59_these_masmoudi_v7.pdf
Post on 26-Nov-2015
18 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
Thse de doctorat de lINSTITUT NATIONAL DES TELECOMMUNICATIONS dans le cadre
de lcole doctorale SITEVRY en co-accrditation avec lUNIVERSITE DEVRY-VAL DESSONNE
et en cotutelle avec lECOLE SUPERIEURE DES COMMUNICATIONS DE TUNIS
Spcialit : Rseaux et Tlcommunications / Technologies de lInformation et de la Communication
Par M. Anis Masmoudi
Thse prsente pour lobtention du grade de Docteur de lINSTITUT NATIONAL DES TELECOMMUNICATIONS
et de lECOLE SUPERIEURE DES COMMUNICATIONS DE TUNIS
Capacit et dimensionnement des rseaux daccs radio UMTS et volution
Soutenue le 13 dcembre 2008 devant le jury compos de :
M. Abdelaziz SAMET (Professeur lINSAT) Prsident M. Mongi MARZOUG (Responsable la direction technique dOrange-FT) Rapporteur M. Mohamed SIALA (Professeur SupCom) Rapporteur M. Nazim AGOULMINE (Professeur lUniversit dEvry-Val dEssonne) Examinateur M. Hatem BOUJEMA (Matre de Confrences SupCom) Examinateur M. Djamal ZEGHLACHE (Professeur TELECOM & Management SudParis) Directeur de thse M. Sami TABBANE (Professeur SupCom) Directeur de thse
Thse n 2008INT0019
-
DDddiiccaaccee
A qui je dois ce que je suis,
A ma chre Maman et mon cher Papa, qui je dois le meilleur de moi-mme,
en tmoignage de ma reconnaissance infinie, pour leur guide dans mes tudes, leur amour dont ils mont entour,
pour leur patience et les nombreux sacrifices quils nont cess de consentir ; quils veuillent trouver dans ce travail lexpression de mon profond attachement !
A toute ma famille.
A ceux qui me sont chers et proches. A tous ceux que jaime et qui maiment.
A tous mes amis.
Ce mmoire leur est ddi.
Anis"
-
RREEMMEERRCCIIEEMMEENNTTSS
Ce travail a t effectu au sein de lunit de recherche en rseaux radio-mobiles
multimdia MEDIATRON de lcole Suprieure des Communications de Tunis
(SupCom) sous la direction de Monsieur le Professeur Sami TABBANE, responsable de
lunit MEDIATRON, et au dpartement Rseaux et Services Multimdia Mobiles
(RS2M) de TELECOM et Management SudParis (ex. INT) sous la co-direction de
Monsieur le Professeur Djamal ZEGHLACHE, Directeur du dpartement RS2M et
membre du laboratoire de recherche Samovar.
Au terme de ce modeste travail, jai le grand plaisir de remercier tous ceux qui mont engag ou aid de faons diverses prparer cette thse dans les meilleures
conditions. Quils trouvent ici lexpression sincre de ma profonde gratitude.
Je tiens, tout dabord, adresser mes plus vifs remerciements au Professeur
Djamal ZEGHLACHE pour mavoir accueilli avec beaucoup de gnrosit dans le
dpartement RS2M et facilit des stages de recherche de haut niveau au sein de lquipe
radio-mobile. Son grand savoir, sa comprhension, ses directives, ses conseils aviss et sa
disponibilit pendant mes sjours lex. INT malgr sa constante proccupation mont toujours t de grande utilit et dun appoint inestimable dans llaboration de ce travail.
Je tiens galement exprimer mes sincres remerciements et ma profonde
reconnaissance mon co-directeur de thse Mr Sami TABBANE, Professeur SupCom,
pour mavoir encourag entamer et finaliser cette thse, pour ses prcieux conseils et
les suggestions efficaces et constructives quil ma donn durant la ralisation de ce
projet. Je suis particulirement touch par sa passion, son esprit critique et son
exprience dans le domaine des systmes radio-mobiles et pour mavoir guid et dirig
tout au long de cette thse, ce qui ma permis de mener terme ce travail.
Je remercie par ailleurs Monsieur le Professeur Abdelaziz SAMET pour mavoir
fait lhonneur en acceptant de prsider mon jury de thse.
Je voudrais aussi tmoigner de ma gratitude Monsieur Mongi MARZOUG,
Responsable la Direction Technique dOrange (Groupe FranceTlcom), pour avoir accept de rapporter mon travail de thse, et dhonorer ma soutenance de thse avec sa
prsence et son expertise. Je lui serai reconnaissant en particulier pour le temps quil
ma consacr Orange France pour me prodiguer des remarques prcieuses et des
conseils fructueux lors de lun de mes sjours en France.
Je tiens galement remercier Monsieur le Professeur Mohamed SIALA davoir
soigneusement relu ce manuscrit de thse et pour ses remarques constructives et
enrichissantes. Ses suggestions fort judicieuses et bien pertinentes, en tant que
-
rapporteur de ma thse, ont beaucoup contribu lamlioration de ce mmoire. La
qualit finale de ce document doit beaucoup aux nombreuses critiques quil a formules.
Ma profonde gratitude sadresse en outre Monsieur Nazim AGOULMINE,
Professeur lUniversit dEvry-Val dEssonne, ainsi qu Monsieur Hatem
BOUJEMA, Matre de Confrences SupCom davoir accept de faire partie en tant
que membres examinateurs de ma thse.
Je noublie pas non plus dexprimer mes remerciements aux responsables et tout
le personnel administratif et technique de TELECOM & Management SudParis pour
leur soutien et aides. Je cite en particulier Mmes Isabelle REBILLARD et Chantal
LEMAIRE. Jadresse galement mes vives reconnaissances aux Drs Badii JOUABER et
Marc GIROD GENET pour leurs aides particuliers et sympathie, ainsi qu tout le
personnel des bibliothques de TELECOM & MANAGEMENT SudParis, de lUniversit
dEvry-Val dEssonne et de SupCom.
Jadresse aussi mes vifs remerciements mes collgues Mohamed ASSAD,
docteur de lex. INT pour son soutien et sa collaboration pour mener certains aspects lis
sa thse au sein du dpartement RS2M de TELECOM & Management SudParis.
Jadresse galement un merci amical aux enseignants de TELECOM & Management
SudParis et de SupCom, et particulirement aux chercheurs des dpartement RS2M et
RST de TELECOM et Management SudParis pour mavoir accueilli et encourag
pendant mes stages de recherche, ainsi qu tous mes collgues du CERT (Centre
dEtudes et de Recherche en Tlcommunications), de lINSAT (Institut National des
Sciences Appliques et de Technologie de Tunis), de lISECS (Institut Suprieur
dElectronique et de Communication de Sfax) pour leurs infinis encouragements, et leur
prcieuse amiti, et toute lquipe de MEDIATRON.
Par ailleurs, le prsent travail est le fruit dappuis matriels et de prises en
charges de mes participations aux confrences ltranger pour prsenter mes travaux
de recherche (communications) et mes sjours de stages doctoraux lex. INT. Je cite
en particulier les appuis de lIFC (Institut Franais de Coopration, de lambassade de
FRANCE en Tunisie), de lAgence Universitaire de la Francophonie (AUF), du
dpartement RS2M, de lex. Ministre de la recherche scientifique et de la technologie
sans oublier les appuis des diffrentes institutions denseignement et structures de
recherche auxquelles jtais ou je suis affili (Universit 7 novembre de Carthage,
INSAT, ISECS, SupCom, MEDIATRON).
Enfin, tout acte de recherche ntant que la concrtisation personnelle dun
travail collectif, mes remerciements vont aussi toutes les personnes que je nai pas cit
et qui ont particip de manire directe ou indirecte llaboration de ce mmoire et qui
mont offert leur aide pertinente pour la russite du prsent travail.
Sfax, Novembre 2008
-
AAVVAANNTT--PPRROOPPOOSS
Lvolution rapide des rseaux radio-mobiles incite les oprateurs mobiles
ladaptation de leurs mthodes de planification et dingnierie aux nouvelles
technologies et standards apparus et aux tendances des services multimdia. Les
modles de dimensionnement et les dmarches de planification des rseaux 3G (3rd
Generation) tels quils sont adopts dans la littrature soit manquent de la
prcision, soit sont trs complexes et ncessitent des outils coteux et
consommateurs en temps de calcul.
Dans cette thse, des modles et des mthodologies de planification la fois simples
et de prcision acceptable ont t labors tout en intgrant les nouvelles techniques
et procdures radio [1] et ses aspects avancs (notamment la Rel. 6 de la norme
3GPP : 3rd Generation Partnership Project [2]). Pour atteindre ce compromis, on a eu
recours la combinaison de modlisations analytiques avec lutilisation doutils
statiques et dynamiques de simulations. Cela a permis de concevoir de nouvelles
rgles dingnierie pour le dimensionnement des rseaux UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System) bass sur la technique HSDPA (High Speed Downlink
Packet Access).
Le test et la validation des modles et rgles conues ont amen loptimisation de
quelques techniques de gestion des ressources radio telles que le contrle de
puissance ou lordonnancement. A titre dexemple, on a propos de nouvelles
techniques dordonnancement (ou de squencement) de paquets adaptes pour le cas
de services multiples et agrgs en HSDPA.
Dautre part, peu de travaux de recherche traitent de faon prcise le lien
descendant (DL, DownLink). Pour cela, le premier volet de la thse montre
limportance particulire du paramtre f dinterfrence extracellulaire dans la
planification du lien DL et que les travaux de la littrature y affrents sont
gnralement approximatifs ou bass sur des valeurs moyennes. Pour cela, on a
tabli le modle mathmatique exact de distribution de ce paramtre dont
lexploitation permet dobtenir des rsultats de planification plus prcis avec des
calculs simplifis. Ce modle labor a t galement utilis pour amliorer les
performances des procdures radio telle que la macro-diversit. Ces amliorations
ont t appliques au processus de dimensionnement afin daugmenter la capacit
du rseau. Par ailleurs, la rsolution de la problmatique du lien descendant en
littrature na pas, en particulier, trait les diffrentes rgles de partage des
ressources radio entre les utilisateurs : Notre mthodologie inclut diffrentes options
de gestion et de partage des ressources radio compares en termes de performances
-
(porte radio et efficacit spectrale) afin de laisser une marge de choix aux
oprateurs selon leurs stratgies. Elle utilise des courbes et des tableaux gnrs par
un outil de dimensionnement auquel on a intgr les diffrentes rgles conues et
notamment le processus itratif tabli pour lquilibrage de charge.
La composante conomique de la planification en termes de cot dinfrastructure a
t galement analyse et applique une tude de cas de cellules concentriques.
Si la premire partie de la thse traite le cas multicellulaire pour la nature et la
simplicit de lapproche statique adopte, le second volet de la thse a port sur le
cas monocellulaire du fait de la complexit des procdures radio mises en uvre
dans ltude dynamique. Lvolution rapide de la norme UMTS vers le HSDPA et la
cadence rapide de la transmission des paquets font du HSDPA un choix privilgi
dtude de cas adapt lapproche dynamique.
Lanalyse du mcanisme dAdaptation de Modulation et du Codage (AMC : Adaptive
Modulation and Coding) en HSDPA a permis dlaborer un modle mathmatique
pour la distribution (discrte) de lindicateur de qualit CQI (Channel Quality
Indicator). Ce modle analytique tabli a t valid par des simulations dynamiques.
Il a t combin avec un modle de correspondance simple entre qualit et dbit
directement li aux tailles des blocs de transport de la couche MAC-HS (Medium
Access Control High Speed). Ce modle a permis de concevoir de nouvelles rgles
traitant les diffrents cas limits soit par la couverture soit par la capacit. Les
rgles labores peuvent se prsenter sous formes de courbes et servent comme une
mthodologie adquate pour le dimensionnement du HSDPA. Cette mthode conue
tient compte de leffet de masque et du type dordonnancement des paquets dont la
formulation analytique a t intgre dans loutil de dimensionnement dvelopp.
Cet outil de nature statique et semi-analytique est enrichi des fonctionnalits
HSDPA telles que modliss mathmatiquement. De mme que pour lUMTS
standard (Rel. 99), plusieurs principes de dimensionnement ont t labors et
proposs dans cette thse de faon permettre loprateur de choisir le plus adapt
en termes de cot et de QoS (Quality of Service). Certains de ces principes sont
optimiss et amliors par rapport aux techniques existantes pour une performance
globale accrue.
Nos travaux sur laspect de planification du HSDPA se diffrentient des quelques
articles publis par la modlisation mathmatique des techniques dordonnancement
et de lAMC, et par lextraction de rgles dingnierie pratiques adapts pour le cas
du HSDPA.
Enfin, limpact de diffrents facteurs sur les performances et la planification a t
tudi tels que celui du taux de codage et de la puissance du node B en UMTS R99,
et de linterfrence intracellulaire et la diversit multi-utilisateurs en HSDPA. Les
paramtres analyss et simuls sont le dbit net coul, le dlai de latence, la gigue,
le taux de retransmission, la catgorie du terminal, etc
-
Mots-cl : UMTS, Dimensionnement, Equilibrage de charge, Gestion des ressources radio, Gestion dinterfrences, Contrle dadmission, Optimisation,
Simulateur statique, Simulation dynamique, Performance, HSDPA,
Ordonnancement, Adaptation en Modulation et Codage (AMC).
EXECUTIVE SUMMARY (Extended Abstract)
The fast challenge of mobile radio networks push operators to adapt their planning
and engineering procedures to the new technologies and multimedia services.
3G networks dimensioning models and procedures in literature are either not
accurate or complex requiring expensive and time consumers professional tools.
The objective of this thesis is to elaborate simple and accurate planning models and
methodologies integrating advanced and evolved new standardized radio techniques
and procedures (Rel. 6 radio evolutions). In order to reach this compromise, we
combined analytical models with static and dynamic simulation tools. This allowed
us to establish new engineering rules for HSDPA-based UMTS networks.
Test and validation of those models and rules allowed us to optimise some radio
resource management techniques such as power control or scheduling: For example,
we have introduced new scheduling techniques for aggregated and multiple services
in HSDPA.
On the other hand, few research works discuss deeply downlink. For that, the study
of the other-to-own-cell interference (f-parameter) in downlink has been dedicated
particular interests since traditional investigations use approximations or are based
on the average value. In fact, we established its exact mathematical distribution
model allowing operators to get more accurate and less computing planning results.
We got also benefit by this elaborated model to improve performance of some radio
procedures such as macro-diversity. Then, we have applied those improvements to
the dimensioning process in order to enhance UTRAN (UMTS Terrestrial Access
Network) capacity. Furthermore, downlink resolution in literature has not specified
different radio resource sharing rules among users: Our elaborated methodology
includes different alternatives to manage and share radio resources. The proposed
alternatives are compared in terms or performance (radio range and spectral
efficiency) to let operators the appropriate one(s) according to their strategies. It
uses abacuses and tables generated by a developed dimensioning tool integrated
with our suggested rules and concepts such as the iterative process for load
balancing.
-
The economic component of radio planning in terms of infrastructure cost has been
eventually analysed and applied to the case study of concentric cells (Reuse
Partitioning).
Whereas the first part of this thesis investigates multi-cellular case for the nature of
the adopted static approach, the second one is simplified to mono-cellular case due to
complexity of radio procedures as in dynamic study. Fast upgrade of UMTS standard
releases to HSDPA and fast packet transmission pushed HSDPA to be the best case
study adapted to dynamic approach.
The deep analysis of Adaptation in Modulation and Coding (AMC) used in HSDPA
technique allowed us to elaborate a mathematical distribution model (discrete) of
Channel Quality Indicator (CQI). This model has been validated by means of
dynamic simulations. Combined with simple correspondence between quality and
rate, we have created new dimensioning rules either for coverage or capacity limited
case. The elaborated method uses abacuses and includes shadowing effect for
different scheduling techniques. The HSDPA methods and concepts introduced and
mathematically modeled have been incorporated in the developed dimensioning tool
having a static and semi-analytical nature.
As standard UMTS (Rel. 99), various dimensioning principles are introduced in this
thesis in order to provide enough margin for operator to choose suitable
alternative(s) according to its priorities in terms of cost and/or one of the users
satisfaction arguments. Some of those principles have been optimised and improved
when compared to existent techniques in order to reach a global enhanced
performance.
Our HSDPA engineering aspects work and results can be easily differentiated from
the few published papers from literature by the mathematical modeling of
scheduling techniques and the AMC, and also by the practical engineering rules
extracted for the HSDPA case.
Finally, the impact of different factors on planning has been issued like that of
coding rate or the available power for node B in UMTS R99, and the intracellular
interference and multiuser diversity in HSDPA. The simulated parameters are
throughput, latency delay, jitter delay, retransmission rate, terminal category,
Keywords: UMTS dimensioning, load balancing, Radio resource management, Interference management, admission control, optimisation, Static simulator,
Dynamic simulation, performance, HSDPA, scheduling, Adaptation in Modulation
and Coding (AMC).
-
SSOOMMMMAAIIRREE Liste des acronymes INTRODUCTION GENERALE................................................................................i CHAPITRE 1 : Planification radio de lUMTS (WCDMA) et tude de cas ........... 1
I.1. Etat de lart de la planification du rseau daccs radio UMTS.................................1 I.1.1 Spcificit de la planification en CDMA par rapport celle en TDMA...............1 I.1.2 Dimensionnement initial dun rseau daccs radio WCDMA .............................3
I.2. Mthode itrative du point fixe ...................................................................................7 I.2.1 Mthode itrative du point fixe en UL ..................................................................7 I.2.2 Mthode itrative du point fixe en DL ................................................................11
I.3. Simulations par loutil de dimensionnement .........12 I.3.1 Organigramme des simulations par loutil de dimensionnement initial ...13 I.3.2 Modlisation des simulations de dimensionnement initial ..15 I.3.3 Rsultats des simulations : Etude de performance ....16 I.4. Etude de cas : Cellules concentriques en WCDMA ...33 I.4.1 Efficacit spectrale en WCDMA .............33 I.4.2 Nouveau concept des cellules concentriques dans les systmes WCDMA ....36 I.5. Composante conomique de la planification ...41 I.5.1 Importance du cot conomique ......41 I.5.2 Optimisation Cot/Efficacit : Etude de cas (cellules concentriques) 41 CHAPITRE 2 : Etude multi-cellulaire statique de lUMTS standard ................. 45
II.1. Problmatique de lallocation de puissances en UMTS ..........................................45 II.1.1 Lien montant (UL) ..............................................................................................46 II.1.2 Lien descendant (DL)..........................................................................................55 II.2. Etude analytique multicellulaire de linterfrence en DL ......................................63
II.2.1 Importance et difficults du DL dans la planification radio.............................63 II.2.2 Modle analytique de la distribution du paramtre f .......................................65
II.3. Impact du modle du paramtre f sur les approches de planification et doptimisation............................................................................................................74 II.3.1 Impact du modle du paramtre f sur la planification (DL) ...76 II.3.2 Utilit du paramtre f pour loptimisation de la macro-diversit .....83 II.4. Simulation statique de lUMTS................................................................................87 II.4.1 Diffrentes approches des simulateurs 3G .87 II.4.2 Exemple de simulation statique pour la planification radio de lUMTS ..88 CHAPITRE 3 : Simulation dynamique et extension des travaux vers le HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) ........................................ 99
III.1. Validation des rsultats du simulateur statique : Comparaison avec la simulation dynamique.........................................................99 III.2. Motivations pour ltude de cas dynamique du HSDPA .....................................104
-
III.3. Fonctionnalits du HSDPA (Etat de lart) ...........................................................105 III.3.1 Adaptation en Modulation et Codage (AMC) .................................................105 III.3.2 Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) ...................................................106 III.3.3 Ordonnancement rapide (Fast Scheduling) ...................................................107
III.4. Formulation analytique ........................................................................................107 III.4.1 Cas dutilisateurs la mme distance du node B : Notations.......................108
III.4.2 Analyse mathmatique des techniques de squencement.............................109 III.4.3 Etude de cas : Trafic uniforme dans la cellule ...............................................121
III.4.4 Impact de linterfrence intracellulaire..........................................................126 III.4.5 Impact de la diversit multi-utilisateurs sur la capacit totale ..............130 III.4.6 Impact de leffet de masque ............................................................................134
III.5. Modle et paramtres du simulateur dynamique................................................135 III.5.1 Modle des simulations ...................................................................................135
III.5.2 Hypothses et paramtres dentre des simulations .....................................137 III.6. Rsultats des simulations dynamiques ...............................................................138
III.6.1 Histogrammes des CQIs..................................................................................138 III.6.2 Comparaison des diffrentes techniques de squencement ..........................139 III.6.3 Comparaison des catgories 1 et 10 des terminaux.......................................142 III.6.4 Rsultats des simulations du cas multiservices.............................................145
III.7. Choix recommands des techniques de squencement .......................................147 CHAPITRE 4 : Conception de rgles dingnierie et de mthodes de dimensionnement pour le HSDPA ............................................. 151
IV.1. Reformulation de la notion de couverture radio en HSDPA ...............................151 IV.2. Impact du modle du CQI sur le dimensionnement du HSDPA.........................153
IV.2.1 Mthodologie de dimensionnement avec prise en compte de leffet de masque......................................................................................................................................153 IV.2.2 Impact de leffet de masque sur le processus de planification : Proposition dun organigramme pour le dimensionnement du HSDPA .......154
IV.3. Application du dimensionnement au HSDPA ......................................................155 IV.3.1 Mthode adopte pour le dimensionnement limit par la couverture ..........155
IV.3.2 Exemple dapplication des tableaux de dimensionnement ............................155 IV.3.3 Gnration dabaques pour le dimensionnement limit par la couverture ..156
IV.4. Extension de loutil de dimensionnement vers la technique HSDPA .................158 IV.4.1 Organigramme de fonctionnement de loutil ..................................................158
IV.4.2 Rsultats de simulations par loutil de dimensionnement ............................171 IV.5. Comparaison des rsultats numriques de dimensionnement du HSDPA et de lUMTS standard (Rel. 99 en DL).....................................................................179
IV.5.1 Paramtres dentre pour le dimensionnement du HSDPA ..........................180 IV.5.2 Tableaux comparatifs des rsultats de dimensionnement ............................180 CONCLUSION GNRALE ...I ANNEXES IVII ANNEXES II...XVII ANNEXES IIIXXIII ANNEXES IV..XXV ANNEXES V...XXIX ANNEXES VI.XXXI
-
ANNEXES VIIXXXIII ANNEXES VIIIXXXV ANNEXES IX..XXXIX ANNEXES X..XLIII ANNEXES XI...XLVII ANNEXES XII...XLIX BIBLIOGRAPHIELI PUBLICATIONS ET CONTRIBUTIONS.....LIX
-
LLiissttee ddeess aaccrroonnyymmeess
16-QAM 16Quadrature Amplitude Modulation 3G 3rd Generation
3GPP 3rd Generation Partnership Project
AC Admission Control
AMC Adaptive Modulation and Coding
CBR Constant Bit Rate
CC Chase Combining
CDF Cumulative Distribution Function
CDMA Code Division Multiple Access
CERT Centre dEtudes et de Recherches en Tlcommunications
CIR Carrier-to-Interference-Ratio
CP Contrle de Puissance
CQFD Ce Quil Fallait Dmontrer
CQI Channel Quality Indicator
DL DownLink
Eb/N0 Signal Energy per bit to Noise power density per Hertz
Ec/I0 Energy per Chip to Interference density Ratio
EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution
FCS Fast Cell Selection
FDD Frequency Division Duplex
FPA Fair Power Allocation
FPP Fair Power Partitioning
FR Fair Resource
FT Fair Throughput
FTP File Transfer Protocol
GPRS General Packet Radio Service
HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest
HHO Hard Handover
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel IR Incremental Redundancy
LTE Long Term Evolution
-
MAC-HS Medium Access Control High Speed
MAI Multiple Access Interference
MAPL Maximum Allowed Path Loss
MCS Modulation and Coding Scheme
MMS Multimedia Messaging Service
MRC Maximal Ratio Combining
MS Mobile Station
NR Noise Rise
NRT Non Real Time
NS-2 Network Simulator version 2
OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor
P-HS-DSCH Physical High Speed Downlink Shared Channel
PA Power Amplifier
PDF Probability Distribution Function
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RAB Radio Access Bearer
RL Radio Link
RLC Radio Link Control
RNC Radio Network Controller
RP Reuse Partitioning
RRM Radio Resource Management
RT Real Time
SF Spreading Factor
SHO Soft Handover
SIR Signal-to-Interference-Ratio
SINR Signal-to-Interference-and-Noise-Ratio
SNR Signal-to-Noise-Ratio
TB Transport Block
TBS Transport Block Size
TDMA Time Division Multiple Access
TTI Transmission Time Interval
UE User Equipment
UL UpLink
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network
VBR Variable Bit Rate
WCDMA Wideband Code Division Multiple Access
WiFi Wireless Fidelity
WRR Weighted Round Robin
-
i
IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN GGEENNEERRAALLEE
1. Motivations et Objectifs de la thse
Depuis le dbut des annes 1990, lindustrie radio-mobile a connu des
dveloppements considrables en termes de technologie et dabonns. Les rseaux
cellulaires de troisime gnration UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)
bass sur le WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) en mode FDD
(Frequency Division Duplex) sont en cours de dploiement et test dans certains pays, et
sont oprationnels commercialement dans dautres. Avec cette volution rapide des
nouvelles techniques multimdias mobiles et la panoplie de services offerts, il est ainsi
crucial pour les oprateurs des rseaux mobiles dentamer une planification dont les
procdures et dmarches soient la fois simples, peu coteuses et robustes tenant
compte des tendances de la technologie. Cette conscience de limportance de la
planification et du dimensionnement a t reconnue avec le dploiement des rseaux
mobiles actuels et leur besoin daboutir un rseau de meilleures qualit et capacit
avec le moindre cot. La problmatique devient encore plus complexe avec la diversit
des services offerts aux utilisateurs et des quipements de constructeurs diffrents, les
fluctuations du trafic et de lenvironnement, les volutions de la norme et de la
technologie elle-mme, les cots de linfrastructure, etc.
Dans ce cadre, notre travail de thse a pour but didentifier des processus et des
mthodologies pour la planification et le dimensionnement des rseaux UMTS en se
focalisant sur linterface daccs radio. Des exigences nouvelles ou amliores de
spcifications doivent tre mises en place dans les plates-formes logicielles utilises pour
la planification dans lobjectif dun meilleur rsultat. Alors que pour le GPRS (General
Packet Radio Service) et lEDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) bass sur le
TDMA (Time Division Multiple Access), le dimensionnement des services de donnes
paquet est bas sur le trafic offert moyen [3][5] ; lutilisation de la technique daccs CDMA (Code Division Multiple Access) en UMTS gnre de nouveaux dfis pour
concevoir et trouver de telles rgles et processus surtout que les modles de tltrafic
conus pour le mode paquet ne sont pas suffisants pour le dimensionnement des
systmes CDMA (Code Division Multiple Access). En fait, ces modles ne tiennent pas
compte de laspect couverture et qualit du lien radio (SINR : Signal-to-Interference-and-
Noise-Ratio) auxquelles la capacit est lie directement. En effet, la couverture, la
capacit et la qualit des rseaux WCDMA influent chacune sur lautre. Un plan
convenable nest quun compromis entre ces trois volets ; cependant leur
interdpendance et interactions mutuelles les uns sur les autres compliquent davantage
-
ii
le processus doptimisation envisager. Par consquent, le bilan de liaison de lUMTS
que le planificateur tablit doit tre dynamique puisque la marge dinterfrence
dpend de la charge de la cellule, ce qui rend mme le dimensionnement prliminaire
qui doit tre aussi simple que possible plus long et compliqu que dans le cas des
anciens systmes mobiles, engendrant des processus itratifs parfois divergents surtout
si la charge de la cellule est leve. En effet, contrairement au systme UMTS, dans les
anciens systmes mobiles de seconde gnration bass sur le TDMA tels que le GSM, la
planification de la couverture se fait indpendamment et de manire isole de
laffectation des frquences puisque la capacit et la couverture ninflue pas lune sur
lautre. Cela est d principalement au fait que le systme UMTS bas sur le WCDMA
utilise une seule porteuse pour toutes les cellules induisant de linterfrence
extracellulaire, ce qui influe sur la couverture de la cellule par lintermdiaire de la
respiration des cellules. Ceci nest pas le cas des systmes bass sur le TDMA qui
utilisent au moins une porteuse par cellule. Dautre part, les nouveaux services de
donnes UMTS requirent des paramtres de QoS (Dbit et dlais) qui interviennent
plus particulirement dans le mcanisme de squencement de paquets dans les buffers
(non implment dans les rseaux de seconde gnration). Pour cela, une extension des
travaux labors a eu lieu dans le cas dabsence du mcanisme de contrle de puissance
en se basant sur une tude du cas de la technique HSDPA (High Speed Downlink Packet
Access). Par ailleurs, grce aux mcanismes intervenant en HSDPA tels que le
squencement et la retransmission spcifiques la technique de commutation par
paquets, il est possible de mener une tude dynamique applique au HSDPA pour
explorer de manire fine et approfondie la ralit instantane de chaque connexion
active prsente dans le rseau. Ceci afin den tirer les tendances pouvant influer sur la
planification, et par la suite de raffiner les rgles dingnierie tablies dans ltude
statique en les adaptant aux changements impliques par lvolution vers le HSDPA
(connu comme le 3,5 G).
Ce travail a t partag en deux parties afin de sparer et dtudier linfluence de
chaque composante majeure sur la planification : Dune part limpact de la multiplicit
des cellules engendrant linterfrence extracellulaire et dautre part leffet dynamique et
instantan de chaque connexion radio. La premire partie (multi-cellulaire) assimile les
liens radio un tat quasi-statique visant un compromis entre le temps de calcul et la
prcision. Pour ce faire, on sest bas sur une modlisation mathmatique de la
distribution de linterfrence extracellulaire. Limpact de ce modle analytique sur la
simplification des procds de la simulation statique classique de Monte-Carlo est mis au
point pour donner rapidement des solutions au problme dquilibrage de charge. De
telles solutions approches sont cependant utiles pour fournir le processus de
dimensionnement initial le plus adquat et le plus simple possible. Le second volet de la
thse est bas sur la simulation dynamique ayant pour but ltude en profondeur des
-
iii
mcanismes radio du HSDPA et de leurs interactions mutuelles instantanes. Cette
partie sert faire lextraction de rgles de dimensionnement adquates au HSDPA en
tirant les tendances petite chelle des paramtres de performance convenables aprs
avoir t matriss. Le simulateur dynamique a galement permis la validation et le test
de lefficacit et de la prcision des mthodologies ainsi conues. En plus, la premire
partie (chapitres 1 et 2) de la thse est focalise sur la planification base sur les canaux
ddis plus adapts et similaires au mode circuit. La seconde partie (chapitres 3 et 4)
traite plus laspect paquet en mettant laccent sur les canaux partags par
lintermdiaire de ltude de cas du HSDPA.
La thse a t particulirement focalise sur la liaison descendante surtout dans
la seconde partie (chapitres 3 et 4) du fait de son importance dans le dimensionnement
dune liaison radio (partage de la puissance du node B et des codes entre les diffrents
canaux et la dissymtrie des nouveaux services des systmes de troisime gnration :
3G actuels). Dautre part, le lien descendant (DL : DownLink) est plus dlicat et critique
tudier que le lien montant (UL : Uplink). En effet, pour le sens montant, le paramtre
f (Rapport de linterfrence extracellulaire par celle intracellulaire) est dfini une seule
fois pour toute la cellule car linterfrence extracellulaire est totalement reue par la
station de base, tandis que pour le lien descendant, le paramtre f a une valeur
diffrente pour chaque mobile et donc dpend forcment de son emplacement dans la
cellule, ce qui rend toute tude analytique pralable de laspect multicellulaire plus
complexe que pour le lien UL. Par ailleurs, le bilan de liaison en DL est particulirement
plus difficile calculer puisquil dpend de la rpartition des mobiles dans la zone de
couverture, des dbits des diffrents services assurs par la station, etc. [6]. De plus il est
souvent bas sur des valeurs moyennes arbitraires du paramtre f dinterfrence
extracellulaire et dans la plupart des cas loin de la ralit.
2. Contexte et Problmatique
La premire partie de ce travail est consacre ltude dun rseau
multicellulaire en supposant ltat du rseau stable un instant donn. On y tudie le
paramtre f qui modlise limpact de linterfrence engendre par les autres cellules sur
la cellule serveuse. Le paramtre f est souvent utilis dans les calculs de bilans de
liaisons pour tenir compte de limpact du brouillage extracellulaire. La distribution de ce
paramtre a t tablie pour un seul interfreur puis tendue plusieurs tout en
analysant lerreur engendre par le modle gnralis. On a tabli par lintermdiaire
dune mthode semi-analytique un procd qui corrige et simplifie lancienne approche
de calcul du bilan de liaison pour dimensionner le lien descendant. La mthode
classiquement adopte suppose soit que la puissance transmise vers le mobile est
constante (sans contrle de puissance), soit fait recours plusieurs itrations pour les
-
iv
diffrents services prsents dans le systme de faon ne pas dpasser la puissance
nominale du node B et la capacit de la cellule. La premire approche nest pas toujours
valable surtout si le contrle de puissance est activ, et donc la puissance de
transmission doit varier dun utilisateur un autre suivant son emplacement et ltat du
canal pour quil puisse atteindre la qualit de service cible. De plus, la seconde mthode
ncessite un temps de calcul important relativement un pr-dimensionnement qui
requiert des temps raisonnables et des traitements simples. Par ailleurs, notre mthode
est valide en la comparant quantitativement aux rsultats des mthodes classiques (de
bilan de liaison) souvent optimistes. Ensuite, cette mthode de dimensionnement
prliminaire est raffine pour tenir compte avec prcision du gain engendr par la
macrodiversit. En fait, le recours une constante arbitraire pour le gain de Handover
dans le bilan de liaison peut engendrer un surdimensionnement de la couverture et par
consquent un recouvrement important des couvertures des sites radio. En particulier,
on propose de ne pas dpasser une valeur maximale de puissance transmise vers les
mobiles situs dans la zone de chevauchement entre les cellules. Lintrt de cette
mthode est analys quantitativement ainsi que son impact sur la mthodologie de
dimensionnement prsente grce une relation directe entre le paramtre f et la marge
(fentre) de SHO (soft handover).
Ltude dun environnement multicellulaire ltat statique permet de cerner le
fonctionnement de certains mcanismes et phnomnes de gestion de linterface radio
UTRAN (Contrle de puissance, Contrle dadmission des connexions, Contrle de
charge) mais de faon projete et approche en faisant abstraction du paramtre
temps . Cette tude reste donc limite pour tenir compte, avec prcision, de tous les
mcanismes intervenant de faon dynamique tels que le squencement, la
retransmission, les priorits, la diffrentiation de services, ladaptation des dbits sur la
voie descendante, etc. Ces mcanismes permettent en effet de bien comprendre et
analyser ltat instantan de chaque connexion active du rseau. En effet, ces techniques
ont un impact direct sur les paramtres de performances qui doivent tre considrs
dans les scnarios de dimensionnement envisags. A titre dexemple, le choix de la
technique de squencement dicte par les critres de paramtres de qualit de service
cibls influe sur la porte de la cellule. Cest pourquoi une simulation dynamique est
primordiale pour tendre et gnraliser les mthodes tablies surtout avec les dernires
volutions de la norme UMTS visant amliorer son dbit. Ces simulations permettent
galement dobtenir des rsultats plus prcis du fait de la prise en compte de la
dimension temporelle pour lextraction de rgles dingnierie convenables et prcises. En
outre, les mthodes et les processus obtenus et raffins par ltude dynamique sont
intgrs dans un outil de dimensionnement permettant de tester les mthodologies ainsi
tablies par lintermdiaire des simulations afin de les valider en les comparant des
rsultats de la littrature.
-
v
Cette thse sintresse galement la technique HSDPA introduite dans la
version 5 de la norme 3GPP (volution 3,5G de lUMTS) avec ses mcanismes et
protocoles radio [7] pour le but de llaboration de mthodes de dimensionnement qui lui
sont adquates. Le HSDPA dfinit de nouvelles couches MAC-HS (Medium Access
Control High Speed) et RLC (Radio Link Control) pour augmenter la capacit et le
dbit des rseaux UMTS. Ltude de cas du systme HSDPA a t choisie cause de son
originalit et rapidit par rapport lUMTS standard qui a fait lobjet de la premire
partie. En effet, le HSDPA ne met pas en uvre de contrle de puissance qui est
remplac par la technique dAdaptation en Modulation et Codage (AMC), et donc
ncessite lintroduction de nouvelles rgles de dimensionnement diffrentes de celles de
lUMTS de la Release 3 (1999). En plus, le HSDPA se base sur des techniques rapides (2
ms de cadence du TTI : Transmission Time Interval) telles que le squencement
(scheduling) et la retransmission HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) oprant au
niveau du node B. Ces techniques font intervenir plus clairement la dynamique
temporelle que les systmes UMTS de releases prcdentes. Lintrt et la ncessit
dune simulation dynamique sont donc plus importants dans ce cas puisque la cadence et
la rsolution dintervalles de temps en HSDPA est 5 fois plus importante quen UMTS
standard (WCDMA). Dautre part, le SHO nest pas support par le canal partag
HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel) du HSDPA, do le SHO nest pas
implment dans le simulateur dynamique utilis. En effet, le HHO (hard handover)
dune cellule une autre se passe quasi-instantanment (grce au FCS : Fast Cell
Selection). Par ailleurs, les utilisateurs HSDPA simuls dans les paragraphes III.5. et
III.6. sont tous en mode paquet et nutilisent que le canal partag du HSDPA
(HS-DSCH) ne supportant pas le SHO (alors que les canaux ddis ntant pas simuls
dans ces paragraphes).
Les mthodes de dimensionnement conues sont dduites des simulations
dynamiques du rseau et inspires des enseignements et leons tirs. En particulier, les
tendances de la simulation dynamique ont permis de dgager une
modlisation mathmatique permettant de retrouver de faon systmatique le dbit par
utilisateur, la capacit de la cellule, et ltendue de la cellule couverte en fonction de la
technique de squencement. Cette dernire est choisie selon les types de services
dployer. Par exemple, la technique FT ( Fair Throughput ) est plus adapte aux
services en mode circuit ncessitant un dbit garanti donn pour tous les utilisateurs,
alors que la technique FR ( Fair Resource/Time ) est prfrable pour les services
interactifs ou en mode de tlchargement, fournissant un compromis entre la capacit
globale de la cellule en terme de dbit, et lquit des utilisateurs. Une formulation
analytique globale est tire des rsultats des simulations (tenant compte de toutes les
composantes y affrant), et partir de laquelle on extrait une mthodologie simple et
prcise de dimensionnement des rseaux UMTS bass sur la technique HSDPA (y
-
vi
compris la couverture et la capacit). Ce processus de dimensionnement est illustr par
des tudes de cas avec ou sans effet de masque en tenant compte des diffrents facteurs
influenant une liaison HSDPA telle que la technique dordonnancement, etc.. On
tablit particulirement la loi de distribution discrte de lindicateur de qualit du canal,
et on montre que sous certaines conditions, il peut tre exprim laide de la diffrence
de deux lois gaussiennes. Enfin, on teste et on valide les procdures dduites laide du
mme simulateur dynamique dans le but dtendre lapplicabilit des mthodes
introduites au cas du HSDPA.
Parmi les principales contributions du chapitre 3, llaboration et la dfinition de
nouvelles mthodes de squencement dans le cas multiservices complexe permettant
doptimiser la QoS des utilisateurs HSDPA. En effet, en plus de limplmentation des
techniques de la littrature, quatre nouvelles mthodes de scheduling sont proposes et
introduites dans le simulateur et testes avec des services multiples. Ces nouvelles
techniques constituent lune des bases de notre contribution qui sest notamment
matrialise par la ralisation dun module englobant ces mthodes de squencement
introduites dans le simulateur du projet Eurane [8]. Elles sont bases sur la
diffrentiation des services avec priorit ou leur pondration, et dautres mthodes
hybrides tenant compte de la qualit du canal en fonction des vanouissements rapides
de Rayleigh. Ce travail peut constituer une aide prcieuse pour un oprateur souhaitant
optimiser la satisfaction de ses utilisateurs dans un environnement multiservices et par
suite implanter et dployer la technique HSDPA dans un rseau UMTS.
Au dbut de chacune des deux parties de la thse (chapitres 2 et 3), on labore
une tude mathmatique relative au contexte de chacune des deux parties. Ces tudes
analytiques consistent en la formulation mathmatique des processus de
dimensionnement des liens UL et DL et du HSDPA pour en tirer par la suite des
solutions simples et proches de lidal (comme lquilibrage de charge itratif) au
problme conjoint de la couverture lie la charge en fournissant les expressions
mathmatiques donnant la porte ncessaire de la cellule dans des conditions radio
simples, i.e. sans fluctuations rapides du canal radio. La porte trouve par la
modlisation mathmatique donnant directement le nombre de sites radio ncessaires
pour une zone bien dtermine est approximative mais suffisante pour dmarrer une
tude statique de planification et affiner la couverture et la rpartition de charge aux
cellules, par exemple dune manire itrative par la mthode de Monte-Carlo (Cette
dernire mthode a t mene grce lutilisation de loutil de planification professionnel
PLANET-EV qui a galement permis deffectuer la tche de positionnement des sites
radio). Par ailleurs, la formulation mathmatique prliminaire a aussi servi pour
percevoir lavance les difficults de ltude du lien descendant de lUMTS standard
(Release 99), pour la modlisation du paramtre dinterfrence.
-
vii
Enfin, lefficacit technique en termes de performance, qualit, capacit et
couverture ne doit pas masquer limportance du cot conomique engendr par les
infrastructures dployer pour un oprateur. Lingnierie radio-mobile touche aux
investissements et aux cots oprationnels. Pour cela, on a consacr le dernier
paragraphe du premier chapitre introductif de notre travail tudier la composante
conomique et son impact sur les choix requis lors de la planification. Pour cela, un
rapport qualit-cot a t dfini pour optimiser lefficacit spectrale tout en tenant
compte des cots engendrs par le dploiement des sites et des cellules. Ce concept de
cot a t appliqu ltude de cas des cellules concentriques dont la notion a t
nouvellement introduite en WCDMA avec ou sans sectorisation, en mono ou multi-
porteuses et prsente au premier chapitre. Dans ce contexte, on a pu retrouver le
nombre optimum de cellules concentriques dployer pour obtenir une performance
acceptable sans impliquer de cots supplmentaires pour loprateur tout en maximisant
le rapport qualit-cot ainsi introduit. Par ailleurs, on a tabli que ce partitionnement
na dintrt que si le coefficient dattnuation de la propagation nest pas infrieur une
valeur donne de faon obtenir une efficacit et un rendement, et ceci avec une
efficacit et rendement dautant plus importants que les quipements relatifs au site
sont coteux par rapport ceux de la cellule ou le secteur (ex : lachat dun pylne ou la
location du site dinstallation de lantenne, etc).
3. Apports et Contributions
Cette thse a permis dapprofondir la connaissance des mcanismes danalyse et
de planification des systmes radio-mobiles avancs et notamment ceux du HSDPA. Elle
contribue par lintroduction de nouvelles techniques, par lamlioration dautres
mcanismes, et par la proposition de rgles dingnierie optimises et de mthodes
globales et complmentaires de dimensionnement ncessaires pour un design et
dploiement efficaces. Les apports de cette thse pour les nouveaux rseaux mobiles et
leurs aspects avancs peuvent tre utiles aussi bien pour la communaut de recherche
quindustrielle, pour les ingnieurs de planification ainsi que pour les scientifiques ayant
besoin de modles analytiques assez prcises pour les dernires volutions et prts pour
tre utiliss de diverses manires.
Parmi les contributions principales de notre thse, on peut citer les points
suivants :
Principe des cellules concentrique en WCDMA (partitionnement des cellules) avec lexpression de son efficacit spectrale (Voir paragraphe I.4.2). Ce travail a t
prsent et publi dans les actes du Symposium (IEEE) sur les Tendances des
Communications (SympoTIC04, Octobre 2004, Bratislava, Slovaquie) [9].
-
viii
Impact du cot conomique sur la planification et le dploiement des cellules concentriques, et optimisation du nombre de partitions formant le motif RP (Reuse
Partitioning) donnant un compromis entre lefficacit du partitionnement et son cot
conomique engendr. Loriginalit de cette partie se situe au niveau de laspect
conomique qui nest pas souvent considr dans la littrature et les travaux de
recherche de nature technique. Cette partie de la thse a t prsente et publie
dans les actes du Symposium IEEE sur les Tendances des Communications
(SympoTIC04, Octobre 2004, Bratislava, Slovaquie) [9].
Rsolution analytique directe du problme global dallocation de la puissance dans un contexte multicellulaire en UL et en DL. Lexpression de la puissance mise par
chaque mobile dans la cellule a t galement tablie par la rsolution de ce problme
dans le cas mono-cellulaire puis le travail a t gnralis au cas multicellulaire.
Loriginalit de ce travail se situe, dune part, dans la prise en compte de plusieurs
cellules (avec leurs mobiles) et non pas une seule cellule comme dans la littrature
(Voir paragraphes II.1.1.1.3 b/ & II.1.2.1.3 b/), et dautre part dans la rsolution de
la problmatique du sens DL (Voir paragraphe II.1.2.1.3 a/) : seulement le sens UL
du cas de mono-cellule a t trait dans la littrature.
Elaboration du modle analytique de distribution du paramtre f dinterfrence extra intra-cellulaire. Loriginalit de ce modle propos rside dans sa nature exacte et
non base sur des approximations comme les modles classiques (Voir
paragraphe II.2.2). Ce travail peut apporter une ventuelle aide au dimensionnement
des rseaux daccs UMTS. En effet, les imprcisions des dimensionnements
classiques tablis en DL sont dues principalement lutilisation dans lquation de
charge du DL de valeurs moyennes du paramtre f et de celui dorthogonalit ; en
plus ces valeurs moyennes correspondent souvent des conditions et environnements
particuliers. Cette partie de la thse a t publie dans le journal Wireless Personal
Communications (WPC) de lditeur Springer [10], et prsente et publie aux actes
du 7me symposium international sur la Modlisation, lAnalyse, la Simulation des
Systmes Radio-Mobiles (MSWiM04, Octobre 2004, Venise, Italie) [11].
Nouvelle approche dallocation de la puissance dans une cellule en prsence du SHO (semi-active power control) : Voir paragraphe II.3.2.
Introduction de nouvelles techniques dordonnancement des paquets adaptes pour le cas des services multiples (Voir paragraphe III.4.2.3). On a prsent et publi dans
les actes du congrs World Wireless Congress (WWC 2005, 24-27 Mai 2005, San
Francisco, Californie, USA) [12] la description des techniques proposes et
loptimisation par simulations des paramtres caractristiques de ces techniques
(CQI seuil, pondrations,) de faon maximiser les dbits et satisfaire le maximum
dutilisateurs. Des formulations mathmatiques de deux des nouvelles techniques de
squencement introduites ont t labores dans les deux paragraphes III.4.2.3.1 a/
& c/. Ce travail a t galement prsent et publi dans les actes du Colloque
-
ix
Francophone sur lIngnierie des Protocoles (CFIP06, Octobre / Novembre 2006,
Tozeur, Tunisie) [13].
Elaboration dun modle analytique de la distribution discrte de lindicateur de qualit CQI en prsence de leffet de masque (Voir paragraphe III.4.6.1). Cette partie
de la thse a t prsente et publie dans les actes de la confrence Sciences of
Electronic, Technologies of Information and Telecommunications (SETIT 2007, 25-29
Mars 2007, Hammamet, Tunisie) [14] (section 2). La validation de ce modle
analytique a t galement effectue par des simulations (Voir paragraphe III.6.1.1)
et publi dans la section 4 du mme article [14].
4. Organisation et Structure du manuscrit
Le prsent mmoire est organis en quatre chapitres.
Le premier chapitre est consacr la description du processus de la planification
et les approches du dimensionnement initial telles que prsentes dans la littrature. Il
introduit ensuite une mthode de dimensionnement inspire du mcanisme de
respiration des cellules. Cette mthode itrative fondements analytiques est explicite
pour lquilibrage de charge et la dtermination de la taille de la cellule. Cette mthode
dquilibrage de charge que lon a appel Mthode itrative du point fixe est ncessaire
pour le dimensionnement initial des cellules de type WCDMA. La mthode conue est
la base des diffrentes techniques (principes de dimensionnement) labores en UL et en
DL, puis implmentes dans un outil de dimensionnement initial des rseaux UMTS
R99 effectuant lopration dquilibrage de charge tout en tenant compte de diffrentes
techniques de gestion des ressources radio RRM : Radio Resource Management (avec et
sans contrle de puissance, nouvelle technique introduite FPP (Fair Power Partitioning)
de partitionnement quitable de puissance). Ces diffrentes techniques RRM proposes
et compares constituent un apport pour les oprateurs et des options diverses mis
leurs choix selon leurs priorits en termes de critres de planification. Des courbes de
performance et des courbes de capacit et de couverture ainsi que des rsultats
numriques sont fournies par loutil ainsi dvelopp. Ce premier chapitre introductif se
termine par lextension de lapplication de la notion des cellules concentriques au
WCDMA telle que lon a propose tout en envisageant leur sectorisation, et avec la
distinction des cas dune seule et de plusieurs porteuses pour les partitions. Lexpression
de lefficacit spectrale est galement donne pour les cellules concentriques sectorises
ou non.
A la fin de ce premier chapitre, on envisage limpact de la composante conomique
sur loptimisation de la planification, et ceci pour le cas des cellules concentriques (RP)
sectorises ou non, et dont le principe pour le cas du WCDMA a t dj introduit dans
un paragraphe prcdent de ce premier chapitre. Le nombre de sous-cellules a t
-
x
optimis afin de maximiser un rapport qualit-cot qui a t aussi introduit et dfini
pour chercher un compromis entre le cot conomique et lefficacit en termes de
capacit et qualit.
Le second chapitre traite la planification de lUMTS standard avec lapproche
statique multicellulaire illustre par lanalyse du paramtre f dinterfrence. Parmi les
tches du planificateur radio, on peut citer le problme dallocations des puissances aux
diffrentes stations (mobiles et de base). Ce problme peut se rsoudre dans un contexte
statique, mais il est de plus en plus difficile et dlicat pour un rseau multicellulaire.
Dabord, nous prsentons une formulation mathmatique de la problmatique de
lallocation de la puissance radio (UL et DL) en UMTS dans le langage de la recherche
oprationnelle. Plusieurs alternatives analytiques sont prsentes pour la rsolution de
cette problmatique, telles que lutilisation de valeurs propres, la programmation
linaire, laffectation minimale de la puissance, et la thorie des jeux. Nous analysons
ensuite comment les mthodes par simulation comme le contrle de puissance itratif
parviennent rsoudre cette problmatique. Les deux liens montant et descendant ont
t tudis sparment et minutieusement tout en prcisant la spcificit de chacun. En
particulier, on a not que lallocation de puissance et la rpartition de la charge (par
quilibrage de charge) ne peuvent se rsoudre en DL sans spcifier une condition ou une
politique de partage des ressources radio entre les utilisateurs. Cest dans le cadre de
cette subtilit du lien descendant quon a choisi un principe bas sur la technique de
partage des ressources pour dimensionner le lien descendant laide du bilan de liaison.
A cause de la difficult laquelle le lien DL fait face, on sest propos dlaborer un
modle mathmatique de la distribution (PDF : Probability Distribution Function) du
paramtre f. En effet, on tablit le modle analytique de distribution du paramtre f en
DL dans le cas de la propagation dterministe puis on la gnralis en prenant en
considration leffet de masque. Notre modle est affin galement au cas
multi-interfreurs, et envisag les deux cas de trafic uniforme et non uniforme. Lintrt
particulier de la connaissance prcise de ce paramtre et de sa distribution a t
prsent du fait quil permet de rduire denviron la moiti la complexit des calculs
classiquement effectus dans les simulateurs statiques de type Monte-Carlo. Le modle
exact tabli a contribu aussi la correction et lamlioration de la prcision de la valeur
moyenne de la littrature du paramtre f. Ensuite, on se sert de la valeur corrige de ce
paramtre dans lintroduction dune nouvelle procdure semi-analytique de
dimensionnement radio base mathmatique rutilisant les bilans de liaisons service
multiples dans le lien descendant. La procdure de dimensionnement prsente amliore
les anciennes approches adoptes dans le bilan de liaison en DL. Puis on utilise notre
modle analytique tabli dans lamlioration du processus doptimisation
post-planification en proposant une nouvelle technique dallocation hybride de puissance
en prsence de SHO et de macrodiversit qui dsactive (supprime) le CP (Contrle de
-
xi
Puissance) uniquement dans la zone de chevauchement entre les cellules, et active le CP
ailleurs. On modlise de faon prcise le gain apport par cette nouvelle mthode de
gestion de la puissance du node B en DL tout en exploitant ltude dj effectue sur le
paramtre f. Aprs avoir prsent et compar les diffrentes approches de simulations
(simulateurs statiques ou dynamiques), on labore une tude de cas de simulation
statique effectue laide dun outil de planification commercial (PLANET-EV) sur une
zone urbaine de la ville de Tunis. Les rsultats de planification de cette tude de cas sont
prsents selon les phases projetes ainsi que et ceux gnres par loutil PLANET-EV
(rsultats graphiques et numriques). De tels rsultats de simulation sont prsents
avec des exemples concrets et dtaills et la configuration finale retenue aprs la
planification par loutil statique PLANET-EV.
Par dfaut de prcision du simulateur statique, la seconde partie de ce travail
(chapitres 3 et 4) est consacre une tude dynamique plus fine pour valider les
rsultats du chapitre 2. Le chapitre 3 dbute par une partie de comparaison des rsultats
gnrs par loutil de planification statique ceux tirs par un simulateur dynamique
appliqu lUMTS standard avec la mme configuration. En effet, la prise en compte de
laspect dynamique permet de modliser et dapprhender de faon prcise la qualit de
service relle perue par lutilisateur et par les nuds du rseau en termes de dbit
coul, paquets retransmis ou perdus, etc Ensuite, nous prsentons une description
succincte des diffrentes techniques sur lesquelles se base le HSDPA pour amliorer les
performances et acclrer le dbit de la liaison descendante de lUMTS. Ensuite, une
analyse mathmatique du HSDPA et de ses paramtres est effectue pour trouver une
relation simple entre le dbit dun mobile et la distance au node B. Ceci est relev par
lutilisation du modle qualit / dbit mis en jeu dans la norme [1] et implment dans le
simulateur. On a modlis aussi la limitation de la capacit du HSDPA par le nombre de
codes pour parvenir par la suite distinguer les mthodes de dimensionnement du
HSDPA selon quil soit limit par la couverture ou par la capacit tout en tenant compte
de la technique de squencement utilise. Des tudes analytiques portent aussi sur le cas
multi-services et sur la diversit multi-utilisateurs. Ltude de cette dernire est motive
par le fait que le facteur dactivit dun service a un impact important sur le
squencement des paquets et par suite sur la capacit globale de la cellule. Limpact de
linterfrence intracellulaire sur les performances du HSDPA est galement analys en
testant deux valeurs de linterfrence intracellulaire. En parallle avec la modlisation
mathmatique des diffrentes techniques dordonnancement des paquets, de nouvelles
techniques adaptes au cas de services multiples sont introduites et modlises
analytiquement. Les techniques classiques de squencement sont insuffisantes pour
grer des services de diffrentes natures, cest pour cela quon propose limplmentation
des nouvelles techniques que introduites, dans ce manuscrit, pour le HSDPA dans le cas
multi-services. A la fin de ltude mathmatique, on tablit un modle mathmatique de
-
xii
la distribution de lindicateur de qualit du HSDPA (CQI : Channel Quality Indicator)
avec prise en compte de leffet de masque ; et ceci en mettant en jeu leffet du mcanisme
dadaptation en modulation et codage pour diffrentes techniques de squencement. Des
rsultats de performances sont fournis par le simulateur dynamique pour un ou
plusieurs services pour la validation du modle analytique tabli de distribution du
paramtre CQI en prsence de leffet de masque. Pour le cas multiservices, on
implmente et optimise les paramtres des nouvelles techniques dordonnancement
introduites en fonction des rsultats de performance des tests effectus (en termes de
dbits et de satisfaction des diffrents types de services). Ces techniques sont galement
intgres dans le simulateur dynamique et testes de nouveau pour leur validation. Des
rsultats de performance issus de plusieurs simulations sont prsents et exploits pour
comparer par la suite les techniques de squencement testes (du point de vue dbit net,
temps de latence, taux de retransmissions). Le choix de la catgorie du terminal en
fonction de la technique de squencement est galement introduit comme rsultat des
simulations effectues. A la fin de ce chapitre, on prsente une perspective concernant la
combinaison des deux tudes statiques et dynamique en incorporant le paramtre f dans
le modle canal introduit dans le simulateur dynamique pour ltendre au cas multi-
cellulaire,
Enfin, dans le dernier chapitre, on envisage limpact des diffrentes techniques du
HSDPA sur la conception de nouvelles mthodes adquates de dimensionnement radio
de ce systme. En effet, la relation tablie entre la taille de la cellule et le dbit net
support par la liaison sert llaboration dune mthodologie prliminaire base
semi-analytique, et dun organigramme propos pour le dimensionnement des rseaux
bass sur le HSDPA. Le modle mathmatique incluant limpact du facteur dactivit, de
leffet de masque, et du type de la technique de squencement et qui est valid par les
simulations effectues sert ensuite pour automatiser la mthode de dimensionnement
dj conue et enrichir loutil de dimensionnement dj dvelopp par les nouvelles
fonctionnalits du HSDPA. Des exemples dtudes de cas concrtes sont introduits pour
mettre en application les mthodes conues bases sur la gnration de tableaux et de
courbes de dimensionnement et de couverture radio du HSDPA, et pour comparer les
rsultats de dimensionnement du HSDPA avec ceux de lUMTS standard. Des
alternatives de dimensionnement sont ensuite proposes loprateur HSDPA, bases
sur la technique de partage des ressources radio.
-
1
CChhaappiittrree 11 :: PPllaanniiffiiccaattiioonn rraaddiioo ddee llUUMMTTSS
((WWCCDDMMAA)) eett ttuuddee ddee ccaass
Des modles et des procdures de planification ont t labors dans la
littrature afin de faciliter le travail des industriels et des oprateurs de
lUMTS. La premire partie de ce chapitre est consacre ltude des
processus de dimensionnement entams dans la littrature pour la
planification prliminaire dun rseau daccs radio UMTS avec la
formulation analytique ncessaire pour matriser la charge en UL et DL.
On introduit ensuite une mthode pour le dimensionnement initial en
mettant en jeu le mcanisme de respiration de cellules (mthode itrative
du point fixe), et ce pour chacun des liens UL et DL. Cette mthode est
intgre dans un outil de dimensionnement quon a dvelopp. La
procdure de dimensionnement ainsi propose est base sur des abaques
pouvant tre gnres par notre outil.
Le chapitre se termine par une tude de cas particulire de la planification
dun motif de cellules concentriques (RP) dont le principe a t
nouvellement introduit en WCDMA. Lexpression de lefficacit spectrale
gnralise de ce nouveau concept a t galement fournie la fin du
chapitre. Cette tude sert comme support pour la partie de loptimisation
conomique des cellules concentriques (RP). En effet, puisque le volet
conomique est important pour les oprateurs UMTS, un rapport
qualit-cot est introduit ensuite pour optimiser la configuration de ce
motif RP.
I.1. Etat de lart de la planification du rseau daccs radio
UMTS
I.1.1 Spcificit de la planification en CDMA par rapport celle en
TDMA
Alors que pour les rseaux analogiques ou GSM, la planification radio revient
dfinir un motif de rutilisation de frquences et un espacement minimum entre les
frquences dune mme cellule, le problme des frquences radio-lectriques est
beaucoup plus simple rsoudre dans un rseau UMTS puisque le nombre de porteuses
utiliss par un seul oprateur est limit (2 3 porteuses). En revanche, la subtilit
daffectation de frquences en GSM est remplace par celle de la planification des codes
dembrouillage par cellule pour chaque porteuse utilise.
Les rseaux cellulaires de type TDMA, comme le GSM et a fortiori GPRS,
reposent sur la dcomposition du processus de dimensionnement ou planification en
-
2
deux tches. Ces dernires bien qutroitement lies permettent un processus de
dimensionnement itratif comportant deux phases. Une premire tape consiste
prvoir les besoins en couverture radio (nombre de sites radio et zone de couverture par
site) sur la zone gographique avec prise en compte des donnes terrains et des lois de
propagation. La densit de trafic est aussi prise en compte ce stade pour choisir des
tailles de cellules adaptes au besoin dcoulement de la demande des abonns.
Laffectation de ressources intervient ensuite pendant la deuxime phase. Plus
communment, on parle de plan de frquences dont le but est dattribuer des frquences
aux stations de base tout en minimisant les interfrences (ou maximisant le C/I). Pour
les systmes de type TDMA il sagit donc de converger de manire itrative vers des
solutions offrant des qualits de service acceptables (contrle du C/I par service) au
moindre cot (minimiser le nombre de sites radio et sauvegarder le spectre allou
loprateur en utilisant le moins de porteuses possibles). Une premire tude de
planification des rseaux CDMA a t entame en [15] pour passer aux nouvelles
technologies radio. Une tude complmentaire sur la planification de frquence a t
galement mene dans [16]. Il sagit dans le cadre de cette thse de mener terme ce
passage vers la nouvelle gnration des rseaux mobiles de type cellulaire en
envisageant ses nouvelles techniques et particularits et leur impact sur le processus de
dimensionnement et la planification radio.
Contrairement aux systmes prcdents comme GSM, de type TDMA, o le
processus de dimensionnement peut tre spar en plusieurs tches, les systmes CDMA
de la nouvelle gnration de rseaux europens de type UMTS ncessitent une
optimisation conjointe : Couverture radio et trafic sont troitement lis. Il ne sagit plus
de trouver un plan de frquence adquat pour une prvision de couverture donne, mais
dallocation de puissance optimale aux terminaux. Sur la voie montante du mode FDD de
lUMTS, cest surtout un problme de porte. Les bilans de liaison pour plusieurs
services (voix 16 Kbps, services donnes 128 Kbps et 384 Kbps) sur la voie radio
indiquent que la porte maximale ne dpasserait pas 2,5 Km. Cest en ralit la voie
descendante qui limite vraiment la couverture de chaque site cause de la limitation en
la puissance totale du node B. La taille de la cellule diminue en fonction de la charge de
trafic pour maintenir la qualit de service ou limiter les interfrences. Une forte densit
de trafic peut donc imposer une densification des sites. Le dimensionnement consiste en
grande partie prdire ou trouver les bonnes tailles de cellules suite la rsolution du
problme doptimisation conjointe.
Laspect conjoint mentionn ci-dessus de la couverture et de la capacit en
UMTS est du lemploi dune seule porteuse dans la technique daccs multiple utilise
CDMA (Pas daffectation de frquences comme en GSM) do la limitation de la capacit
du systme par le niveau dinterfrence reue. Le mcanisme de respiration de cellule en
CDMA illustre cette interdpendance. A cet aspect sajoute le fait que lUMTS utilise non
seulement le mode circuit comme le GSM mais aussi le mode paquet. Cela implique des
-
3
changements dans la philosophie, le processus et les procdures de planification en
UMTS cause des nouvelles techniques et composantes introduites en UMTS par
rapport au GSM tel que le canal partag qui a t normalis spcifiquement pour les
services en mode paquet pour lesquels les donnes transmises sont sporadiques et que le
standard UMTS doit supporter.
I.1.2 Dimensionnement initial dun rseau daccs radio WCDMA
Le dimensionnement initial ou la planification prliminaire dun rseau WCDMA
est la premire tape du processus global de la planification permettant une premire
valuation rapide de la densit et de la configuration des sites requis, de la capacit
offerte des lments du rseau WCDMA planifier et de la couverture estimer
conjointement avec la capacit. Cette tape prcde la planification dtaille
(proprement dite) souvent base sur des outils logiciels professionnels assez performants.
Elle permet de donner une ide initiale mais importante sur nombre de sites radio
dployer et les cots de linfrastructure engendrs. Cette tape est dsigne dans le reste
du manuscrit par dimensionnement initial ou planification prliminaire. Le
dimensionnement initial radio comprend :
- Le bilan de liaison radio permettant de dfinir lattnuation maximale que la cellule peut supporter en uplink (UL) et en downlink (DL). Il est ralis pour
chaque type de service et inclue les aspects spcifiques au WCDMA tels que la
marge de dgradation de linterfrence due laugmentation supplmentaire du
niveau du bruit caus par le trafic prsent, la marge de lvanouissement rapide
due au contrle de puissance rapide qui doit suivre minutieusement (chaque 0,66
ms) les fluctuations rapides du fast fading, et le gain du SHO (Soft Handover)
spcifique aux rseaux de type CDMA,
- Analyse conjointe de la couverture et de la capacit, - Estimation du nombre ncessaire de sites radio et de nodes B.
Les paramtres dentre de notre problme de dimensionnement sont :
9 la distribution des services aux diffrents utilisateurs (taux de pntration des diffrents services parmi les mobiles actifs),
9 la densit de trafic (nombre des utilisateurs par unit de surface pour chaque zone de service planifier),
9 les estimations de la croissance chronologique des nombre dabonns pour chaque service,
9 la qualit de service requise (QoS cible) en termes de rapport Eb/N0 (Signal Energy per bit to Noise power density per Hertz) par service et de probabilit de
couverture cible,
9 et la GoS cible (Grade of Service) en termes de taux de blocage tolrable (en cas de services en mode circuit) ou de dbit minimum garanti pendant un pourcentage
de temps de service requis (en cas de services en mode paquet).
-
4
I.1.2.1 Aspects et paramtres spcifiques au WCDMA dans le bilan de
liaison radio
I.1.2.1.1 Facteur de charge en UL
Le facteur de charge pour le lien montant dfini par [17][18][19] :
( ))1(
1
1
,0
f
NERW
k
kULbk
UL ++
= o Rk est le dbit utilis par le mobile k (MSk), W est la largeur de la bande du WCDMA,
(Eb/N0)UL,k reprsente la qualit de service requise par le service utilis par le mobile k
en UL, i.e. le seuil minimal de QoS que doit recevoir le node B par le mobile k pour que le
service considr soit satisfait, f est le facteur dinterfrence dfini par :
own
oth
II
f =
o Iown est la puissance totale mise par tous les mobiles dans la cellule et Ioth est
linterfrence reue par les mobiles connects aux autres cellules (interfrence
extracellulaire) suppose directement proportionnelle Iown (par la constante de
proportionnalit f).
Pour inclure la charge due au mcanisme de SHO, il convient de sommer sur le
nombre de toutes les connexions de la cellule [18][20] gal N(1 + CSHO) ; o N est le nombre de mobiles en absence de SHO, et CSHO est le facteur SHO Overhead (fraction du
nombre des mobiles en prsence de SHO par rapport celui en labsence de SHO).
La marge dinterfrence en UL (augmentation de linterfrence par rapport au
bruit) ou Noise Rise est dfinie par :
)1(1
_UL
riseNoise =
I.1.2.1.2 Facteur de charge en DL
Le facteur de charge en DL est donn par [17][18][19][21] :
( ) ( ) +=j
jjj
jjDLbDL fRW
vNE)1(
.,0
o
Ri est le dbit du service utilis par le mobile, W est le dbit chip, (Eb/N0)DL,i reprsente la QoS requise pour le mobile i en DL incluant les diffrents
gain du bilan de liaison radio ainsi que laugmentation moyenne de la puissance due
au contrle de puissance rapide,
vj est le facteur dactivit en DL, j est le facteur dorthogonalit qui dpend de la propagation multi-trajets, et
(1.1)
(1.3)
(1.2)
(1.4)
-
5
fj est le facteur dinterfrence extra intracellulaire pour le mobile j (en DL) donn par :
=mn jn
jmj L
Lf
,
,
avec Lm,j est laffaiblissement entre la station node B serveuse m et le mobile j, et Ln,j est
laffaiblissement entre une autre station node B n (diffrente de m) et le mobile j.
De mme quen UL (paragraphe I.1.2.1.1), on pourra sommer, dans (1.4), sur le
nombre total des connexions radio de la cellule N(1 + CSHO) pour inclure la charge due aux mobiles en SHO [18][20].
La puissance totale du node B m (station serveuse) en DL scrit [21] :
( )( )
+
=
i mn inim
iiiiDLb
iim
iiiDLbN
L
L
W
vRNE
LW
vRNEP
P
,
,,0
,,0
)1(1
o PN est la puissance de bruit au niveau du mobile (UE : User Equipment). Pour le cas
spcial dun seul service N utilisateurs, (1.6) devient :
( )( ) ( )fN
WRvNE
LNW
RvNEP
PDLb
DLbN
+=
)1(1 0
0
avec L , et f sont respectivement lattnuation moyenne dans la cellule, le facteur dorthogonalit moyen et le rapport dinterfrence extra intracellulaire moyen.
Dans ce cas, la valeur moyenne DL du facteur de charge en DL dans la cellule sera dfini par :
( ) ( ) +=j j
jjDLbDL fRW
vNE)1(
.,0
Dans le cas de plusieurs services, la puissance ncessaire (1.6) peut tre
gnralise en [21] :
( )( )
=
=
+
=s
j
jjjjjj
DLb
s
j
jjjjj
DLbN
fNW
vRNE
LNW
vRNEP
P
1
)()()()()()(
0
1
)()()()()(
0
)1(1
avec s est le nombre de services, N(j) est le nombre des utilisateurs du service j,
(Eb/N0)DL(j), R(j) et v(j) sont respectivement la QoS cible, le dbit et le facteur dactivit du
service j et )( j
L , )( j et )( jf sont respectivement les valeurs moyennes de lattnuation,
du facteur dorthogonalit et du facteur dinterfrence extra intracellulaire du service j
dans la cellule, dpendant de la distribution des utilisateurs concerns par ce service.
(1.9)
(1.5)
(1.6)
(1.7)
(1.8)
-
6
I.1.2.2 Estimation de la marge de shadowing : Equations de couverture
Le bilan de liaison radio permet destimer lattnuation isotropique maximale
permise (MAPL). Ce bilan ncessite lextraction de la valeur de la marge de shadowing
(Evanouissement lent) qui est lie la probabilit de couverture.
La probabilit de couverture dpend des paramtres suivants :
- Constante n du modle de propagation (donnant la pente de laffaiblissement) : 3,5 par exemple,
- Ecart-type du fading lent log-normal, - Autres pertes (Indoor, Incar, ) : En Indoor, lcart-type de leffet de masque
(shadowing log-normal) = 10 12 dB, alors quen Outdoor, il est de 6 8 dB.
La probabilit de couverture surfacique Fu scrit de la manire suivante [22][17] :
+=b
bab
baaerfFu
.11.
..21exp)(1
21
2
o
2.0
rPxa
= et 2.
log..10 10
enb =
avec
: Ecart-type de leffet de masque x0 : Seuil moyen de la sensibilit de puissance
Pr : Niveau moyen de puissance sur le contour de la cellule
La diffrence x0 Pr dsigne la marge de shadowing
erf : fonction erreur error function dfinie par :
= x t dtexerf 0 22)( La probabilit de couverture Cu sur le contour est donne par
[ ])(121
aerfCu =
I.1.2.3 Analyse de la capacit et de la couverture dans la phase initiale
de la planification
La relation conjointe et troite entre la couverture et la capacit en CDMA est
observe clairement travers le phnomne classique de respiration des cellules (Cell
breathing). Au cours du dimensionnement initial, limpact du trafic sur la porte de la
cellule se situe au niveau du paramtre Noise rise qui limite lattnuation maximale
(MAPL) dans le bilan de liaison. Ce paramtre traduit linterfrence maximale supporte
par le rseau (supplmentaire au bruit du rcepteur). Le bilan de liaison tient compte, en
plus des paramtres de pertes et de gains classiques, du dbit par service (qui apparat
dans le gain dtalement), de la vitesse du mobile (incluse dans la marge de fading
(1.10)
(1.11)
(1.12)
(1.13)
-
7
rapide), du rapport de qualit requis (Eb/N0), de la macro-diversit (par le gain de SHO),
etc.
La porte de la cellule dpend donc du nombre dutilisateurs simultans dans la
cellule par lintermdiaire du paramtre Marge dinterfrence . Ainsi, loprateur doit
avoir une vision claire sur la distribution des abonns et leur croissance puisque la
charge a un impact direct sur la couverture. Rappelons que le dimensionnement global
dun rseau UMTS multiservices quivaut au dimensionnement du service le plus
contraignant.
Dhabitude, un rseau daccs CDMA doit tre dimensionn avec un facteur de
charge de 50% (Niveau dinterfrence gal celui du bruit) mais ne dpassant pas 75%
(Noise rise de 6 dB), sinon il y a un risque dinstabilit (Voir simulations du paragraphe
I.3.).
I.2. Mthode itrative du point fixe
A cause de la dpendance mutuelle de la capacit et de la couverture en WCDMA
par lintermdiaire de la respiration des cellules, le bilan de liaison radio ne doit pas tre
simplement statique mais plutt dynamique. Ainsi le dimensionnement radio utilisant
un bilan de liaison classique ne donne pas des rsultats prcis : En effet, il fournit soit
un sous-dimensionnement (non souhait), soit un sur-dimensionnement (coteux). Pour
cela, le planificateur doit appliquer le rsultat dquilibre induit par la respiration de
cellules.
Dans ce paragraphe I.2., la mthode itrative du point fixe est propose pour
chacun des liens (UL et DL) permettant de retrouver le point dquilibre de la respiration
de cellules, do un dimensionnement initial prcis. Cette mthode accepte une densit
de trafic (dutilisateurs par service) dont la prvision doit tre planifie par phases tout
en tenant compte des marges radio ncessaires. Dans la suite de ce chapitre (paragraphe
I.3.), les simulations de dimensionnement sont effectues sur la base de cette mthode
dont la description se trouve ci-aprs.
I.2.1 Mthode itrative du point fixe en UL
Dans la prsente mthode propose, les puissances des mobiles sont supposes
fixes la valeur maximale tolre par le terminal de faon chercher la taille
maximum possible par cellule et par la suite minimiser le nombre de sites radio requis
pour le dimensionnement. Pour cela, la distribution des utilisateurs est connue selon les
types de services (pourcentages), et la densit de trafic est suppose uniforme dans la
zone de service tudie (au lieu de donner les gains hi des liens entre le mobile i et
chaque node B comme prcdemment). La mthode itrative ci-dessous est base sur la
respiration de cellules et la dpendance mutuelle de la couverture et la charge de la
cellule. Le cas de trafic non uniforme (ou de cellules charges diffrentes ou non
-
8
quilibres) est envisag dans le paragraphe II.2.2.2.3. Puisque cette mthode est base
sur un bilan de liaison (dynamique), le SHO est pris en compte par lintermdiaire dun
gain radio. Par ailleurs, un sur-dimensionnement supplmentaire devra tre effectu
pour tenir compte de la zone de chevauchement entre les cellules contenant les mobiles
en SHO. Ce sur-dimensionnement peut tre substitu par la considration du nombre de
connexions total N(1 + CSHO) dans le facteur de charge (paragraphe I.1.2.1.1). Pour le lien montant, la relation conjointe et troite entre la couverture et la
capacit en CDMA est observe clairement dans le phnomne classique de respiration
des cellules (Cell breathing). Au cours du dimensionnement initial, limpact du trafic sur
la porte de la cellule se situe au niveau du paramtre Noise rise qui limite lattnuation
maximale (MAPL) dans le bilan de liaison. Ce paramtre (Noise rise) traduit
linterfrence maximale supporte par le rseau (supplmentaire au bruit du rcepteur).
Le bilan de liaison tient compte, en plus des paramtres de pertes et de gains classiques,
du dbit par service (dans le gain de traitement PG), de la vitesse du mobile (dans la
marge de fading rapide), du sens de la liaison (par lintermdiaire de Eb/N0), de la
macro-diversit, etc.
Lquation gnrique du CDMA (Expression de Eb/N0) permet dtablir le facteur
de charge (pour les deux liens) dfini ci-dessous (daprs (1.1) ). On peut aussi extraire ces expressions partir du bilan de liaison :
=
+
+=N
j
jjb
UL
vRNE
Wf
1
0
1
1)1(
avec f est le rapport entre linterfrence extracellulaire et intra-cellulaire. Le Noise Rise
nest autre que UL1
1.
Un rseau daccs CDMA est typiquement dimensionn avec un facteur de charge
maximum de 50% par exemple (Niveau dinterfrence gal celui du bruit) mais ne
dpassant pas 75% (Noise Rise de 6 dB), sinon il y a un risque dinstabilit (Voir
simulations avec leurs organigrammes au paragraphe I.3.).
Lexpression (1.14) du facteur de charge en UL peut tre regroupe en services :
( ))1(
1,0
f
NERW
N
j
jULbj
jUL +
+=
avec Nj est le nombre dutilisateurs du service j. Dans notre simulation, la distribution
des utilisateurs selon les services est suppose selon des fractions j dutilisation dun service j tel que :
Nj = j.N avec N est le nombre dutilisateurs total de notre zone de service. Ainsi (1.15) devient :
(1.15)
(1.16)
(1.14)
-
9
( )aNNf
NERW
j
jULbj
jUL =
+
+= )1(
top related