rle de rgulateur et amliorer la justesse deses prises de dcisions, le C.A.P gagnerait beaucoup tre au fait du contexte (informations sur lamobilit des utilisateurs, les oprations de handover potentielles ainsi que les mesures de QoS actuelles).La G.M est un autre volet impliquant la GRR. En effet, la nature alatoire de la mobilit de utilisateurs,ajoute au manque de modles prcis et modrment complexes (de ce phnomne), introduisentbeaucoup d'incertitudes quant la direction, l'importance, et la localisation des flux des utilisateursmobiles travers le rseau. A moins d'tre pris en considration, ce fait entranerait une inefficacit de laGRR et une dtrioration de la QoS. Anticiper sur l'volution des flux des utilisateurs, et par consquent,sur les demandes de ressources qui en dcoulent, et des risques qu'encours la QoS, est capital pour l'entitcharge de la G.M. En effet, bien qu'on puisse avoir un C.A.P efficace qui rgulerait l'affluence desmobiles, il y aura toujours le phnomne (incontrlable) de la mobilit qui viendra provoquer desdisparits entre les charges des zones de services, et crer de la sorte, de fortes demandes de ressourcesradio dans certaines d'entre elles. Il est donc important d'avoir un mcanisme de partage de charges (P.G)qui vienne renforcer le C.A.P, en rparant les dsquilibres que cette dernire fonction ne russirait pas viter, d'o l'intrt de la fonction P.G. La QoS constitue une proccupation commune aux troiscomposants de la GRR dont il vient d'tre question. Ceci implique que la mise en uvre de toute approchetouchant la GRR, doit considrer la coopration trs troite entre ces composants (C.A.P, G.M et P.G). Letravail que nous prsentons est en grande partie orient vers la recherche d'une telle mise en oeuvre.Lide que nous voulons explorer dans notre approche part du constat que le fonctionnement des rseauxsans fil est marqu par la fluctuation dans le degr dutilisation des ressources radio (degrs quidpendent, notamment, de la phase du cycle de vie du rseau, de la priode de la journe, et de lalocalisation des zones de services). Dans le cas dun rseau sans fil et de mobiles htrogne, celaengendre des situations dans lesquelles certaines zones dun rseau sont surcharges alors que dans leurs

9rgions de couverture communes avec dautres rseaux, se trouve des zones ayant un volume deressources "oisives". Si nous supposons que ces fluctuations sont asynchrones, que les ages des rseauxsont diffrents et que les zones de couvertures sont nombreuses mais non identiques, alors on peutesprer, pouvoir tirer profit de ce recouvrement des rseaux dans la gestion des ressources radio, en crantune sorte de rserve quasi permanente et partageable de ressources radio (d'une certainequantit),mobilise priodiquement leffet de rparer les dsquilibres en ressources radio quiviendraient apparatre ca et la dans le rseau htrogne . Les raisons qui poussent croire quun telscnario est possible sont que:

Les rseaux sont dploys dans des zones o une activit et un potentiel dutilisateurs levs sontprvus (donc les rgions de couvertures sont celles o lactivit est cense tre intense),

Les rseaux sont ds leurs conceptions surdimensionns, en prvision de la monte en chargeprogressive, future.

Un rseau jeune, est une opportunit pour les autres rseaux (bien que pour loprateur lutilisationdes ressources se trouve acclre), alors quun rseau en fin de cycle voit sa dure de vieprolonge car offrant des ressources laisses libres par la migration des anciens utilisateurs (neserait ce que pour des applications ne ncessitant pas un dbit ou un QoS levs).

Partant de ces constats notre travail adopte une approche, intuitive, pour la GRR dans un rseau sans fil etde mobiles htrogne (RSMH), propose dans certains travaux de recherche [69,78], qui consiste utiliser le handover vertical (HOV) en tant qu'outil de base pour cette gestion. Cette approche s'articuleautour d'un schma de redistribution priodique des ressources radio, dont le but est de mettre en uvreune politique agressive de rutilisation des ressources radio "oisives", dans tout le rseau htrogne. Celase traduira par une qute permanente des dites ressources radio "oisives" en vue de leur utilisation l o lebesoin se fait sentir. Pour jouer le rle qui lui est dvolu au sein de toute larchitecture, ce mcanisme doitrpondre certains critres de conception tels que lefficacit, la flexibilit, lquit, la simplicit,l'extensibilit .. etc.La suite de ce travail sera organise comme suit : dans le premier chapitre seront passs en revue lesprincipales technologies d'accs sans fil l'uvre dans les rseaux actuellement dploys. A travers cetterevue, nous cherchons montrer en quoi consiste cette htrognit, des rseaux sans fil et de mobiles,dont il est question dans le prsent travail. Le deuxime chapitre, sera consacr la gestion des ressourcesradio dans les rseaux sans fil "homognes", c.a.d. technologie d'accs unique. Il sera question desfonctions les plus importantes que la GRR doit assurer dans ces types de rseaux. Au troisime chapitre,un tat de l'art en matire de GRR dans les rseaux sans fil htrognes est prsent. Nous insistons plusparticulirement sur les mcanismes de prise dcisions adopts dans les divers travaux de recherchesddis la question. La partie qui constitue le cur de notre travail fera l'objet du quatrime chapitre.Aprs une prsentation du modle de RSMH que nous avons adopt, nous dtaillerons les deux apportsmajeurs que nous estimons avoir ralis. Le premier de ces apports a trait la prvision, l'autre laprovision des ressources radio. Nous discuterons, bien entendu, de divers points se rapportant au schmaque nous proposant et dtaillerons le schma proprement dit. Nous cloturerons le chapitre par lescommentaires des rsultats que les simulations nous ont fournis.

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Chapitre 1LES TECHNLOGIES D'ACCES RADIO

1.1 IntroductionLe rseau radio est la partie du rseau sans fil qui inclus la station de base (ou le point d'accs), lesstations mobiles, ainsi que l'interface entre elles. Cette partie du rseau revt une importanceconsidrable, vu que cest celle qui est directement lie l'utilisateur mobile. La station de base (ou lepoint d'accs) a une connexion radio avec le mobile, et elle doit tre capable de communiquer avec cedernier l'intrieur d'une certaine zone de couverture, et de maintenir des standards de qualit d'appel. Lerseau radio doit tre en mesure d'offrir une capacit et une couverture suffisantes. Les stations mobilessont contraintes la comptition pour l'accs sans fil au rseau, travers l'interface air. Diffrentestechnologies d'accs sans fil ont t mises en uvre dans les divers rseaux dploys de part le monde.L'examen des implmentations de ces diffrentes technologies daccs radio (TAR) nous donnera une ideassez prcise de ce en quoi cette htrognit consistera, dans les rseaux sans fil htrognes prditspour le futur, et conditionnera certainement les approches et les choix qui prsiderons la conception deces rseaux.1.2 TAR mise en uvre dans les rseaux GSM1.2.1 PrsentationLe GSM, (Global System for Mobile communications), est un systme cellulaire et numrique detlcommunication mobile. Il a t rapidement accept et a vite gagn des parts de march telles,quaujourdhui plus de 180 pays ont adopt cette norme et plus dun milliard dutilisateurs sont quipsdune solution GSM [1]. Les objectifs fixs au systme GSM sont [2] :

Offrir un vaste ventail de services de tlcommunications compatiblesavec ceux des rseaux fixes.

Offrir des services spcifiques dus la mobilit des usagers. Assurer la compatibilit daccs nimporte quel utilisateur dans

nimporte quel pays exploitant le systme GSM. Assurer la localisation automatique des mobiles sous la couverture

globale de lensemble des rseaux. Permettre une grande varit de terminaux mobiles. Obtenir une bonne efficacit spectrale. Obtenir des cots permettant dassurer le succs du service.

1.2.2 Interface Air du rseau GSMLe spectre radio tant une ressource limite, partage par plusieurs utilisateurs, les dfendeurs de la normedoivent lutiliser bon escient et avec parcimonie. Le premier choix architectural dans le GSM a t doncde partager la bande de frquence alloue, en utilisant une combinaison des deux techniques demultiplexage TDMA/FDMA (Time/Frequency Division Multiple Access). La partie FDMA divise labande de frquences alloue en plusieurs sous bandes (124 dans le cas du GSM) d'gales largeurs,espaces de 200 kHz. Chacune de ces sous bandes de frquences est ensuite dcoupe, son tour, enintervalles de temps gaux, utilisant un schma TDMA.Dans le systme GSM/DCS (PCS aux E.U), deux bandes de frquences sont utilises, lune autour des900 MHz et lautre autour de 1,8 GHz (1,9 aux E.U et 298 porteuses). Chaque bande est divise en deuxsous bandes servant, lune pour le transfert dinformations entre le mobile et la station de base (voiemontante), et lautre pour la liaison entre la station de base et le mobile (voie descendante) [3]. La figure1.1 illustre les bandes de frquences utilises pour la liaison entre mobile et station de base dans le rseauGSM.

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Bande EGSM tendue (bande de largeur totale 35 MHz)- de 880 915 MHz du mobile vers la base,- de 925 960 MHz de la base vers le mobile,- cart entre les deux frquences 45 MHz,- 174 canaux espacs de 200 kHz.

Bande DCS (bande de largeur totale 75 MHz)- de 1710 1785 MHz du mobile vers la base,- de 1805 1880 MHz de la base vers le mobile,- cart entre les deux frquences 95 MHz,- 374 canaux espacs de 200 kHz.

A lintrieur dune cellule, on dispose donc dun certain nombre de frquences ou porteuses quil fautrpartir entre les diffrents utilisateurs. Lors dune conversation courante, un tlphone mobile na pasbesoin du canal de transmission en permanence, grce aux techniques de compression de dbit. Pour

exploiter les instants libres, les choix de conception suivants ont t adopts (voir figure 1.2) : chaque porteuse est divise en 8 intervalles de temps appels time-slots. La dure d'un slot a t

fixe pour le GSM 7500 priodes du signal de rfrence fourni par un quartz 13 MHz quirythme tous les mobiles GSM :

Figure 1.1. Bandes de frquences pour la liaison entre mobile et station de base dans le GSM.

Figure 1.2 interface air du GSM : trame TDMA [3].

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Tslot = 7500/13 MHz = 0,5769 ms soit environ 577 s, sur une mme porteuse, les slots sont regroups par paquets de 8 qui constituent une trame (frame)

TDMA. la dure de la trame est donc : TTDMA = 8 Tslot = 4,6152 ms.Chaque porteuse GSM (ou DCS) est identifie de manire unique par un numro n, dsign par le sigleARFCN, cod sur 10 bits conformment au plan suivant, o la frquence de la voie descendante estexprime en MHz:

pour 1 n 124 f = 935 + (0,2 x n) (GSM ) pour 975 n 1024 f = 935 + (0,2 x (n-1024)) (GSM tendu EGSM ) pour 512 n 885 f = 1805,2 + (0,2 x (n-512)) (DCS 1800 )

Exemple : pour n=10, voie descendante 935+ (0,2.10) = 937 MHz et voie montante fd 45 = 892MHz.Remarque : Ce numro de canal peut changer durant une communication lorsque la qualit devientinsuffisante (saut de frquence ou frequency hopping).Un mobile GSM en communication nutilisera quun time-slot, ce qui permet de faire travailler jusqu 8mobiles diffrents sur la mme frquence de porteuse. Le signal radio mis dans un time-slot est souventappel burst. Les slots sont numrots par un indice TN qui varie de 0 7.Durant une communication tlphonique, le mobile GSM reoit des informations de la station de base etmet des informations vers celle-ci:

ces changes se font sur deux frquences diffrentes et nont pas lieu au mme moment. au niveau du mobile, lmission et la rception sont dcales dans le temps de 3 time-slots. pour conserver la mme numrotation des slots, le dbut de la trame TDMA du mobile est dcale

de 3 time-slots / dbut de la trame de la base.Le mobile reoit donc le signal mis par la base sur la frquence descendante f durant un time slot soit577 s , puis 3 time-slots soit 1,7 ms plus tard(figure 1.3), met son signal vers la station de base sur lafrquence montante plus basse (f-45 MHz pour le GSM).1.2.2.1 Canaux logiquesPour renforcer l'interface radio, qui est le maillon faible de la chane de transmission, un certain nombrede fonctions de contrle ont t mises au point pour rattacher le mobile une BTS favorable, pour tablirune communication, surveiller son droulement et assurer les handovers. Ces fonctions de contrleengendrent des transferts de donnes additionnels : remontes des mesures, messages de contrle...etc.Plusieurs canaux logiques ont t ainsi dfinis pour les diffrents types de fonction (veille, scrutation,mesures, contrle...) ; ils forment une architecture complexe qu'il est ncessaire de connatre pourcomprendre le fonctionnement d'un mobile pendant les diffrentes phases de communication ou pendant

Figure 1.3 Mobile en conversation sur le time-slot 1 [3].

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sa veille. Ils n'existent que sur l'interface radio et perdent ensuite toute leur signification sur les autresinterfaces du systme [5] : Abis, Ater, A, ...etc. Sur l'interface radio il faut:diffuser des informations systme : Broadcast Channels,prvenir les mobiles des appels entrants et faciliter leur accs au systme : Common Control Channelcontrler les paramtres physiques avant et pendant les phases actives de transmission : FACCH etSACCH,fournir des supports pour la transmission de la signalisation : SDCCH.On n'utilise pas un canal physique plein pour chacune de ces tches : ce serait gcher de la ressource radiocar elles ne ncessitent pas, en gnral, un dbit comparable celui de la voix code (TCH).Pour introduire plus de souplesse et allouer moins d'un slot par trame, on dfinit des structures demultitrames(figure 1.4). La structure de multi-trames est dfinie comme une succession d'un slot donnsur des trames TDMA successives, c'est--dire sur un canal physique. Entre deux slots d'une multi-trames, il s'coule donc 4,615 ms.

Chaque multi-trame transporte, avec une priodicit bien dfinie, un certain type d'informations decontrle ou de signalisation. Cet ensemble de time-slots forme un canal logique. Certaines multi-tramessont dfinies 26 trames, d'autres 51 trames.Il y a deux types de canaux dans l'interface air: les canaux physiques et les canaux logiques. Un "canalphysique" est constitu par la rptition priodique d'un slot dans la trame TDMA d'une frquenceparticulire. Un "canal logique", renvoi au type d'information spcifique qui est transport par le canalphysique. En effet, linterface radio reprsente la partie dlicate de la chane de transmission et le systmedoit faire face aux diffrents problmes du lien mobile-rseau au niveau de la propagation (attnuation,vanouissements, interfrences...), mais aussi au niveau de la gestion du rseau : il est ncessaire davoirdes fonctions de contrle pour que le mobile se rattache la station de base la plus favorable, pour tabliret surveiller le droulement dune communication ou encore assurer le handover. Lutilisation de canauxlogiques va permettre une utilisation efficace des ressources radio et une qualit de service satisfaisante.Parmi ces canaux on distingue les canaux ddis (TCH et SDCCH), cest dire allous un mobile, et lesautres canaux qui sont partageables entre mobiles et servent au contrle et la signalisation. Alors que lescanaux physiques ne font que transporter des informations, quelles qu'elles soient, les canaux logiquespermettent de distinguer les diffrents types d'informations circulant dans le systme. Il y a deux grandesclasses de canaux logiques, les canaux ddis et les canaux communs (figure 1.5):

Un canal logique ddi fournit une ressource rserve un seul mobile (point point). On luiattribue une paire de slots (montant et descendant) o il est le seul recevoir et mettre dans lastructure de multitrame. Les canaux ddis sont duplex.

Un canal logique commun est simplex (attribu sur une voie seulement suivant les cas) et partagpar un ensemble de mobiles. Dans le sens descendant, les informations y sont diffuses plusieursmobiles l'coute. Ces donnes peuvent concerner le systme dans son ensemble ou un mobile enparticulier qui, par exemple, peut recevoir un appel entrant. Dans le sens montant, la fonctiond'accs multiple est remplie. Chacun peut mettre et les collisions sont rsolues par les mthodesclassiques de rsolution de contention (Aloha slott).

Figure 1.4 structure d'une multi-trames GSM [5].

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Tous les canaux logiques n'ont pas les mmes besoins, certains se contentent de faibles dbits alors qued'autres sont beaucoup plus gourmands en ressources. Afin de grer les dbits et de dfinir une priodicitsur les canaux logiques, on a cr deux structures de Multi-trames, rythmant les priodes d'allocation desressources physiques requises pour les canaux logiques(figure 1.6). La Multi-trame 26, compos de 26trames TDMA, d'une dure de 120 ms, et la Multi-trame 51, compose de 51 trames TDMA, d'une durede

Figure 1.5 Types de canaux logiques et leurs fonctions dans le GSM.[5]

235,8 ms. Pour grer ces deux multi-trames, on a cr la Super-trame, structure rassemblant 26 Multi-

trame 51 ou indiffremment 51 Multi-trame 26, dune dure de 6,12 s. La Super-trame n'a pas de fonctionessentielle, son seul rle est de contribuer la dfinition de l'Hyper-trame, qui est compose de 2048super-trames, avec une priode de 3h 28mn 53s 760 ms. Elle va servir de base la cration d'un code detemps : "Time code", chaque trame TDMA composant l'Hyper-trame se voit attribuer un numro : "FrameNumber". Ce compteur va permettre au mobile de se synchroniser finement avec la cellule en severrouillant dessus, le "Time code" dmarre au mme instant pour toutes les frquences d'une mme BTS.Le compteur est aussi utilis pour le chiffrement dans l'algorithme A5.Chaque BTS est quipe pour travailler sur un certain nombre de canaux, en gnral 5 ou 6, qui sontautant de paires de frquences mission-rception. Toute BTS met en permanence des informations surson canal BCH (Broadcast Channel) appel aussi voie balise. Ce signal constitue le lien permanent

Figure 1.6 structure hirarchique de trames

15

reliant mobile et station de base de la mise en route du mobile jusqu sa mise hors service, quil soit encommunication ou non.Le fonctionnement du mobile se dcompose en 2 phases [3] :

mobile en veille : le mobile change avec sa base des signaux de contrle sur la voie balise(mission en slot 0 f1, rception en slot 0 f1 + 45 MHz)Le niveau de la voie balise (BCH) est connu et sert pour un certain nombre de fonctions de contrle(figure 1.7) :

la mise en route du mobile, son rcepteur scrute la bande GSM pour chercher le signal BCH deniveau le plus lev. Cest avec la station de base correspondante que le mobile se mettra encommunication.

ce signal contient des informations concernant les oprateurs et les frquences balises des cellulesvoisines.

ce signal vhicule les messages qui seront affichs sur lcran du mobile. toutes les 15 secondes si le signal reu est fort et toutes les 5 secondes sil est faible, le rcepteur

coute les balises des cellules voisines pour dtecter un changement de cellule. lmission balise noccupe le canal de transmission que dans le sens base - mobile. La liaison

montante pourra donc tre utilise par le mobile pour signaler son dsir de se connecter au rseaupour une communication (RACH : random access channel).

mobile en communication : le mobile change avec la base des signaux de parole et de contrlesur la voie de trafic (mission en slot i f2, rception en slot i f2 + 45 MHz)

il met et reoit maintenant sur une nouvelle paire de frquences alloues par la base pour la durede la communication : cest le TCH (Traffic CHannel)

paralllement cette activit principale, il coute priodiquement les voies balises de la cellule etdes cellules voisines pour dtecter une variation de niveau lui indiquant un changement de cellule.

Les diffrents utilisateurs d'un systme cellulaire sont des distances variables de leur station de base etendurent des dlais de propagation variables. Or londe lectromagntique se propage la vitesse de lalumire soit c = 300 000 km/s. Cette vitesse est trs leve, mais pas infinie, et les retards engendrs parla distance se font sentir sur le timing puisquune distance de 30 km cause un retard de 100 s. Prenonslexemple de deux mobiles MS1 et MS2 appartenant la mme cellule ; le premier, MS1 est en limite decellule alors que le second, MS2 est situ prs de la station de base (figure 1.8).On suppose que ces deux mobiles utilisent des slots conscutifs sur la mme porteuse : MS1 met dans leslot 1, MS2 dans le slot 2 :

en l'absence de compensation du temps de propagation, les bursts mis par chacun des mobiles sechevaucheront au niveau du rcepteur de la BS.

pour pallier cette difficult, la station de base va compenser ce retard en grant un paramtre TA(Time Advance) correspondant au temps de propagation aller-retour.

Figure 1.7 Par la voie balise la SB diffuse ses informations vers tous les mobiles de la cellule.[3]

16

le mobile loign doit avancer l'mission de chacun de ses bursts par rapport l'instant nominal dedbut de slot

la distance entre mobile et station de base tant susceptible de varier en permanence, ce paramtreTA est rajust chaque trame et pourra prendre une valeur comprise entre 0 et 63.

Remarque : la dtermination du paramtre TA permet la base de connatre la distance laquelle setrouve le mobile. Par triangulation avec une deuxime station de base, on pourra donc dterminer laposition exacte dun mobile.Pendant un change de donnes vocales, le mobile continue lcoute des balises des cellules voisines pourdtecter un ventuel changement de cellule. Cette coute se fait entre lmission et la rception du burstsuivant. Vu le faible temps disponible, le mobile ne pourra faire quune mesure de niveau. Pour dcoderles informations provenant de la balise dune cellule voisine, il lui faut davantage de temps, surtout quilfaut attraper le time-slot 0 qui contient les informations recherches. Cest la raison pour laquelle lemobile sarrte dmettre et de recevoir toutes les 26 trames ( slot idle ) ce qui lui permet dcouter et dedcoder le canal de contrle dune cellule voisine.

Figure 1.9 Mesure de niveau et dcodage des BCCH des cellules voisinesLors d'une communication, le mobile peut effectuer sur demande du rseau, une augmentation ou unediminution de son mission par pas de 2 dBm toutes les 60 ms. Ce changement sur l'initiative du rseau,rsulte d'une lecture des remontes de mesures effectues par le mobile toute 480 ms sur le canal SACCH(soit toutes les 4 multi_trame26 = 104 trames TDMA).1.2.3 Principe de rutilisation des ressourcesLe principe de la rutilisation des frquences repose sur l'attnuation que subissent les ondes radiolorsqu'elles se propagent dans l'atmosphre. Lorsqu'on se trouve assez loin d'un metteur, le signal envoy

Figure 1.8 Importance du paramtre de Time Advance.

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par celui-ci est trs faible. On peut alors utiliser la mme frquence que l'metteur lointain sans crainted'interfrences, le signal local tant beaucoup plus puissant que le signal lointain. Le concept de motifcellulaire a donc t introduit pour permettre la rutilisation d'une mme frquence dans des endroitsdiffrents. Un "motif", aussi appels cluster, est le plus petit groupe de cellules contenant une et une seulefois l'ensemble des canaux radio (frquences).

Figure 1.10 un motif lmentaire ( droite) et un ensemble de motifs dans unrseau ( gauche).[7]

Le GSM utilise donc un rseau maill, form dmetteurs dissmins sur la zone couvrir. Deuxmetteurs voisins utilisent des frquences diffrentes, mais des metteurs loigns rutilisent les mmesfrquences selon le principe nonc plus haut. En pratique, le terrain est "dcoup" en petites zones,appeles cellules, caractrises chacune par une frquence prcise. On runit un certain nombre decellules utilisant des frquences diffrentes pour former un motif. On rpte alors ce motif pour couvrirtout le territoire, permettant ainsi partir dun nombre de frquences limit de mettre en place un grandnombre d'metteurs.Chaque metteur ncessite une infrastructure complexe pour fonctionner et dialoguer tant avec l'ensembledu rseau qu'avec les tlphones mobiles prsents sur sa zone de service. On appelle cette infrastructure"station de base". Un rseau de radiotlphonie cellulaire se compose donc d'un ensemble de stations debase rparties sur la zone gographique couvrir.1.2.4 Code de couleur BSIC

La mme frquence peut tre utilise pour supporter la voie balise de deux stations suffisammentloignes. Les deux stations ne se brouillent pas sur leurs zones de service respectives mais un mobilesitu mi-distance peut recevoir alternativement lune ou lautre station avec un niveau de champsuffisant. Afin de diffrencier les deux stations, on utilise le code de couleur BSIC. Le couple (frquence,BSIC) permet sur une zone donne de dterminer parfaitement une cellule. A lintrieur dun motif, onutilise le mme BSIC. Ainsi, les cellules voisines (cellules de frquences de voie balise identique) ne fontpas partie du mme motif.1.2.5 L'entrelacement et construction de salves (bursts)Lors de la transmission, les erreurs arrivent sur un groupe de bits conscutifs (par salves ou bursts). Lebut de lentrelacement est de sparer les erreurs pour pouvoir les corriger plus facilement. Pour se faire,les bits sont introduits ligne par ligne dans une matrice L lignes et n colonnes pour tre lues, ensuite,

Figure 1.11 Utilisation des codes BSIC dans un motif 7cellules.

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par colonnes. La premire colonne contiendra, ainsi, les numros de bits (0,n,2n,Ln ). Le paramtre nest appel le facteur ou degr dentrelacement. Dans le cas de l'entrelacement des canaux de la voix, les456 bits obtenus aprs le codage (des canaux) sont diviss en 8 blocs de 57 bits. Le premier bloc contientles bits de numros: 0,8,16,24,448. La figure 1.12 reprsente la chaine de recombinaison que subissentles 8 blocs issus du codage de la parole, et illustre le schma de construction des bursts. On peut voir, sur

le schma, quil y a 2 squences de 57 bits dans un burst, et que pour transmettre notre chantillon, il faututiliser 4 bursts. Donc notre message sera envoy sur 4 trames.1.2.6 Contrle par la base de la puissance dmissionLa station de base contrle de nombreux paramtres du mobile, dont la puissance dmissionparticulirement. A partir des estimations des niveaux de puissance et des taux d'erreur montants etdescendants, qui sont reports par le mobile dans des messages de mesure, le BSS (ou BTS) dtermine lesniveaux de puissance adquats. Lajustement du niveau mis est fait de faon minimiser la puissancerequise par lmetteur tout en conservant la qualit de la communication. Les deux objectifs majeursrecherhcs, sont la diminution du niveau d'interfrence due aux canaux adjacents et laugmentation del'autonomie des mobiles. En consquence, lamplificateur de puissance RF de tout mobile GSM doit trequip :

dune entre commandant la puissance de sortie dun dispositif de mesure de la puissance mise

Dans les mobiles actuels, la mesure de la puissance est faite soit par le contrle du courant absorb parlamplificateur de puissance, soit laide dun ensemble coupleur directif-dtecteur Schottky.1.3 TAR mise en uvre dans les rseaux GPRS1.3.1 PrsentationLe GPRS ne constitue pas lui tout seul un rseau mobile part entire, mais une couche supplmentairerajoute un rseau GSM existant. Il peut donc tre install sans aucune licence supplmentaire. Cecisignifie que tous les oprateurs qui disposent d'une licence GSM peuvent faire voluer leur rseau vers leGPRS. De plus, le GPRS utilise les bandes de frquences attribues au GSM, c'est dire une bande dansles 900 MHz, une autre dans les 1800 MHz et enfin une troisime, aux USA, dans les 1900 MHz. Lesoprateurs GSM actuels ont de fait un quasi monopole sur le GPRS, ce qui n'est pas le cas pour l'UMTS.Le GPRS, appel aussi GSM 2+, repose sur la transmission en mode paquet, c.a.d qu'il n'y a pas de circuitphysique ddi la station mobile GPRS. Un canal physique est tabli, dynamiquement, seulementlorsque les donnes ont besoin d'tre transfres. Une fois les donnes transmises la ressource peut treralloue une autre station, pour une utilisation plus efficace du rseau.Conu pour rutiliser au maximum les infrastructures GSM existantes, le dploiement du GPRS ncessitela mise en place d'une infrastructure rseau base sur la commutation de paquets et l'introduction depasserelles pour s'adosser aux rseaux GSM existants(voir figure 1.13).

Figure 1.12 Entrelacement et construction de salve(burst).

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Cette technologie, capable de fournir des dbits par utilisateur allant jusqu' 115 kb/s (contre 9,6 kb/Spour le GSM), offre les fonctionnalits intressantes suivantes :

plusieurs canaux peuvent tre allous un mme utilisateur ; ces mmes utilisateurs peuvent partager un mme canal ; le dbit est indpendant des liens montants et descendants.

Avec le GPRS, on dispose d'un dbit compris entre 40 et 115 kbit/s, selon le nombre de canaux virtuelsou "time slots" utiliss, et le schma de codage choisi (CS1 CS4). Ce dernier agit sur la compression desdonnes comme un multiplicateur de dbit. En mode multislots 3+1 (trois slots pour la transmission dansle sens rseau vers portable, et un slot pour le sens portable vers rseau), on atteint un dbit de 40 kbit/savec un schma de codage CS2. En mode multislots (8+1) avec le codage CS4, on atteint en pratique 115kbit/s (en thorie 175 kbit/s). Si, comme cela semble tre la volont actuelle des oprateurs, on rutilisel'infrastructure GSM existante, en conservant notamment le rseau des stations de base (BTS) actuellesmises niveau par logiciel, seules les versions CS1 et CS2 seront implantes. Pour les versions CS3 etCS4, des transformations importantes de l'infrastructure devront tre opres.Les donnes utilisateurs sont transfres de manire transparente entre le terminal mobile et les rseauxde donnes externes par une technique de tunneling , avec le protocole GTP (GPRS TunnellingProtocol).Il faut savoir que ce protocole est utilis dans GPRS pour la transmission des paquets de donnesutilisateur et de signalisation entre entits GPRS, via ltablissement de tunnels de communication. LeGTP utilise soit TCP, soit UDP, selon quune connexion fiable est ncessaire ou non.On peut donc rsumer les intrts principaux du GPRS dans les temps daccs rduits, de lordre duneseconde pour commencer un transfert de donnes, un dbit plus lev quen GSM, un mode decommutation par paquets permettant dutiliser les ressources radios, et enfin la possibilit de facturationen fonction du volume de donnes transfr plutt quen fonction du temps de connexion.1.3.2 Interface air du GPRSLa principale nouveaut, cot interface air, est lallocation dynamique de canal; ce qui autorise destransferts dbits variables. Cette nouveaut est caractrise par les points suivants:

Le GPRS est capable dallouer : le mme time slot plusieurs utilisateurs

partage des ressources lors des priodes charges

Figure 1.13 Architecture du rseau GPRS.

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plusieurs time slots un seul utilisateur (maximum 8) atteinte de hauts dbits (maximum thorique 171,2 kbits/s)

Les canaux UL et DL sont rservs sparment et il est possible que les services GPRS et GSMutilisent alternativement le mme time slot.

Les utilisateurs GPRS partagent avec ceux du GSM la mme trame TDMA, augmentant ainsi lesexigences en capacit. Dans une certaine mesure, le GPRS tient compte de cette augmentation dedemande de capacit en multiplexant plusieurs utilisateurs sur les mmes canaux physiques (time slots).De plus, l'interface air du GPRS alloue les ressources (time slots) pour la voix et les PDCH (packet datachannels), de manire dynamique. Certains canaux physiques sont configurs pour les donnes, maispeuvent tre reconfigurs pour la voix au besoin.Le GPRS doit aussi allouer des ressources pour la signalisation et le contrle du trafic. Vu que le GPRS ases propres paramtres pour l'accs au rseau et le contrle des appels, il a besoin de canaux spars pourles fonctions de contrle commun de diffusion (tels que le paging, random access, et access grant) ainsique des canaux de trafic associs(similaire SACCH).1.3.2 Allocation des ressourcesAvant de dcrire les options pour l'allocation des ressources, revoyons d'abord un peu de terminologie.Les trames GSM ou GPRS consistent en huit timeslots. Le timeslot 0 est rserv pour le canal GSM BCH(Broadcast CHannel). Les timeslots CS (Circuit Switched) sont utiliss pour les appels en modecommutation de circuits GSM (voix ou donnes). Le PBCH (Packet Broadcast Channel) et le P-Data(Packet-Data) sont utiliss pour les canaux GPRS.

Deux options sont disponibles pour l'tablissement des canaux de l'air interface du GPRS,(illustres dansla figure1.14) :

- Option 1: utilise les ressources de signalisation du GSM, mais tablit pour le control dutrafic des canaux packet-data spars. Les canaux de trafic peuvent tre fixes oudynamiques.

- Option 2: spare entirement les ressources du GPRS de celles du GSM. Il y a plusieursconfigurations possibles avec cette option. Un PBCH peut tre utilis pour transporterl'information du BCH-GPRS, des canaux de control communs, des canaux GPRS packet-data, et les canaux de trafic associs. Si les canaux packet-data ne sont pas transports, lePBCH ou, si des ressources PDCH additionnelles sont ncessaires, des timeslots sparspeuvent tre configurs

1.3.3 Canaux logiques GPRSLes canaux logiques sont de fonctions prdfinies supportes par des trames dans un canal physique. Lescanaux physiques GPRS transportent en gnral deux types d'informations: la signalisation de controlpour l'tablissement et le maintient d'un service GPRS, et le trafic de donnes de l'utilisateur. Ainsi, lescanaux logiques GPRS peuvent tre classs comme des canaux de control paquet et des canaux de traficpaquet. Les canaux GPRS de control paquet sont de plus diviss en des fonctionnalits de control

Figure 1.14 Canalisation de l'interface air duGPRS.

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commun, et des fonctions de control de diffusion, d'une manire similaire au GSM, comme rsum ci-aprs :PCCCH (Packet Common Control Channel) est un ensemble de canaux logiques utiliss pour lasignalisation commune entre la station mobile et la station de base.

PRACH (Packet Random Access Channel), PPCH (Packet Paging Channel), PAGCH (Packet Access Grant Channel), PNCH (Packet Notification Channel).

PBCCH (packet broadcast control channel) est utilis pour diffuser des packet-data d'informationsystme tous les mobiles GPRS dans une cellule. Le PBCCH pourrait ne pas tre prsent pour certainescombinaisons de canaux, cas o le BCCH sera utilis pour diffuser l'information systme paquet.PTCH (packet traffic channel) consiste en les sous canaux, associs du trafic,suivants:

PDTCH (Packet Data Traffic Channel), PACCH (Packet Associated Control Channel), PTCCH (Packet Timing Advance Control Channel).

1.3.4 Association des canaux logiques aux canaux physiquesLes canaux logiques que nous venons de dfinir pour le GPRS ne demandent pas ncessairement desressources physiques spares. Les canaux logiques sont associs des canaux physiques en utilisant latechnique du "multi tramage"(multiframing). La multitrame de base du GPRS[13] est dfinie parl'occurrence d'un mme canal physique dans 52 trame TDMA successives(numrotes de 0 51), et non26 ou 51 comme dans le GSM. La multitrame est organise comme suit :

12 X 4 = 48 timeslots radio pour le transport des donnes et de la signalisation; 2 timeslots de contrle de l'avance en temps PTCCH; 2 timeslots idle.

Les 48 timeslots radio sont diviss en 12 blocs radio. Chaque bloc contient 4 timeslots, qui sont pris dans4 trames TDMS successives. Contrairement au GSM, l'unit lmentaire alloue en GPRS est un bloc,soit 4 timeslots GSM. Cette unit correspond la taille des blocs RLC-MAC. Un bloc RLC-MAC setransmet donc exactement dans un bloc de la multitrame GPRS, soit 4 PDCH sur 4 trames successives(figure 1.15).

Un bloc radio peu transporter un bloc RLC-MAC de donnes ou de signalisation, indpendamment dubloc RLC-MAC transport par le bloc prcdent. Les messages RLC-MAC de contrle de l'avance entemps, ou PTCCH, subissent un traitement particulier. Ils sont transmis dans 4 slots rpartis sur deuxmultitrames (slots des trames 12 et 38).

Figure 1.15 Association des canaux canaux logiques auxcanaux physiques.

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L'ETSI dfinit trois combinaisons de canaux logiques qui peuvent tre associs un seul canal physiqueen utilisant la multi trame 52 trames.1.4 TAR utilisant la communication par talage de spectre1.4.1 Prsentation1.4.1.1 Justification thorique de ltalage de spectreLtalage de spectre tire sa justification thorique du thorme de la capacit dun canal decommunication, de Shannon, reprsent par la formule :

Capacity = Bandwidth log2 (1 + S/N) (1.1)Cette quation exprime la relation qui lie :

la capacit (Capacity) du canal, en bits par seconde (bps), la bande passante (Bandwidth) ncessaire, en Hz, et le rapport (S/N) de la puissance du signale celle du bruit.

Plus explicitement[10], cela signifie que plus on a de bande passante, meilleur est le rapport S/N, plusnous pouvons injecter de dbit dans le canal (cela coule de source). Cependant, considrons une situationo le signal est plus faible que le bruit. Sous ces conditions la relation (1.1) devient plus simple, et peuttre approxime par :

Capacity / Bandwidth = 1.44 * S/N (1.2)Ce que dit cette relation est que pour prserver la capacit du canal de communication on peut changerune bande passante plus large contre un meilleur rapport signal bruit, ou vice versa. Cest dire, quon

peut maintenir ou mme augmenter la performance de la communication (Capacit leve) en autorisantou injectant plus de bande passante (Bandwidth leve), mme lorsque la puissance du signale est endessous du niveau du bruit.Si nous pouvons donc trouver une manire dencoder nos donnes dans un signal de large bande passante,nous pourrons alors les transmettre, sans erreurs, dans des conditions o le bruit serait beaucoup pluspuissant que le signale utilis. Par consquent lnergie utilise pour transmettre le signal serait tale surla bande passante, et ressemblerait du bruit. Cest cette ide, simple, qui est derrire les techniques deltalement de spectre(figure 1.16).Il y a plusieurs raisons l'talement du spectre, et si c'est fait proprement on pourrait en tirer multiplesbnfices, dont:

La possibilit dun adressage slectif. Si ltalement du signal est fait de manire correcte,utilisant une mthode dencodage propre, alors le signal ne peut tre dcod que par un rcepteurqui connat le code de lmetteur. Donc, grce au code de lmetteur, nous pouvons adresser un

Figure 1.16 Une explication de l'talement de spectre.source: Steve Rackley.Wireless Networking Technology From

Principles to Successful Implementation. Newnes 2007.

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rcepteur spcifique et vice versa. Cest l le principe du Code Division Multiple Access(CMDA).

Le partage de la bande passante. Avec un choix judicieux des codes de modulation, il est tout fait faisable davoir plusieurs paires dmetteurs/rcepteurs occupants la mme frquence. Cetteaptitude partager la bande passante est trs apprcie pour les besoins des utilisateurs dediffusion commerciale, dautant plus que le spectre radio est fragment.

Protection contre les mises lcoute. Si un couteur indiscret ne connat pas le code demodulation dune transmission par talement de spectre, tout ce quil entendra sera plus de bruit,que quelque chose espionner. Do, une immunit contre les interceptions des communications.

Immunit contre les interfrences. Si un signal radio externe interfre avec une transmission partalement de spectre, il sera rejet par le mcanisme de dmodulation dune faon similaire aubruit. Nous retournons ainsi au point de dpart de cette discussion, qui est que les mthodesdtalement de spectre peuvent fournir dexcellent taux derreurs mme avec des signaux qui nesont pas trop forts.

Difficult de dtection. Puisque la liaison de ltalement de spectre met beaucoup moins depuissance par bande passante quune liaison radio conventionnelle, ltalant sur une plus largebande passante, et ncessitant la connaissance du code de liaison pour la dmodulation, les signauxdtalement de spectre sont difficiles dtecter. Cela signifie quils peuvent coexister avec dautressignaux plus conventionnels sans causer dinterfrences catastrophiques aux liaisons bandestroites.

1.4.2 Techniques de ltalement de spectre [11]Nous allons prsenter deux techniques de base, d'talement de spectre, abondamment dcrites dans lalittrature; il sagit de l'talement par squence directe et de l'talement par saut de frquences.1.4.2.1 Etalement par squence directeL'talement de spectre par squence directe suppose, pour transmettre un signal en bande de base, demultiplier (avant modulation) chaque bit transmettre par un code pseudo alatoire de dbit suprieur celui du signal transmettre. Le rsultat binaire de cette opration modulera ensuite l'onde porteuseservant la transmission effective de l'information. Le signal de sortie s'talera donc sur une bandepassante plus large que celle ncessaire la transmission du signal d'origine, et ressemblera du bruitmais contenant l'information.Cette squence de codes est en fait un code binaire pseudo alatoire (souvent appel "pseudo-noise" PN),spcifiquement choisi pour ces proprits statistiques apprciables. La dure dun seul bit dans le PN estappele "chip", et le dbit binaire du PN appel "chip rate". Le processus de modulation de la frquenceporteuse avec le code PN est appel talement (spreading).

Un large ventail de pseudo codes existent et peuvent tre utiliss cette fin. Ces codes doivent,idalement, tre balancs, avec un nombre gal de 0 et de 1 sur toute la longueur de la squence, commeils doivent tre srs en terme de cryptographie. Ces squences de code sont produites par des gnrateursde PN.

Figure 1.17 Etalement de spectre par squence directe.Source :Steve Rackley.Wireless Networking TechnologyFrom Principles to Successful Implementation. Newnes

2007.

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Cot rception, lide est dutiliser une opration de corrlation. Cette opration mesure la similitude dula squence de code PN reue avec celle dun PN connu du rcepteur. Idalement, si ces deux squencessont les mmes une forte corrlation est dtecte, si ces codes sont diffrents cest une corrlation faiblequi dtecte (figure 1.17).1.4.2.2 Ltalement par saut de frquencesAvec cette technique, le spectre de frquences radio disponible est partag en un nombre discret decanaux frquentiels. La frquence porteuse de lmetteur est rgle, au rythme du signal transmettre, surune valeur de frquence dtermine dune manire pseudo alatoire. Lordre dans lequel les diffrentesfrquences sont occupes est fonction dune squence de codes pseudo alatoire PN, tandis que la vitesse

des sauts dune frquence une autre est fonction de la vitesse du signal dorigine. La bande passantedun signal tal par cette technique est simplement w fois le nombre de slots de frquence, o w est labande passante de chaque canal de saut (figure 1.18).1.4.2.3 SynchronisationLe succs des systmes CDMA dpend d'une synchronisation prcise. Pour rtablir un signal tal, on abesoin d'utiliser le mme code utilis pour l'talement. L'opration se droule en deux tapes, l'acquisitionet la recherche. D'abord l'acquisition (ou synchronisation grossire) est effectue, o il est questiond'aligner le code sous forme de chips. Ensuite, la recherche (ou synchronisation fine), o la corrlation estmesure et le code du rcepteur est mis en synchronisme avec celui transmis.Maintenant que le principe de ltalement de spectre est prsent nous allons passer en revue quelquesstandards de communications sans fil qui adoptent ce principe.1.4.3 IS-95 (cdmaOne)LIS-95(Interim Standard 95) incarne, avec lIS136, la deuxime gnration des communications sans filaux Etats-Unis, destins concurrencer le systme europen GSM.LIS-95 utilise la mthode daccs CDMA, qui permet de grouper les utilisateurs dans une mme bandede frquences. La norme IS-95 est squence directe, et occupe une largeur de bande de 1,25 MHz parporteuses et par sens de communication [13]: station de base vers terminal et terminal vers station de baseou, dans le vocabulaire amricain, forward direction et reverse direction. Une diffrence majeure entre

Figure 1.18 Etalement de spectre par saut de frquence.Source :Steve Rackley.Wireless Networking Technology From

Principles to Successful Implementation. Newnes 2007.

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cdmaOne et les autres standards cellulaires vient du fait que dans cdmaOne, la mme frquence estrutilise dans toutes les cellules du systme, ce qui correspond un facteur de rutilisation de 1, d aufait que cdmaOne identifie les transmissions des diffrents mobiles grce aux diffrents codes d'talementqui identifient chaque mobile.Pour combattre le phnomne d'vanouissement des canaux radiomobiles via la diversit d'antenne (spacediversity), aussi bien les stations de base (SB) que les stations mobiles (SM), utilisent des antennes quiont plus d'un lment (RAKE receivers).L'utilisation du CDMA pour la sparation des utilisateurs ncessite une synchronisation prcise entre lesSBs pour viter beaucoup trop d'interfrences. Cette synchronisation est obtenue via l'utilisation danschaque SB d'un rcepteur GPS (Global Positioning system). Ces rcepteurs GPS fourniront un timing dusystme, trs prcis. Une fois les SBs synchronises, elles ont la responsabilit de fournir les informationsde timing aux SMs. Ceci est accompli en acheminant de la SB aux SMs un paramtre identifiant le tempssystme, dcal du dlai d'un aller ou d'un aller retour de la transmission. De cette manire, les SBs et lesSMs sont assures de rester synchronises.1.4.3.1 Les codes pseudo bruit Courts, Longs et de WalshLes codes d'talement CDMA utiliss sont de trois types [14]. Les deux premiers types de codes sont dessquences pseudo alatoires(ou pseudo noise PN) portant des noms particuliers: codes courts et codeslongs(short PN and long PN). Les codes de Walsh sont ceux gnrs en utilisant les matrices de Walsh-Hadamard.Code courtLe code court utilis dans cdmaOne est une m-squence de longueur (215 1) bits, soit 32 767 codes(gnre par un "Linear Feed Shift Register" de 15 registres). Ces codes sont utiliss pour lasynchronisation dans les voies montante(uplink) et descendante(downlink), ainsi que pour l'identificationde la cellule/SB dans la voie descendante. Le code court se rpte toues les 26,666 ms. Durant 2 secondesla squences se rpte exactement 75 fois. La petitesse de cette squence est recherche, parce que durantl'tablissement d'un appel, le mobile recherchera justement un code court et aura besoin de le trouverassez rapidement. Deux secondes est le maximum de temps que le mobile mettra pour trouver une stationde base (SB), sil en existe une.Chaque SB se voit attribue l'un de ces codes. Mais, puisque un code court est seulement une squence,comment fait-on pour l'attribuer toutes les stations? En le dcalant cycliquement. D'aprs les propritsdes m-squences, chaque code obtenu par dcalage est un code indpendant, puisque la version dcale,d'une m-squence, une trs petite corrlation. Dans cdmaOne ce dcalage est de 512 chips pour chaquestation adjacente. Donc, les diffrentes cellules (ou les diffrents secteurs d'une cellule) utilisent le mmecode court, mais avec des dcalages diffrents(PN Offsets), et c'est ainsi que le mobile diffrencie unestation des autres. Le mobile ajoute le code court ses messages, avec le dcalage spcifi, pour que laSB destinataire sache que ces messages lui sont destins.Code LongLes codes longs sont de 242 bits ( gnrs par un LFSR de 42 registres), et dfilent 1,2288 Mb/s. Letemps que ca prend pour recycler cette longueur de code est de 41,2 jours. Ces codes sont utiliss la foispour taler le signal et pour l'encrypter. Une version dcale du long code est gnre par le tlphonecellulaire durant l'tablissement d'un appel. Le dcalage est appel Long Code Mask, et est unique chaque appel tlphonique. CdmaOne a un protocol de scurit appel CAVE qui requiert une cld'authentification de 64 bits(A-Key), et un numro srie lectronique(ESN) attribu un mobile sur labase du numro du tlphone. Le rseau cdmaOne utilise ces deux informations pour crer un nombrealatoire, ncessaire la gnration d'un masque pour le code long, servant au cryptage et l'talement dechaque appel tlphonique. Ce masque n'est pas fixe mais change chaque fois qu'une connexion esttablie.

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Il y a un code long public, et un autre priv. Le code long public est utilis par le mobile pourcommuniquer avec la SB durant la phase d'attachement. Le code long priv est gnr ensuite pourchaque appel, et abandonn la fin de la communication.Codes de WalshEn plus des deux types de codes prcdents, un autre type de code spcial, appel Walsh, est aussi utilisdans cmdaOne. Les codes Walsh n'ont pas les proprits des m-squences en termes de corrlationcroise. Le but principal des codes Walsh dans cdmaOne est raliser une orthogonalit entre tous lesutilisateurs dans une cellule. Chaque canal de trafic utilisateur est associ un code Walsh diffrent par laSB. IS-95 a la capacit d'utiliser 64 codes, mais tous ne sont pas ddis aux trafics utilisateurs. En d'autrestermes, chaque station de base la possibilit de communiquer simultanment sur 64 canaux diffrents.

Ces codes sont utiliss pour l'talement dans la voie "forward". Dans la voie "reverse", ils ne sont pasutiliss pour diffrencier les utilisateurs, mais pour la modulation 64-ary. La figure 1.19, reprsentel'utilisation des diffrents codes et les interrelations entre eux.1.4.3.2 Uplink (reverse direction)La couche physique de l'IS95 assure une double fonction: dfinir un canal physique et y fiabiliser letransport de l'information. Dans le sens montant un canal physique est matrialis par l'information portepar un canal correspondant un code spcifi. Pour chaque canal physique, cdmaOne gnre unesquence alatoire, appele long mask, qui permet de moduler(taler) l'information utile selon la mthodeCDMA, permettant ainsi de multiplexer les utilisateurs sur une mme bande passante[14].Le gnrateur des squences est constitu d'un registre de dcalage de 42 cases. A dbit de squences de1,228 8 Mchip/s, la dure qui spare deux codes identiques est de :

( 242 1) / 1,228 8 Mchip/s = 41,1 jours.La figure 1.20 retrace les tapes de modulation de la voie montante. Les donnes entrantes sont produites un dbit variable : 1200, 2400, 4800 et 9600 bit/s. Pour maintenir les trames 20 ms, une rptition desinformations est effectue pour les dbits infrieurs 9600 bit/s. Ainsi, l'information 1200 bit/s estrpte huit fois, tandis que celles 2400 et 4800 le sont respectivement quatre et deux fois. Cesdonnes brutes doivent tre protges lors de leur transmission dans l'air. Cette protection est assure parun code convolutionnel de taux 1/3 et de longueur 9, qui ajoute deux bits de redondance chaque bitd'information, multipliant ainsi le dbit des donnes par trois, soit 28,8 Kbit/s(9600 x 3).Un entrelacement intervient sur chaque trame pour rpartir les erreurs sur plusieurs blocs d'information.Cette opration permet de rduire l'effet d'vanouissement du signal lors de sa traverse de l'interfaceradio.

Figure 1.19 interrelations entre les codes utiliss dans le CDMASource: Charan Lagton. Intuitive Guide to Principles of

Communications. www.complextoreal.com/

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S'ensuit alors une opration supplmentaire visant renforcer la protection de l'information contre leserreurs. Elle est quivalente l'application d'un code correcteur C(64,6). Chaque bloc de 6 bits estremplac par la fonction de walsh correspondante de 64 bits. Ceci amplifie le dbit 307,2 Kbit/s.L'talement intervient en tant que phase ultime de la modulation binaire. Le flot de donnes est tal parle long et court code, respectivement. Un flux de 1,228 8 Mchip/s est envoy vers le modulateur de phaseQPSK (Quadrature Phase Shift Keying) pour une transmission vers la station de base par l'interface air.1.4.3.3 Downlink (forward direction)Les donnes sources traiter arrivent avec l'un des quatre dbits : 1200, 2400, 4800 ou 9600 bit/s. De lasorte, le dbit du codeur de la voix change proportionnellement l'activit vocale en entre. Quoi qu'il ensoit, le flot de donnes en sortie est pass un codeur convolutionnel de taux 1/2, qui ajoute deux bits deredondance chaque bit d'information, multipliant ainsi le dbit des donnes par deux, soit 19,2 Kbit/s(9600 x 2). Le rsultat du codeur convolutionnel est l'entre de la fonction de rptition, qui rpte leschantillons des donnes de dbits rduits (1200, 2400 et 4800 bit/s) pour former un dbit de sortieconstant de 19,2 Kbit/s. Le flot binaire est ensuite entrelac alatoirement dans des trames( un intervallede 20 ms). Le but de l'entrelacement est, comme dj signal, de lutter contre les environnementsd'vanouissement multi chemins, qui provoquent des erreurs, par salves, dans le canal radio. Le rsultatde cet entrelacement est additionn (modulo 2) un code brouilleur de dbit 19,2 Kbit/s, obtenu d'undcimateur de type 64:1. Le dcimateur choisis chaque 64ime bit partir d'un gnrateur de"long code"dbitant 1,2288 Mchip/s. Le gnrateur de "long code" cre de trs longs codes (242 1 bits) bass surles informations spcifiques de l'utilisateur, telles que l'identifiant du mobile ou le numro de srielectronique de l'utilisateur. Les "long code" procurent un haut niveau de scurit, cause de leurlongueur. Cette information est fournie au rseau lorsque la SM envoie ces informations de confirmation la SB. Notons qu'un second dcimateur de type 24:1 participe l'insertion de bits assurant le contrle depuissance d'un dbit de 800 bit/s. Notre flot de 19,2 Kbit/s sera tal dans un premier temps par une

Gnrateurdu long mask

Donnes dbit

variable

Code convolutionnelTaux = 1/3Longueur = 9 Rptition Entrelacement

MatriceWalsh

1,228 8 Mchip/s

28,8 Kbit /s

307,8 Kbit /s

1,228 8 Mchip/s

Figure 1.20. Modulation de la voie montante dans l'IS95.source: Al Agha Pujolle Vivier. Rseaux de Mobiles & Rseaux Sans Fil. Editions Eyrolles.

Gnrateurdu long mask

Donnes dbit

variable

CodeconvolutionnelTaux = 1/2

Longueur = 9 Rptition Entrelacement

Dcimateur64:1

(Adaptateurde dbit)

Dcimateur24:1

(Adaptateurde dbit)

MUX

ContrleDe

puissance

1,228 8 Mchip/s

19,2 Kbit /s

1,228 8 Mchip/s

192,2 Kbit /s

19,2 Kbit /s

19,2 Kbit /s

800 bit /s

800 bit /s

Walsh J

Figure 1.21 Modulation de la voie descendante dans l'IS95.source: Al Agha Pujolle Vivier. Rseaux de Mobiles & Rseaux Sans Fil.Editions EYROLLES.

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fonction Walsh fonctionnant 1,2288 Mchip/s. L'talement par matrice de Walsh dote chaque canal d'unidentifiant unique. Enfin, le signal tal (de 1,2288 Mchip/s) est tal dans un deuxime temps par un"code court" de mme dbit(1,2288 Mchip/s). Un "code court" est un code d'un pseudo bruit de 215 1bits de long. Toutes les SBs utilisent le mme "code court", mais avec un dcalage diffrent. Il existe 512dcalages diffrents qui, ainsi, ne permettent d'identifier de manire unique que 512 SBs cdmaOne. Unmobile peut facilement distinguer les transmissions de deux SBs diffrentes travers les dcalages de leur"code court". Enfin, le signal rsultant est transmis sur le medium sans fil via une modulation QPSK. Lafigure 1.21 retrace les tapes de modulation de la voie descendante.1.4.3.4 Les canaux logiques [14]1.4.3.4.1 Canaux de la voie "Forward"Une station de base peut avoir, comme nous l'avons vue, 64 canaux. Elle a un signal pilot, un canal synch,et 8 canaux paging. Le reste des canaux sont ddis au trafic avec les mobiles. Ces canaux sontreprsents sur la figure 1.22 et sont dcrits dans ce qui suit.

Canal pilotCommenons par montrer comment une station tablie un contact avec les mobiles dans sa cellule. Elletransmet continuellement un signal reprsentant une srie de zros, qui est couvert par le code Walsh 0.Ce signal est multiplier par le code court de la station de base, qui est rappelons le, le mme code courtque toutes les SBs utilisent, mais avec PN offset diffrent. Les PN offsets du canal pilot sont toujoursattribus aux SBs en des multuples de 64 chips, donnant ainsi 512 "Pilot Offset" possibles. Enfin, lesignal rsultant est convertit sur la frquence porteuse du canal de transmission.Ct rception, le mobile se saisit du signal et note la SB qui le transmet. Mais, si le code court est rptcycliquement, comme on l'a vu, comment le rcepteur connat t-il le PN offset ? Toutes les autres SBs du

Figure 1.22 Les cannaux de la voie descendante ou forward.Source Charan Lagton. Intuitive Guide to Principles ofCommunications. www.complextoreal.com/

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voisinage ne paratraient t-elles pas les mmes? Oui, et le mobile ce point ne connat pas quelle SB ilcommunique avec, il sait seulement qu'il a trouv le rseau. Pour dterminer toutes les SBs possibles (ilpeut y en avoir 256), utilisant chacune un code court dcal de 512 chip, le rseau le signal et le timing duGPS.

La SB avec un offset zro aligne la transmission de son pilot avec chaque top de temps du GPScorrespondant un nombre pair de secondes. Donc, supposons que notre mobile est dans une celluleappartenant une SB avec un PN offset de 10. Cela signifie qu'il commencera sa transmission 10 x 512chip = 5120 chips aprs chaque top de temps d'un nombre pair de secondes (voire figure 1.23). Lorsque lemobile se rveille et consulte son temps, il sait exactement o chaque code court de SBs devrait tre. Toutce qu'il aura faire c'est de corrler les bits qu'il reoit avec chacune des 256 squences possibles. A la finde ce processus il saura exactement quelle SB il entend.Canal SynchUne fois la slection de la SB termine, le mobile doit se synchroniser avec cette SB travers lesinformations qu'il trouvera sur le canal Synch( de dbit 1200 bps). L'information fournie par ce canalinclue le "pilot offset" du pilot que le mobile acquis. Cette information permettra au mobile de savoir ochercher les "pilots" dans liste du voisinage. Elle inclu aussi le temps systme, le temps du jour, bas surle temps GPS. Le temps systme sert la synchronisation des fonctions du rseau. Par exemple, lesgnrateurs de code PN sur la voie "reverse" utilise un "offset" zro par rapport au nombre pair desecondes du temps GPS. Cependant, les mobiles connaissent seulement le temps systme de la SB plusune incertitude due au dlai de propagation de sa SB son endroit. L'tat du gnrateur de code long autemps systme est aussi envoy au mobile dans le message de synchronisation. Ceci permet au mobiled'initialiser et dmarrer son gnrateur de code long en synchronisme trs rapproch avec les gnrateursde code long dans la SB. Le message de synchronisation notifie aussi le dbit de donnes du canal"paging", qui peut tre 4800 ou 9600 bits/s.Canal PagingMaintenant le mobile est prt recevoir et initier des appels. Les donnes sur le canal "paging" envoyespar la SB, incluent le ESIN(Electronic Serial Identification Number) du mobile, et est couvert par un codelong. Comment le mobile pourrait t-il deviner ce qu'est ce code long? Au niveau "paging", le systmeutilise un code long public, car c'est un canal commun. Lorsque le bon mobile rpond, un nouveau codelong priv sera attribu ce moment l, avant que l'appel ne soit tabli. En parcourant le canal "paging" lemobile reconnat son numro de tlphone et rpond par une sonnerie. Lorsque l'utilisateur accepte l'appelun message d'accs retourne la SB. Il s'ensuit alors un protocole dbouchant sur la dtermination d'unmme code long pour la couverture des messages, aussi bien chez le mobile que chez la SB.Canal trafic

Figure 1.23 Le mobile cherche le code qui s'aligne avec le timingGPS.Il saisi le code reu cet instant, fait la corrlation avec la donne stocke etconnat quelle station de base il a trouv.

source: Charan Lagton. Intuitive Guide to Principles of Communications.www.complextoreal.com

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La station de base peut transmettre un trafic de donnes 54 mobiles en mme temps. Elle garde cescanaux spars en utilisant des codes Walsh. Ceci est un multiplexage par division de code plutt qu'unecanalisation base frquence. Les codes Wlash sont utiliss par la SB seulement, de cette faon nousavons un CDMA synchrone sur la voie "forward", alors que sur la voie "reverse" c'est un CDMAasynchrone. La construction du trafic sur ce canal se fait comme dj prsent (section voie "forward").La SB combine tous ses canaux de trafic (chacun couvert par un code Walsh diffrent), tous les canaux"paging" (juste 8), le canal "pilot", et le canal "synch". Elle les additionne, et fait la conversion srieparallle vers les canaux I et Q. Chacun est couvert par un code court I et Q, modul par QPSK sur unefrquence porteuse, et envoys dans la cellule.1.4.3.4.2 Canaux de la voie "reverse"Dans cdmaOne, un mobile transmet seulement sur deux canaux, et jamais simultanment. C'est soit sur uncanal "Access" soit sur un canal "Traffic".Canal AccessPour transmettre de l'information vers la SB, l'utilisateur se sert du canal Access. Ce canal lui permet tout la fois, d'enregistrer sa localisation, de rpondre un message de paging, et d'envoyer un segment dedonnes.Canal TrafficLe canal de trafic sert envoyer de l'information ou de la signalisation ddie. La transmission sur cecanal tant dj prsente, nous n'y reviendrons pas.1.4.3.5 Control de puissanceCdmaOne est un systme accs multiple o plusieurs utilisateurs ont accs la mme bande defrquences. Le succs du systme rside dans un control total de la puissance des signaux mis. Dans unenvironnement cdmaOne, chaque station mobile (SM) est une source de bruit pour les autres. Une SMvoit l'environnement autour d'elle comme une addition cumulative d'information qui lui est destine, etd'interfrences. Les interfrences, leur tour, sont constitues d'informations pour d'autres SMs, plus dubruit provenant de sources diverses. Il est clair alors que, si les interfrences sont trop importantes,l'information ne pourra pas tre retrouve [16].Gnralement, la station de base (SB) est bombarde par des signaux provenant de plusieurs SMs.Certaines de ces SMs sont plus proches de la SB que d'autres, et leurs signaux par consquent, plus fortsque ceux des mobiles lointains (l'vanouissement et les chemins multiples attnuent les niveaux despuissances). C'est le problme "Near-Far", inhrent aux communications CDMA. Ces systmes sont"Interference limited", c.a.d, que leur capacit est troitement dpendante de la puissance des signaux quirgne dans le rseau.Pour prendre en charge tous ces aspects, les systmes CDMA implmentent une fonction de contrle depuissance ddie, qui grent les niveaux de puissance de tous les mobiles pour, les maintenir en dessousd'un certain seuil requis, et les rendre trs proches, que le mobile soit proche ou loin. A cet effet, lesystme maintient ce qu'on appelle une boucle de control de puissance.Selon le standard IS-95, le control de puissance CDMA est un processus trois tapes [19]:

1. Reverse Link Open-Loop Power Control (lien mobile base ): ce control est accompli en ajustantla puissance de transmission du mobile de sorte que le signal reu la SB soit constantindpendamment de la distance du mobile la SB.

2. Reverse Link Closed-Loop Power Control: ce control est accompli au moyen de deux commandes("power-up" et "power-down") provenant du site de la cellule. Un seul bit de puissance (1pour 0,5 dB de puissance en plus et 0 pour 0,5 db de puissance en moins) est insr dans leflot de donnes de la voie "forward", toutes les 1,25 ms. En recevant cette commande de laSB, le mobile rpond en ajustant sa puissance de transmission comme instruit.

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3. Forward Link Power Control (base to mobile): c'est un processus une tape. La SB contrle depuissance de transmission de sorte qu'un mobile donn reoive un plus de puissance pourvenir bout du phnomne d'vanouissement, des interfrences, erreurs, etc. Dans cemcanisme, le site de la cellule rduit sa puissance de transmission pendant que le mobilecalcul le "frame error rate"(FER). Une fois que le mobile dtecte un FER de 1%, il envoi unerequte pour stopper la rduction de la puissance.

1.4.4 CMDA2000 [16]1.4.4.1 Prsentationcdma2000 incarne le prolongement des rseaux de deuxime gnration fonds sur le multiplexage parcode. Il descend directement de cdmaOne (IS-95), avec lequel il est entirement compatible. Bien quecdma2000 puisse tre utilis comme une interface air de rseaux 3G purs (utilisation du spectre IMT-2000), son principal avantage est son aptitude recouvrir (overlaying) aussi, sur une mme bande defrquences, des systmes (2G) IS-95. Cet aspect est trs important pour les oprateurs d'Amrique dunord du fait que la bande de frquence spcifie par l'UIT pour IMT-2000 est dj en utilisation dans cesrgions. Il peut servir des clients dans des cellules de diffrentes tailles, des pico et micro cellules auxmacro cellules, voire des mga cellules.

Cdma2000, dans sa forme dorigine, a surtout augment lefficacit du systme IS-95 par de nouveauxapports, incluant (i) des apports en termes de diversit en transmission et d'antennes intelligentes, et (ii)un pilot spar pour chaque uplink, permettant ainsi une rception cohrente.Cdma2000 utilise plusieurs fonctionnalits qui ntaient pas prsentes dans cmdaOne(IS-95) :

Figure 1.24 Architecture du cdma2000source: Introduction to cdma2000 Standards forSpread 3GPP2 V.1.0

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Les canaux SCH (Supplemental CHannel) sont amliors, pour quils supportent non seulementles informations de control (avec des dbits de donnes infrieurs 9.6 et 14.4 Kbit/s), mais aussiles transmissions de donnes hautes vitesses (jusqu 1 Mbit/s). Plus prcisment, les canauxSCH oprent dans deux modes. En mode 1x, ils sont compltement analogues ceux de IS-95.En mode 3x, les dbits de donnes sont suprieurs 14.4 Kbit/s, et sont ngocis entre la SB et laSM.

Des canaux ddis et des canaux communs sont utiliss pour les services de donnes. Le canal decontrol commun transporte les courts messages et la signalisation MAC pour les donnes paquet.Les canaux de control ddis peuvent, soit transporter les messages courts de lutilisateur, soitlinformation sur le control de puissance et la continuit du lien.

Les codes Walsh ont maintenant une longueur variable. Ces codes de longueur variable peuventtre utiliss pour la transmission de donnes sur les canaux SCH.

Control de puissance rapide dans la voie descendante (downlink). Un canal pilot pour chaque voie montante (uplink), permettant une rception cohrente. Support dantennes intelligentes, par lintroduction de canaux pilot auxiliaires ddis et commun.

Cdma2000 a aussi inclus deux modes de fonctionnements possibles : le mode appel 1x, qui utilise une

largeur de bande de 1,25 MHz, et le mode appel cmda multi-porteuses (ou mode 3x), qui utilise unelargeur de bande de 5 MHz en combinant trois porteuses IS-95, en une seule bande (figure 1.24).Cdma2000 - mode 3xLe mode 5 MHz du cdma2000, est aussi connu comme le "mode 3x" (car il utilise trois porteuses), oubien comme mode cdma multi porteuses. L'ide de base derrire le 3x est d'utiliser une bande passanteplus large, autorisant, ainsi, une vitesse de donnes plus grande. Cette bande passante plus large, estralise de diffrentes manires pour la voie uplink et la voie downlink. Dans le "uplink", la SM adopteune vitesse de chip plus large, c.a.d 3 x 1.2288 = 3 6864 Mchip/s. Dans le d"downlink", la SB transmet enparallle sur trois porteuses adjacentes. Les donnes sont d'abord codes pareil IS-95, et puis dmultiplexes sur les trois porteuses. Ainsi, la diversit en frquences une plus large bande est encoredisponible.Cdma2000 utilise un duplexage par division de frquences (Frequency Division Duplex), mais unduplexage par division de temps(Time Division Duplex) est aussi support. Dans le mode FDD, le trafic

Figure 1.24 Bandes passantes de fonctionnement du cdma2000.source: Serge Willenegger. cdma2000 Physical Layer: An Overview.QUALCOMM International, Switzerland 2000.

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uplink et downlink sont transports sur des canaux frquentiels diffrents. Le mode TDD est avantageuxdans les environnements o seulement des bandes de frquences amoindries sont disponibles.Cdma2000 - mode 1xUn des aspects cl du mode 1x est sa bonne compatibilit avec le systme IS-95 dorigine. Quant elleopre dans le mode 1x, une SB cdma2000 supporte la communication avec des SMs IS-95 aussi bien quedes SMs cdma2000. En plus des canaux existants dans IS-95, un certain nombre de nouveaux canaux,supportant des fonctionnalits additionnelles comme les donnes en paquet et les antennes intelligentes,sont aussi apparus.1.4.4.2 Les canaux logiquesCanaux ddis sur la voie "downlink " Cdma2000 a aussi bien, des canaux compatibles avec IS-95, quedes canaux de nouveaux types. Le canal FCH (Fundamental CHanel) est similaire au canal Trafic, etautorise aussi quatre dbits de donnes diffrents; selon le " rate set ", le dbit maximum est de 9.6 ou14.4 Kbit/s. Le canal de control ddi, est soit transmit un dbit maximum, soit pas du tout. Il peut yavoir aussi un ou deux canaux F-SCHs (Forward Supplemental CHannels), fournissant de hauts dbits dedonnes. La raison avoir des canaux additionnels, et non pas juste un canal avec un facteur dtalement(spreading) variable, est quil est plus facile pour un "metteur-rcepteur" dallumer et de fermer lescanaux SCHs, que de constamment changer le dbit du code dun seul canal disponible. Noter, quunFCH existe toujours, pour quun SCH puisse seulement se produire, conjointement un FCH. Dans lavoie downlink, linformation de signalisation peut tre transmise soit en utilisant le "blanck-and-burst",o elle remplace quelques informations de la parole, soit par transmission sur un canal spar, le F-DCCH(Forward Dedicated Control CHanel). La dernire option est spcialement utile quand une transmissionVoIP est utilise. Si des antennes directives sont utilises, alors le F-APICH (Forward dedicatedAuxiliary PIlot CHannel) permet dobtenir lestimation du canal pour ce lien spcifique. Enfin, le F-PDCH (Forward Packet Data CHannel) transporte les paquets de donnes, et est attribu un utilisateurpour de trs courts intervalles de temps ( 1.25ms, 2.5ms, ou 5ms).Canaux communs sur la voie "downlink" Le premier group de canaux communs est celui des canauxpilot. En plus du canal pilot commun, connu, du IS-95, il peut y avoir aussi des canaux pilot additionnelsddis un lien spcifique (voir plus haut), de mme que le F-TDPICH(Forward Transmit Diversity PIlotCHannel) et le ATDPICH(Auxiliary forward Transmit Diversity Pilot CHannel) utiliss pour la diversiten transmission. Juste comme dans IS-95, le F-SYNC(Forward SYNChronization channel) sert la SMpour acqurir une information systme initiale. Un changement important par rapport IS-95 est observdan le "paging". Alors que cdma2000 encore un canal paging pour des raisons de compatibilit deretour arrire, les fonctionnalits sont habituellement assures par tout un ensemble de nouveaux canaux,chacun d'eux tant optimiss pour une tche spcifique. Le F-QPCH(Forward QuickPaging CHannel)contient un trs court message qui dit la SM si un message de paging est en attente ou non. Si aucunmessage n'est en attente, alors la SM peut immdiatement retourner en mode endormi, ce qui prservel'nergie. C'est seulement dans les (statistiquement rares) cas o un message de paging est en attente, quela SM reste allume, et coute le message sivant sur le F-CCCH(Forward Common Control CHannel). Laconfiguration systme et d'autres paramtres sont transmis sur le F-BCCH(Forward Broadcast ControlCHannel).Un autre groupe de canaux de control comprend le F-PDCCH(Forward packet Data Control CHannel),qui contient la signalisation et l'information de control pour le canal de donne paquet. Enfin, signalonsaussi le F-CACH(Forward Common Assignment CHannel) et le F-CPCCH(Forward Common PowerControl CHannel).Canaux ddis sur la voie "uplink" Les canaux ddis sur la voie uplink sont du mme type que ceux dela voie downlink, savoir, le R-PICH (Reverse PIlot CHannel), R-FCH (Reverse Fundamental CHannel),le R-DCCH (Reverse Dedicated Control CHannel), et le R-SCH (Reverse Supplemental CHannel). En

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plus, il y a le R-CQICH (Reverse Channel Quality Indicator CHannel) et le R-ACKCH (ReverseACKnowledgement CHannel).Canaux communs sur la voie "uplink" Les canaux communs de la voie uplink sont similaires ceux duIS-95, et incluent le R-ACH (Reverse Access CHannel), qui existe aussi dans IS-95, ainsi que deuxnouveaux cannaux: R-EACH (Reverse Enhanced Access CHannel), and the R-CCCH (Reverse CommonControlCHannel). La raison derrire l'introduction de nouveaux canaux Access se trouve dans le fait quepour cdma2000 les messages d'accs alatoire sont plus frquents et plus longs. Ceci mne une grandeprobabilits de perte de messages, une latence leve, et une utilisation des ressources plus importante.Cdma2000 dfinit donc deux modes d'accs alatoire: un mode dit basic, pour des messages courts,similaire IS-95, o les messages sont transmis avec des puissances de plus en plus fortes, jusqu' ce quela SB envois un accus de rception du message; et pour les messages plus longs, un mode de rservationd'accs. Dans ce dernier mode, les messages d'accs alatoire sont scinds en deux parties. La SM, dansla premire partie, envoie une trs courte requte pour obtenir de la capacit sur le "reverse link". La SBaccuse rception de cette requte sur le canal F-CACH. Une fois que la SM reoit cet accus de rception,elle pourra transmettre la partie donne du message sur le canal R-CCCH. Ce canal a un control depuissance, et est ainsi plus fiable et plus efficient en terme de puissance que le R-ACH.1.4.4.3 Quelques caractristiques du cdma2000Cdma2000 prsente un nombre d'amliorations dans la modulation, le codage, et le control de puissancece qui, compar IS-95, rehausse la flexibilit et augmente le dbit. Dans ce qui suit nous discutons desplus importantes de ces amliorations.Control de puissance rapide sur la voie "downlink" Dans IS-95, seule la voie uplink avait un control depuissance rapide, o la puissance de transmission de la SM pouvait changer chaque 1.25ms. Danscdma2000, la voie downlink aussi a cette capacit. Donc, le control de puissance de la voie downlink estmaintenant capable de suivre l'vanouissement rapide; ceci rsulte en des amliorations de performanceconsidrables.Meilleur codes correcteurs d'erreur Cdma2000 utilise diffrents codes convolutifs, et inclue aussi lesturbo codes en option. Les codes convolutifs ont des taux de 1/2 et 1/4.Diversit en transmission (Transmit diversity): Une des amliorations de la conception de la voiedescendante du systme cdma2000 est l'utilisation de la diversit en transmission ct station de base.Bien sr, cette approche ne sera effective que si la diversit est aussi employe ct rcepteur. La SButilise des antennes spares, pour transmettre les multiples sous-porteuses. Les signaux sortant desdiffrentes antennes vont subir le phnomne d'vanouissement de manire indpendante, augmentantainsi la diversit de frquence.Modulation pour le downlink Cdma2000 utilise des codes OVSF, c.a.d, des codes Walsh tauxd'talement variable, o les taux peuvent varier entre 2 et 512. Ceci donne une flexibilit accrue dans lenombre de dbits de donnes supports. En plus, cdma2000 dfinit aussi un ensemble de QOFs (QuasiOrthogonal Functions) qui interviennent lorsque tout les codes OVSF ont t utiliss, c.a.d, tout les codesavec un facteur d'talement 256, ou ceux dont le code pre, dans l'arbre des codes, est utilis. Cettesituation se produit quand les antennes intelligentes entre en jeu. La modulation elle-mme a chang,permettant au facteur d'talement des codes Walsh de doubler, et ainsi mettre plus d'utilisateurs dans unecellule.Modulation pour le uplink La modulation sur la voie uplink prsente des changements considrables parrapport la voie uplink IS-95. Diffrents canaux logiques transmis partir d'une SM sont spars par descodes Walsh diffrents. Chaque SM transmet un canal (de trafic) fondamental, un canal pilot, et peu tred'autre canaux de control. L'existence du canal pilot ddi est une diffrence majeure par rapport IS-95;elle a l'avantage de permettre une dmodulation cohrente facile, mme si en contre partie laconsommation d'nergie est augmente. La modulation utilise est le BPSK.

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HDR (High Data Rate) est un service amliorant celui de 1X pour les donnes. Au lieu d'une modulationQPSK utilise en mode 1X et 3X, HDR utilise une modulation plus efficace, 16-QAM, qui code 4 bits parsymbole transmit, offrant ainsi un dbit de 621 Kbit/s. Cependant, en cas de fortes interfrences, lamodulation HDR rgresse vers une modulation 8-PSK ou QPSK, ce qui diminue les dbits offerts.Dure des trames En plus de la trame 20ms de IS-95, cdma2000 dfinit aussi des trames de 5ms, 40ms et80ms, ce qui donne une plus grande flexibilit. Les trames longues sont principalement rserves pour lesservices qui ne sont pas temps rel. Pour des transmission des donnes avec des dbits entre 81.6 et 3091Kbit/s, des tailles de trames de 1.25, 2.5, et 5s sont possibles.1.4.5 WCDMA (Wideband CDMA)WCDMA est un standard d'interface air 3G, bas sur la technologie CDMA. Contrairement l'obligationpour les SBs dans cmda2000 d'oprer de manire synchrone, WCDMA utilise un schma asynchrone.Ceci permet une installation/intgration plus facile des composants "indoor" avec les infrastructures"outdoor". Dans