analyse de la mobilité des utilisateurs dans le réseau 4g lte

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO -------------

DOMAINE SCIENCES ET TECHNOLOGIES -----------

MENTION PHYSIQUE ET APPLICATIONS ------------

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

pour l’obtention du diplôme de

MASTER EN PHYSIQUE ET APPLICATIONS

du parcours : Ingénierie en Systèmes Electroniques Informatiques

Intitulé

Présenté par

ISSIAKA Mohamed Ali

devant la commission d’examen composée de :

Président : Mme RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur Titulaire

Rapporteur : Mme RAZANAMANAMPISOA Harimalala Maître de Conférences

Examinateurs : M. RANAIVO-NOMENJANAHARY Flavien Professeur Titulaire

M. RASAMIMANANA François de Salle Maître de Conférences

Le 07 Avril 2017

Année Universitaire 2015 – 2016

Analyse de la mobilité des utilisateurs

dans le réseau 4G LTE

Dédicace

i

Ce mémoire est dédié à

Mes parents,

Ma femme,

Ma fille chérie,

Ma famille,

Tous mes amis et proches.

Issiaka Mohamed Ali

Remerciements

ii

REMERCIEMENTS

En préambule de ce mémoire, il m’est particulièrement agréable d’exprimer mes

remerciements à ALLAH le Tout puissant et miséricordieux, pour m’avoir donné la force, la

capacité, la morale ainsi que la patience de mener à bien l’élaboration de ce mémoire de fin

d’études.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués à la Direction Technique du

Groupe Telma en collaboration étroite avec le parcours Master d’Ingénierie en Systèmes

Electroniques Informatiques (MISEI) de la Mention Physique et Applications du Domaine

Sciences et Technologies de l’Université d’Antananarivo.

Je tiens à remercier vivement Monsieur RAHERIMANDIMBY Marson, Professeur

Titulaire, Responsable du Domaine Sciences et Technologies de l’Université d’Antananarivo,

d’avoir bien voulu m’autoriser à m’inscrire dans le parcours MISEI.

J’adresse également mes remerciements respectueux à Monsieur le Professeur

RAKOTONDRAMIARANA Hery Tiana, Responsable de la Mention Physique et

Applications au sein du Domaine Sciences et Technologies.

J’adresse mes vifs remerciements respectueux à Madame RAZANAMANAMPISOA

Harimalala, Maître de Conférences, Responsable du parcours MISEI au sein de la Mention

Physique et Applications pour ses meilleures organisations pour la réussite du parcours.

J’adresse toute ma gratitude au corps enseignants, administratifs et techniques du

parcours MISEI pour leurs facilitations à ma réussite au terme de ce parcours.

J’exprime toute ma gratitude aux membres de jury respectivement Madame

RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo, Professeur Titulaire, Madame

RAZANAMANAMPISOA Harimalala, Maître de Conférences, Madame Nivo Hanitra

RASAMIMANANA, Docteur en Télécommunications, Monsieur RANAIVO-

NOMENJANAHARY Flavien, Professeur Titulaire et Monsieur RASAMIMANANA

François de Salle, Maître de Conférences, pour l’honneur qu’ils m’ont fait d’avoir accepté

d’être président, rapporteurs et examinateurs de ce mémoire.

J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur Patrick Pisal-Hamida,

Administrateur Directeur Général, et Monsieur Jean Luc Ramamonjiarisoa, Directeur des

Ressources Humaines, pour m’avoir accueilli dans leur société des télécommunications,

Telma, pendant mon stage de perfectionnement.

Mes remerciements vont également à Monsieur Joël Andrinirina RANDRIANASOLO,

Directeur Général Adjoint Technique, Monsieur Didier HUNG, Directeur Opération &

Maintenance, et Madame Nivo Hanitra RASAMIMANANA, Chef de Service Core Fixe &

Remerciements

iii

Mobile et IN/VAS/Roaming, pour avoir su me guider avec attention et gentillesse pendant

mon stage d’étude auprès de la DTG Telma.

J’adresse également mes remerciements à l’ensemble du personnel de la DTG et de la

RH de Telma et plus particulièrement au personnel du service Core Fixe & Mobile et

IN/VAS/Roaming pour leurs facilitations d’intégration dans les diverses activités qui sont à

leurs charges.

Je tiens à remercier plus particulièrement mes deux encadreurs Madame Nivo Hanitra

RASAMIMANANA et Madame RAZANAMANAMPISOA Harimalala, respectivement

encadreurs professionnel et pédagogique pour toute l’attention qu’elles m’ont portées et pour

les moyens mis à ma disposition durant la préparation de ce travail. Leurs précieux conseils

de tous ordres, leurs disponibilités, leurs confiances, leurs expériences et leurs grandes

compétences ont permis l’accomplissement de ce travail.

J’exprime toutes mes reconnaissances à mes parents. Grâce à eux avec l’aide de Dieu,

j’ai réussi toutes les étapes que j’ai passées dans ma vie. Je leur adresse mes profonds

remerciements.

J’adresse mes profonds remerciements et reconnaissances à ma femme, Madame

DALIDA Moussa pour m’avoir accepté de réintégrer à l’Université et de s’occuper toute

seule de la fille qui nous comble de bonheur.

A ma fille chérie, Issiaka Fahmiya, née à la période de la prise de décision de

réintégration de la vie Universitaire. Je tiens à l’adressée mes vifs félicitations et

remerciements avec l’espoir que les réseaux mobiles l’aideront à mieux vivre et comprendre.

Je remercie également ma belle-mère, aux frères et sœur de Fahmiya, pour avoir s’occuper

d’elle pendant les heures de travail de sa mère.

Je remercie aussi mes frères et sœurs, ainsi que l’ensemble de ma famille pour leurs

soutiens constants.

J’exprime mes sincères remerciements et reconnaissances à Monsieur Charcane

Chaharane pour ses conseils et accompagnements significatifs durant mon séjour d’étude à

Madagascar.

Je tiens à exprimer mes profondes et sincères reconnaissances à Monsieur Bacar

Houmadi, Monsieur Nardassi Houmadi, Monsieur Faharddine Chaharane et Monsieur

Faissoili Abdou pour leurs motivations sur mes études universitaires, à qui je les adresse tous

mes remerciements.

J'adresse mes plus sincères remerciements à tous mes amis et proches, qui m'ont

toujours soutenu et encouragé au cours de la réalisation de ce mémoire.

Mes remerciements à tous et à toutes.

Table des matières

iv

TABLE DES MATIERES

Dédicace ............................................................................................................................ i

Remerciement .................................................................................................................. ii

Table des matières ......................................................................................................... iv

Notations ......................................................................................................................... vi

Liste des figures .............................................................................................................. ix

Liste des tableaux ........................................................................................................... xi

Introduction ............................................................................................................ 1

Chapitre I : Réseau mobile 4G LTE de Telma ............................................. 3

I.1. Les réseaux mobiles de Telma .................................................................................. 3

I.1.1. User Equipment ............................................................................................. 5

I.1.2. Réseau d’accès .............................................................................................. 7

I.1.3. Réseau cœur ................................................................................................ 10

I.2. Architecture globale du réseau 4G LTE de Telma .................................................. 11

I.2.1. Protocoles de l’architecture 4G de Telma ................................................... 13

I.2.2. Services de l’architecture 4G de Telma ...................................................... 13

I.3. Problématiques d’accès liés aux utilisateurs 4G LTE ............................................. 13

I.3.1. Problèmes liés aux utilisateurs .................................................................... 14

I.3.2. Problèmes liés à l’opérateur ........................................................................ 14

Chapitre II : La mobilité des utilisateurs 4G LTE ...................................... 15

II.1. La mobilité de l’utilisateur ..................................................................................... 15

II.2. Gestion de la mobilité des utilisateurs .................................................................... 16

II.2.1. Problèmes liés à l’effet doppler ................................................................. 18

II.3. Modèles théoriques de la mobilité ......................................................................... 19

II.3.1. Les hypothèses simplificatrices ................................................................ 19

II.3.2. Les paramètres influents ........................................................................... 20

II.3.3. Débits moyens .......................................................................................... 22

Table des matières

v

Chapitre III : Résultats prévisionnels et interprétations ............................. 24

III.1. L’outil numérique de prévision .............................................................................. 24

III.1.1. But de la simulation .................................................................................. 24

III.1.2. Outils d’observation des résultats .............................................................. 24

III.2. Les données disponibles ....................................................................................... 25

III.3. Analyse préliminaires ........................................................................................... 27

III.3.1. Bande passante à la réception ................................................................... 28

III.3.2. Puissance de bruit ..................................................................................... 29

III.4. Analyse des débits moyens ................................................................................... 30

III.4.1. Débits moyens et bande passante ............................................................. 30

III.4.2. Débits moyens et puissance de bruit ........................................................ 32

III.4.3. Débits moyens montant pour un utilisateur en mouvement ..................... 33

III.4.4. Débits moyens descendant pour un utilisateur en mouvement ................ 34

III.5. Interprétations ....................................................................................................... 37

Conclusion ................................................................................................................... 38

Références bibliographiques .......................................................................................... 40

Annexe 1 : Description des éléments de l’architecture UMTS ..................................... xii

Annexe 2 : Description des éléments de l’architecture 4G LTE de Telma ................ xiv

Notation

vi

NOTATION

1. Nomenclature

Bd bande Doppler Hz

Br bande passante à la réception Hz

Bw bande passante Hz

c Vitesse de la lumière m/s

f0 fréquence porteuse Hz

fd décalage doppler Hz

fdmax fréquence doppler maximale Hz

fr fréquence de réception Hz

k Constante de Boltzmann J.K-1

kbps kilo bit par seconde bps

kq Rang de la matrice H (canal MIMO)

MHz Méga Hertz Hz

ƞBw Efficacité de la bande passante dB

ƞSNR Efficacité SNR dB

PB puissance totale du bruit capté par l’antenne dBm

PTX Puissance totale émise dBm

Q Nombre de sous canal

R nombre de bloc de ressource par sous canal

RDL Débit moyen descendant bps

RUL Débit moyen montant bps

SNRIN rapport signal sur bruit à l’entrée du récepteur dB

SNROUT rapport signal sur bruit à la sortie du récepteur dB

T Température de récepteur °C

v Vitesse de déplacement de l’utilisateur m/s

αk,q Gain de puissance de sous canal (k, q) dB

αn angle que fait la vitesse de l'onde avec la vitesse du mobile degré°

βk,q Allocation de puissance pour le sous – canal (k, q) dB

�� puissance du bruit dB

Notation

vii

2. Abréviations

2G Deuxième Génération

3D Trois Dimensions

3G Troisième Génération

3GPP The 3rd Generation Partnership Project

4G Quatrième Génération

AAA Authentication Authorization Accounting

AUC Authentication Center

BSC Base Station Controller

BTS Base Transceiver Station

CDMA Code division multiple access

ECM EPS Connection Management

EIR Equipment Identity Register

EMM EPS Mobility Management

eNodeB evolved Node Base station

EPC Evolved Packet Core

EPS Evolved Packet System

ESM EPS Session Management

eUTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

GGSN Gateway GPRS Support Node

GMSC Gateway Mobile Switching Center

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile communications

GTP-U GPRS Tunnelling Protocol User Plane

HLR Home Location Register

HSS Home Subscriber Server

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IMS IP Multimedia Subsystem

IMSI International Mobile Subscriber Identity

IP Internet Protocol

LTE Long Term Evolution

M2M Machine to Machine

MAP Mobile Application Part

ME Mobile Equipment

MME Mobility Management Element

Notation

viii

MSC Mobile Switching Center

NAS Strate Non Accès

OFDMA Orthogonal Frequency-Division Multiple Access

PCRF Policy and Charging Rules Function

PGW Packet GateWay

RADIUS Remote Authentication Dial-In User Service

RNC Radio Network Controller

RRC Radio Resource Control

S.A Société Anonyme

SC-FDMA Single-Carrier Frequency Division Multiple Access

SGSN Serving GPRS Support Node

SGW Serving GateWay

SIM Subscriber Identity Module

SMSC Short Message Service Center

SS7 Signaling System n° 7

TELCO Télécom Comores

UE User Equipment

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

USIM UMTS Subscriber Identity Module

UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network

VLR Visitor Location Register

VoIP Voice over Internet Protocol

ix

LISTE DES FIGURES

Figure 1.01 : Architecture générale des réseaux mobiles ............................................... 3

Figure 1.02 : Concept cellulaire ....................................................................................... 4

Figure 1.03 : Architecture générale d’un User Equipment .............................................. 5

Figure 1.04 : Users Equipments 3G et 4G ....................................................................... 6

Figure 1.05 : Architecture réseau d’accès UMTS de Telma ............................................. 7

Figure 1.06 : Architecture du réseau d’accès eUTRAN de Telma ................................... 8

Figure 1.07: Canal de propagation et canal de transmission ........................................... 9

Figure 1.08 : Architecture du réseau cœur UMTS de Telma .......................................... 10

Figure 1.09 : Architecture du réseau coeur 4G de Telma ............................................... 11

Figure 1.10 : Structure générale d’un réseau 4 G LTE ................................................. 12

Figure 1.11 : Architecture globale du réseau 4G LTE de Telma .................................... 12

Figure 2.01 : Les états de transition entre l’EMM et l’ECM/RRC ................................. 17

Figure 2.02 : Phénomène d’effet doppler ....................................................................... 18

Figure 2.03 : Effet doppler .............................................................................................. 20

Figure 2.04 : Facteur de bruit dans le récepteur ............................................................. 21

Figure 3.01 : Fenêtre principale de l’outil d’observation des résultats .......................... 25

Figure 3.02 : Bande passante à la réception pour une bande passante de 1,4 MHz ...... 28

Figure 3.03 : Bande passante à la réception pour une bande passante de 20 MHz ....... 29

Figure 3.04 : Puissance de bruit en fonction de la vitesse de déplacement de l’utilisateur

........................................................................................................................................ 30

Figure 3.05 : Débit moyen montant en fonction de la bande passante à la réception .... 31

Figure 3.06 : Débit descendant en fonction de la bande passante à la réception ........... 31

Figure 3.07 : Débit moyen montant en fonction de la puissance de bruit ...................... 32

Figure 3.8 : Débit moyen descendant en fonction de la puissance de bruit ................... 33

Figure 3.09 : débit moyen montant en fonction de la vitesse de déplacement de

l’utilisateur ..................................................................................................................... 33

Figure 3.10 : Débit moyen montant en fonction de la vitesse de déplacement de

l’utilisateur ..................................................................................................................... 34

Figure 3.11 : Débit moyen descendant en fonction de la vitesse de déplacement de

l’utilisateur pour toutes les antennes ............................................................................... 35

Figure 3.12 : Débit moyen descendant en fonction de la vitesse de déplacement de

l’utilisateur pour toutes les bandes passantes ................................................................ 35

x

Figure 3.13 : Débits moyens descendant pour une bande passante de 5 MHz avec une

antenne et deux antennes ............................................................................................... 36

Figure 3.14 : Débits moyens descendant pour deux antennes fixes avec les bandes

passantes 1.4 MHz et 20 MHz ....................................................................................... 36

xi

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 3.01 : Paramètres de la simulation .................................................................. 26

Tableau 3.02 : Efficacité de la bande passante et efficacité de bruit en fonction de nombre

d’antenne ........................................................................................................................ 26

Tableau 3.03 : Nombre de blocs de ressource pour les différentes bandes passantes de

LTE ................................................................................................................................ 27

Tableau 3.04 : Débit moyen montant ............................................................................. 27

Tableau 3.05 : Débit moyen descendant ........................................................................ 27

Introduction

1 sur 41

INTRODUCTION

Télécom Malagasy S.A. (TELMA), société oeuvrant dans le domaine de la

télécommunication, fait partie aujourd’hui du Groupe Telma, composé de quatre sociétés

anonyme dénommées : Telma S.A (2003), Telma Global Net S.A (2003), Telma Mobile

S.A (2006) et Telma Money S.A (2010). Telma propose également ses services dans les

Îles de l’océan indien dont le lancement officiel de TELCO S.A en Décembre 2016,

auprès de l’Union des Comores. Telma offre à ses abonnés les services suivants : la

téléphonie fixe et mobile, l’internet et le mobile money. Le Groupe Telma met en œuvre

depuis 2015, les services de la dernière génération des réseaux mobiles, la 4G LTE.

Le réseau 4G LTE vise à améliorer la qualité de service en termes de débit dans le

cas d’échange de trafic temps-réel, afin d’éviter les temps de latence perçus par les

abonnés et d’augmenter la capacité de gestion du nombre de mobiles d’une même cellule.

Tout d’abord, la troisième génération du réseau mobile offre le haut débit théorique

jusqu’à 2 Mbps avec une mobilité faible, et un débit de 384 kbps lors de déplacement.

Ainsi, elle présente aussi certains inconvénients comme le facteur de coût et le

changement des équipements utilisateurs.

Ensuite, Long Term Evolution (LTE) est la plus récente parmi les normes de

téléphonie mobile. LTE utilise des bandes passantes pouvant varier de 1,4 MHz à 20

MHz, permettant ainsi d'obtenir (pour 20 MHz) des débits binaires théoriques pouvant

atteindre 300 Mbps en liaison descendante et 80 Mbps en liaison montante. Il évite ainsi

l’interruption des services durant le transfert intercellulaire, et permettant de basculer

l’utilisation vers le tout-IP. La 4G avancé (LTE-Advanced, en anglais) offrira un débit

descendant pouvant atteindre 1 Gbps ; ce débit nécessitera l’utilisation de bandes de

fréquences de 2100 MHz de largeur qui sont définies dans la version 10 (3GPP release

10) de la norme LTE-Advanced.

Ce travail, étudie les problématiques du débit et de la mobilité des utilisateurs dans

le réseau 4G LTE tout en précisant sur la théorie de base la modélisation pour étayer la

bande passante disponible et des débits moyens en voies descendante et montante lors du

déplacement de l’utilisateur.

Introduction

2 sur 41

L’ «analyse de la mobilité des utilisateurs dans le réseau 4G LTE » détermine les

débits perçus par un utilisateur en mouvement.

Les trois chapitres, de ce mémoire se répartissent comme suit.

Le premier chapitre, décrit le réseau mobile 4G LTE de Telma. Il présente

l’évolution des réseaux mobiles de Telma à partir de l’UMTS à la 4G LTE, les protocoles

et services offerts et ainsi que les problématiques d’accès liés aux utilisateurs 4G LTE y

sont également décrit.

Le deuxième chapitre, se focalise sur l’étude de la mobilité des utilisateurs 4G LTE.

Il permet d’étudier la mobilité, puis préciser les problèmes correspondants et donne les

équations de base conduisant à la modélisation de la mobilité horizontale. Les différents

paramètres y sont décrits. Ils permettent d’inventorier les paramètres influents.

Le troisième chapitre, simule sous Matlab la mobilité de l’utilisateur en mouvement

en fonction des paramètres suivants : bande passante, puissance de bruit et débits moyens

dans les sens descendant et montant. Les résultats de la simulation, font l’objet

d’interprétation respectivement un à un des résultats obtenus.

Enfin, nous dresserons une conclusion générale du manuscrit et proposerons des

perspectives à ce travail.

Chapitre I – Réseau mobile 4G LTE de Telma

3 sur 41

Chapitre I : Réseau mobile 4G LTE de Telma

I.1. Les réseaux mobiles de Telma

Un réseau de téléphonie mobile permet l'utilisation simultanée de millions de

téléphones sans fil, immobiles ou en mouvement, y compris lors de déplacements à

grande vitesse et sur une grande distance. La figure 1.01, présente la structure générale

d’un tel réseau. Les réseaux mobiles se distinguent entre elles par leurs générations, les

infrastructures et les services qu’ils peuvent offrir [25], [3], [2], [7].

Figure 1.01 : Architecture générale des réseaux mobiles [1]

Généralement, un réseau mobile est développé suivant un concept cellulaire basé

sur la division d’un territoire en « cellules », desservies chacune par une ou plusieurs

stations de base [12], [13]. La figure 1.02, illustre un réseau cellulaire. Ainsi, nous

distinguons plusieurs types de cellules en fonction de leur rayon de couverture, lié à la

puissance d’émission de la station de base, et de leur usage par les opérateurs [8], [4],

[14], [15] :

- Les cellules macro : ce sont des cellules déployées dans les zones rurales et zones

sub-urbaines de faible densité de population ; ces cellules ont des tailles qui peuvent

atteindre 30km (de 0 à 30km) de rayon. Elles fonctionnent avec une puissance typique de

40 W (46 dBm) pour une largeur de bande de 10 MHz. Leurs antennes sont placées sur

des points hauts, comme des pylônes. Ils délivrent des débits de l’ordre de 144 kbps lors

d’un déplacement de l’ordre de 500 km/h.

- Les cellules micro : ce sont des cellules déployées dans les zones urbaines de forte

densité de population. Ces cellules ont des tailles de quelques centaines de mètre de rayon

(50 à 500 mètres). Elles sont destinées à compléter la couverture des cellules macro dans

des zones denses ou mal couvertes. La puissance est de l’ordre de 10 W (40 dBm). Leurs


4 sur 41

antennes sont placées sous le niveau des toits, généralement en façade de bâtiments. Elles

permettent des débits de l’ordre de 384 kbps lors d’un déplacement de l’ordre de 120

km/h (véhicule, transports en commun, etc.).

- Les cellules pico : ce sont des cellules, de 5 à 50 mètres de rayon, pour la

couverture à l'intérieur des bâtiments. La puissance plus faible, de l’ordre de 0,25 à 5 W

(24 à 37 dBm). Elles sont destinées à des endroits de forte population tels que des

aéroports ou des centres commerciaux. Leurs antennes peuvent être placées comme celles

des cellules micro, ou contre un mur à l’intérieur de bâtiments. Elles permettent des débits

de l’ordre de 2 Mbps lors d’un déplacement de l’ordre de 10 km/h (marche à pied,

déplacement en intérieur, etc.).

- Les cellules femto, sont de petites cellules d’une dizaine de mètres de rayon,

principalement destinées à couvrir une habitation ou un étage de bureaux. Elles

correspondent aux cellules de la zone urbaine avec des puissances faibles (20 dBm), et

sont généralement déployées à l’intérieur des bâtiments. A noter que ces types de cellules

peuvent être déployées par l’utilisateur et non par l’opérateur Telma.

Figure 1.02 : Concept cellulaire [13]

Les systèmes cellulaires ont comme objectif de couvrir de façon continue un très

large territoire par un réseau mobile GSM / GPRS, ou UMTS ou encore en réseau LTE.

Le réseau cellulaire 4G est constitué de milliers de cellules radio qui utilisent les

mêmes fréquences hertziennes, y compris les cellules radio mitoyennes, grâce aux

codages radio OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) et SC-FDMA

(Single-Carrier FDMA).


5 sur 41

I.1.1. User Equipment (UE)

Le terme « User Equipment » désigne la station mobile dans le réseau UMTS et

LTE. Il permet aux abonnés de Telma d'accéder à l’infrastructure et donc aux services

offerts par le biais de l'interface radio « Uu » des technologies 3G et 4G. Tandis que les

utilisateurs GSM utilisent l’interface radio « Um » pour l’accès aux ressources radio. La

station mobile est composée de deux parties :

- l’équipement mobile (Mobile Equipment (ME)), assure toutes les fonctionnalités

radioélectriques utiles pour la transmission des signaux ;

- l'USIM (UMTS Subscriber Identity Module), équivalent de la carte SIM en GSM,

qui sert à l’identification des abonnés Telma dans le monde des télécommunications.

L’UE dans les spécifications 3GPP peut être des téléphones, des clés-modems

Universal Serial Bus (USB) ou tout autre type d’équipements fixes ou mobiles

(ordinateur, tablette, etc.) pouvant accueillir une carte USIM. Ci – dessous l’architecture

générale d’un User Equipment.

Figure 1.03 : Architecture générale d’un User Equipment.

L'interface « Cu » correspond à l'interface correspond à l'interface électrique entre

la carte USIM et le terminal. Cette interface suit le format standard des cartes à puces.

Comme la carte SIM du GSM, la carte USIM contient l'IMSI (International Mobile

Subscriber Identity) de l’abonné. L'IMSI présente la structure suivante avec les données

de Telma :

- MCC = Mobile Country Code (contient 3 chiffres : 646) ;

- MNC = Mobile Network Code (contient 2 chiffres, 04) ;

- MSISDN = Mobile Station ISDN Number, composé respectivement Country

Code (CC, contient 3 chiffres : 261), National Destination Code (NDC, contient 2

chiffres : 34) et Subscriber Number (SN, contient 7 chiffres comme 76 568 98).


6 sur 41

Les contenus multimédias accessibles en temps réel à travers le réseau IPv4 de

Telma constituent l’innovation des stations mobile UMTS permettant aux utilisateurs de

satisfaire leurs besoins professionnels à travers l’internet mobile haut débit de la troisième

génération.

Avec le protocole 4G LTE, les utilisateurs trouvent la facilitation de la localisation

géographique d’une cible moyennant d’un smartphone 4G [27], une clé 4G ou encore une

tablette. Ces appareils, User Equipments sont les plus utilisé pour les professionnels

exploitant la norme LTE, tels que ceux de Telma. Comme les stations mobiles 3G, les

smartphones, clés 4G, etc. fonctionnent aussi avec une carte USIM dédié à la 4G de Telma

afin de pouvoir accéder au très haut débit et aux services offerts comme la transmission

des vidéos en temps réel, la gestion de localisation, etc. Les paramètres et rôles de l’IMSI,

pour USIM 4G, sont semblables à ceux de la carte USIM 3G.

Ci-dessous (figure 1.04) les aperçus des User Equipments 3G et 4G. L’UE 3G

utilise les services multimédias indiqué dans le paragraphe réseau cœur UMTS.

Figure 1.04: Users Equipments 3G et 4G.

Les Users Equipments ou terminaux mobiles fonctionnent avec les états suivants :

- LTE-DETACHED, correspond à un état dans lequel le mobile est allumé mais n’a

pas été enregistré par le réseau, soit parce que le mobile ne l’a pas encore fait ou en cas

d’échec d’enregistrement ;

- LTE-ACTIVE, c’est le seul état réellement actif pendant lequel l’UE échange des

données et des informations de signalisation avec le réseau ;

- LTE-IDLE, correspond à un état dans lequel le terminal est enregistré auprès du

réseau mais n’est pas actif. C’est un mode de consommation faible. En cas de mis à jour

ou de réactivation le terminal est capable dans cet état de switcher vers le mode LTE-

ACTIVE en un délai très court.

4G 3G


7 sur 41

I.1.2. Réseau d’accès

Telma utilise le réseau d’accès radio universel (UTRAN) pour s’appuyer sur les

évolutions de leurs anciens réseaux d’accès GSM. L’UTRAN Telma (innovateur du

réseau 3G) désigne la partie accès radio (RAN). Il est composé de deux RNC (Radio

Network Controller), des Nodes B et antennes. Un RNC équivaut une BSC du réseau

GSM, également un Node B équivaut aussi à une BTS. Un RNC Telma possède et

contrôle les ressources radio des Nodes B auquel il est connecté. Leurs Nodes B assurent

les fonctions de réception et transmission radio sur une ou plusieurs cellules radio. La

figure 1.05 représente l’architecture réseau d’accès UMTS de Telma.

Figure 1.05 : Architecture réseau d’accès UMTS de Telma.

La connexion physique entre RNC et Node B est réalisée par l’interface luB.

L’interface luR connecte physiquement deux RNC ensemble. Ces connexions sont

câblées à l’aide des liaisons fibres optiques et faisceaux hertzien. Les interfaces externes

luCS (Voix) et luPS (data) interconnectent les RNCs au réseau cœur. Ce réseau d’accès

transporte plusieurs trafics en temps réel en mode circuit et en mode paquet à travers

respectivement les interfaces luPS et luCS. L’interface « Uu » est aussi une interface

externe qui relie le Node B avec l’utilisateur Telma.

Le réseau radio UMTS de Telma fonctionne sur les bandes de fréquence 900 et

2100 MHz.

Cette architecture d’accès utilise plusieurs protocoles comme RANAP (Radio

Access Network Application Part) qui assure la gestion des supports d'accès radio (RAB,

Radio Access Bearer) et le Paging, transfert de signalisation entre l'UE et le réseau, etc.;

le protocole SCCP (Signaling Connection Control Part) SS7 qui offre des fonctions de

transport, une possibilité de transport de la signalisation sur SIGTRAN (M3UA/SCTP) où

M3UA correspond au Message Transfer Part 3 (MTP3) - User Adaptation Layer et SCTP

de Telma


8 sur 41

(Stream Control Transmission Protocol) ; et le protocole d'application du plan de contrôle

est NBAP (Node B Application Part) permettant la gestion des liens et des mesures radio.

Après le succès du réseau d’accès UTRAN, Telma utilise les liaisons « X2 » qui

assurent des fonctions essentielles comme l’handover, les affectations au niveau des

cellules radio afin de limiter les interférences. Le « X2 » est l’élément essentiel du réseau

eUTRAN (réseau d’accès 4G LTE de Telma). Il, réseau eUTRAN constitué des eNodes

B, antennes et la liaison « X2 ». La figure 1.06 représente l’architecture du réseau d’accès

eUTRAN. Les eNodes B sont les stations de base que Telma ont déployées au niveau de

leurs sites 4G. Elles réalisent la passerelle entre les antennes radio et le cœur du réseau

(EPC). Les eNodes B correspondent aux Nodes B (UMTS). Les interfaces S1 sont

utilisées pour les connexions au cœur de réseau (EPC) et les interfaces X2 relient

ensemble les eNodes B les plus proches.

Figure 1.06 : Architecture du réseau d’accès eUTRAN de Telma.

Cette architecture transporte de nombreux trafics (voix et data) en modes circuit et

paquet en utilisant exclusivement les protocoles IPv4. Elle fonctionne avec la bande de

fréquence 1 800 MHz.

La connexion physique des eNodes B au cœur du réseau 4G est réalisée par un

réseau de backhaul constitué de liaisons en fibres optiques supportant les protocoles IPv4.

Les caractéristiques de ce réseau d’accès sont nombreuses entre autres :

- La mobilité, assurée à des vitesses jusqu’à 350 km/h. L’handover aura lieu quand

l’utilisateur se déplace à grande vitesse.

- Co-existence et interfonctionnement avec UTRAN (3G), l’handover entre

eUTRAN et UTRAN doit être réalisé en moins de 300 ms pour les services temps-réel et

500 ms pour les services non temps-réel.

- Couverture de cellule importante dans les zones urbaines et rurales (tailles de

cellules de 5 à 100 km).


9 sur 41

[18], [19], [20], le support physique de communications LTE utilise les ondes

électromagnétiques. Au cours de la propagation, l’onde transmise traverse différents

types de canaux jusqu'à atteindre sa destination. Ces canaux affectent l’onde émise. Aussi

les performances de la transmission dépendent considérablement des caractéristiques du

canal.

Le canal de propagation correspond à l’environnement traversé par les ondes

électromagnétiques lors d’une transmission d’information entre une source et un

destinataire.

Le canal de transmission se différencie du canal de propagation car il ajoute en plus

des caractéristiques des diagrammes de rayonnement des antennes d’émission et de

réception utilisées.

La figure 1.07 représente un canal de propagation et un canal de transmission.

Figure 1.07 : Canal de propagation et canal de transmission

Nous pouvons distinguer deux types de propagations :

la propagation en espace libre, quand l’émetteur et le récepteur sont en visibilité

directe, et qu’aucun obstacle ne se trouve sur le trajet des ondes.

la propagation hors espace libre, les situations les plus courantes de propagation

des systèmes de radiocommunications sont loin d’être en espace libre. Les obstacles de

différentes formes géométriques et de diverses caractéristiques physiques perturbent la

propagation. Ces perturbations se traduisent par des fluctuations de la puissance du signal

reçu en fonction de la distance. Des obstacles naturels (sol, arbres, bâtiments) se trouvent

sur le trajet de l’onde. Il en résulte une multitude de trajets et donc, une multitude d’ondes

retardées, atténuées et déphasées au niveau du récepteur.

Sur les phénomènes de propagation des communications radiomobiles, nous

pouvons distinguer généralement deux types de perturbations [17], [18], [21], [22] :

- le bruit est un signal radioélectrique qui ne transporte pas l’information utile et

perturbe la liaison. Il est considéré comme aléatoire. Le bruit englobe tous les signaux

indésirables qui viennent s'ajouter au signal transmis. Le milieu de propagation ainsi que

les dispositifs électroniques de l’émetteur et du récepteur sont respectivement ces origines


10 sur 41

externes et internes. Les sources de bruits externes peuvent être de nature extra-terrestre

ou terrestre. Alors que le bruit interne a pour origine le mouvement brownien des

électrons présents dans les composants électroniques du récepteur.

- la perturbation de propagation à travers le canal : en communications numériques,

un autre type de perturbations pourrait apparaître. Il correspond aux atténuations dues à

la propagation et à la superposition multiple et incohérente de signaux radioélectriques

en réception. Ainsi, nous distinguons : la perte en espace libre, la propagation par trajets

multiples, l’effet de masque et enfin l’effet Doppler.

I.1.3. Réseau cœur

L’interconnexion des éléments SGSN et GGSN avec ceux de NSS (cœur de réseau

GSM) donne naissance à l’internet mobile, et donc du réseau cœur GPRS de Telma,

incluant la voix et data. La connexion physique de l’élément GMSC avec les réseaux

commuté PSTN et PLMN permettent la migration vers une nouvelle technologie en

l’occurrence, l’UMTS. Elle est composée de trois parties dont deux domaines :

- le domaine CS (Circuit Switched) utilisé pour la téléphonie, composé de MSC,

VLR et GMSC ; qui correspond au « plan de contrôle ».

- le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets, composé

de SGSN et le GGSN ; qui correspond au « plan usager».

- les éléments communs aux domaines CS et PS, composés HLR, EIR et AuC.

Ces deux domaines permettent aux terminaux mobiles de Telma de pouvoir gérer

simultanément une communication paquets et circuits. La figure ci-dessous représente

l’architecture du réseau cœur UMTS de Telma.

Figure 1.08 : Architecture du réseau cœur UMTS de Telma.

Les éléments de cette architecture sont décrits en annexe 1.

luC

S /

luP

S

Uu

C(1) C(2) C(1)

Uu

luCS/luP

S


11 sur 41

Les anciens réseaux data de Telma offrent : les services des flux continu ou

streaming (multimédia audio) et interactives (jeux vidéo en ligne et accès aux bases de

données en ligne). Ces services correspondent à ceux de GPRS. Quand à l’UMTS, les

services visiophonie : vidéo à la demande et webcast portent les évolutions du GPRS vers

l’UMTS.

Telma utilise au niveau du « plan de contrôle » le protocole MAP (basé sur le réseau

SS7). Tandis que dans le « plan usager », il utilise le protocole GTP-U (GPRS Tunnelling

Protocol User Plane), transporte dans des tunnels les données utilisateur entre RNC et

SGSN. Il s’appuie sur les protocoles TCP et IP respectivement pour le transport des

paquets et le routage des paquets IPv4.

Pour les évolutions croissantes, Telma préfèrent le protocole Diameter qui remplace

les existants (MAP et GTP-U) en supportant toutes ses fonctionnalités, au profit du réseau

LTE. Il utilise le Diameter pour accéder aux bases de données HLR et HSS permettant

d'identifier, d'authentifier et de localiser leurs abonnés mobiles 2G/3G et 4G.

Le HLR (UMTS) est évolué et prend le nom de HSS. Cette évolution donne

naissance à la norme LTE de Telma. Elle est la quatrième génération mobile. Le réseau

cœur 4G de Telma ou EPC est constitué principalement de : HSS, MME, SGW et PGW.

Ci – dessous (figure 1.09) l’architecture du réseau EPC de Telma.

Figure 1.09 : Architecture du réseau coeur 4G de Telma.

I.2. Architecture globale du réseau 4G LTE de Telma

D’une façon générale, un réseau de quatrième génération (4G LTE) se simplifie en

infrastructure par rapport aux réseaux de générations précédentes. L’infrastructure réseau

de Telma devient alors plus simple avec l’intégration des fonctions de contrôle à l’eNode

B. A part l’UE, il est composé d’un réseau d’accès (eUTRAN (eNode B)) et d’un réseau


12 sur 41

cœur (EPC). L’EPC pour « Evolved Packet Core » est l’élément principal de

l’architecture LTE. La figure 1.10 nous présente la structure générale d’un réseau 4G

LTE.

L’architecture 4G LTE de Telma (figure 1.11) englobe les réseaux existant de

l’opérateur Telma : GSM (2G), 3G (UMTS) et la 4G LTE. Le module BSC/BTS

représente le réseau d’accès 2G. Le réseau d’accès 3G est représenté par le module

RNC/Node B. Tandis que l’eNode B représente le réseau d’accès (eUTRAN) 4G LTE.

Les éléments HLR et SGSN représente les réseaux cœur 2G/3G. Pour le réseau

cœur 4G, est décrit dans la figure 1.09.

Cette architecture fonctionne avec la bande de fréquence de 1800 MHz.

Figure 1.11 : Architecture globale du réseau 4G LTE de Telma

Les éléments de cette architecture sont décrits en annexe 2.

Cette architecture permet le « très haut débit mobile », c’est-à-dire des transmissions

de données à des débits supérieurs à 100 Mbps selon le nombre d'utilisateurs, puisque la

bande passante est partagée entre les utilisateurs présents dans une même cellule radio.

Figure 1.10 : Structure générale d’un réseau 4 G LTE.

Uu

Um

Uu


13 sur 41

Une des particularités de cette architecture est d'avoir un « cœur de réseau » basé sur IP.

Il n’offre plus de mode commuté (établissement d'un circuit pour transmettre un appel

« voix »). Les UE utilisent donc la technologie CSFB (Circuit Switched Fallback) pour

les communications traditionnelles (comme la voix, les SMS, etc.) au niveau des réseaux

2G/3G.

I.2.1. Protocoles utilisé dans l’architecture 4G de Telma

A part le protocole Diameter (protocole d'authentification, successeur du protocole

MAP), l’utilisateur de Telma utilise deux protocoles de signalisation avec le réseau cœur

et en particulier avec l’entité MME. Ces protocoles de signalisations : EMM et ESM sont

chargés de la gestion de la mobilité des utilisateurs LTE.

Le protocole EMM (EPS Mobility Management), permet à l’UE de s’attacher, de

se détacher et de mettre à jour sa tracking area, ainsi que la mise en place d’une connexion

sécurisée entre l’UE et le MME pour échanger de la signalisation.

Tandis que, le protocole ESM (EPS Session Management), permet l’établissement,

la modification et la libération de default bearer et de dedicated bearer. Ces bearers qui

correspondent grossièrement à des circuits virtuels permettent à l’UE de transmettre et de

recevoir des paquets IPv4.

I.2.2. Services offerts par l’architecture 4G de Telma

La 4G de Telma porte aux utilisateurs les services suivants :

- Confort d’utilisation des services en ligne : chargement ultrarapide des pages web

et des vidéos hautes définitions en 3D, sur des écrans larges de type tablettes.

- Accès continu à des contenus en ligne : accès rapide aux jeux vidéo en réseau (ils

se développent sur terminal mobile) ; les vidéothèques ou discothèques numériques ; ou

encore de vidéoconférence 3D, les terminaux recevant le média en temps réel au lieu de

le lire sur leur mémoire locale.

- Transmission des vidéos en temps réel : les appareils photo ou des caméras vidéo

enverraient leurs images ou vidéos directement sur un blog en ligne, ou des lecteurs

multimédias téléchargeant des vidéos et de la musique. Les communications de machine

à machine, communément appelées M2M (Machine-to-Machine) ou MTC (Machine -

Type Communications), sont également appelées à se développer grâce au LTE Telma.


14 sur 41

I.3. Problématiques d’accès liés aux utilisateurs 4G LTE

L’accès au réseau mobile 4G de Telma est un processus itératif composé de

plusieurs difficultés, relatives aux services sur lesquelles l’utilisateur est inscrit, aux

performances d’User Equipment et des problèmes liés côté opérateur comme problèmes

de transmission, radio network, etc.

I.3.1. Problèmes liés aux utilisateurs

Les services du réseau 4G LTE sont proposés gratuitement et automatiquement aux

abonnés de Telma, leurs permettant de bénéficier de débits internet ultrarapide et

d'augmenter le volume de données selon leurs souscriptions, sous réserve de la couverture

et de la compatibilité du téléphone avec la norme LTE. La proximité d’un site 4G LTE et

les éventuels obstacles (arbres, immeubles plus hauts, reliefs, etc.) sont aussi des impacts

sur les problèmes d’accès au réseau haut débit. Les terminaux mobiles avec double-SIM,

ne gèrent la plupart du temps la data que pour la SIM principale. La seconde SIM se

cantonne aux réseaux 2G/3G pour les appels téléphoniques. Donc ce dernier fait aussi

défaut d’accès au réseau LTE.

I.3.2. Problèmes liés à l’opérateur

Certainement, comme côté utilisateur le réseau 4G LTE pourra présenter certains

problèmes d’accès réseau au niveau opérateur. A ce niveau, il peut y avoir plusieurs

problèmes d’accès entre autres :

- Des coupures des appels et des sessions data doivent avoir lieu lors

d’handover ainsi que la perte du haut débit 4G lors d’un éventuel basculement

automatique des terminaux 4G vers la 2G/3G. Des problèmes de dysfonctionnements

logiciels pourront aussi se produire. Comme par exemple de panne logicielle ou

incompatibilité logicielle au niveau du protocole Diameter. Ce dernier est chargé à la

gestion de la mobilité au niveau du réseau IPv4 de Telma.

- Pannes au niveau des liaisons d’interconnexion nationale ou internationale ainsi

que la saturation du réseau due à des trafics trop importants. Egalement des problèmes de

synchronisations pourront se produire assez souvent, du fait que les eNodes B perdront

leurs références d'horloge et ceux sont liés à plusieurs facteurs tels que la détérioration

des cartes au sein des équipements radio et des connecteurs défaillants entre autres.

- Des équipements du core network gérant la signalisation des appels, peuvent

présenter éventuellement et fréquemment des incidents techniques. Parmi ces

équipements, nous citons le HSS, équipement particulier du réseau cœur LTE.

Chapitre II – La mobilité des utilisateurs 4G LTE

15 sur 41

CHAPITRE II : LA MOBILITE DES UTILISATEURS 4G LTE

II.1. La mobilité de l’utilisateur

La mobilité de l’utilisateur est la capacité d’accéder, à l’ensemble des services fournis

par Telma quelque soit l’endroit où l’utilisateur se trouve et en fonction de la vitesse de


Les différents types de mobilités sont :

- La mobilité personnelle ;

- La mobilité de session ;

- La mobilité de service ;

- La mobilité du terminal ;

- La mobilité de réseau.

La mobilité personnelle est la possibilité de joindre un utilisateur par le même

identifiant logique, quelque soit sa position géographique, le terminal utilisé et cela

indépendamment de la technologie d’accès.

La mobilité de session, quand à elle doit permettre à un utilisateur de maintenir ses

sessions actives tout en changeant de terminal. Ainsi, un utilisateur de Voice over Internet

Protocol (VoIP) peut, en arrivant à son bureau de travail, choisir de continuer sa

conversation sur son PC sans qu’il y ait rupture de communication.

La mobilité de service permet à un utilisateur d’accéder aux services auxquels il a

souscrit auprès de Telma.

La mobilité du terminal, doit permettre à un utilisateur de maintenir ses sessions

actives et de rester joignable depuis l’extérieur tout en changeant de réseaux ou de sous

réseaux IP à condition qu’il ne change pas du terminal au cours de sa session. La mobilité

est dite horizontale si l’utilisateur se déplace de cellule en cellule en utilisant la même

technologie d’accès.

Enfin on parle de mobilité de réseau lorsque un ensemble de réseaux ou sous

réseaux connectés à l’Internet par l’intermédiaire d’un ou plusieurs routeurs mobiles

changent leur point de rattachement à l’Internet. Ce type de mobilité peut par exemple

intervenir lorsque un réseau, mis en place à l’intérieur d’un véhicule souhaite accéder aux

services IP au cours de son déplacement.


16 sur 41

II.2. Gestion de la mobilité du terminal

La gestion de mobilité du terminal permet d’assurer la continuité de la session en

cours, de réduire les délais et le trafic de signalisation et d’optimiser l’utilisation des

ressources.

Elle se divise en deux parties : la gestion de la localisation et la gestion d’handover.

La gestion de la localisation, réalise les deux tâches suivantes :

- Location update : le mobile doit contacter la station de base la plus proche afin

que le système puisse mettre à jour cette information ;

- Call delivery : le système localise ensuite le mobile en se servant des bases de

données à sa disposition et du paging (recherche du client dans une cellule).

La gestion d’handover désigne l'ensemble des opérations mises en œuvre pour

permettre à un mobile de changer de cellule radio tout en maintenant les trafics actives [26].

L’handover s’observe dans les trois cas suivants :

- Le mobile passe d’une cellule à une autre ;

- La station de base est soit tombée en panne, ou soit dans un état encombré ou bien

le signal d’une autre station de base devient plus meilleur que la sienne. L’handover est

établi selon la disponibilité d’une station de base voisine.

- Beaucoup d’interférences entre les stations mobiles d’une même cellule. Dans ce

cas le mobile peut décider de changer de cellule afin de réduire ces interférences.

Le hard handover est utilisé dans les réseaux 4G LTE avec une durée d'interruption

de quelques dizaines de mile seconde. Cette méthode est appelée break-before-make (qui

signifie « rompre avant de faire ») [26].

Le soft handover appelée make-before-break est utilisé dans les réseaux 3G UMTS

grâce au code de brouillage. Ce code permet d'identifier et de recevoir simultanément

depuis plusieurs cellules radio.

Au sein de LTE, l’handover intra-système (eNode B) attribue de nouvelles

ressources radio (resource blocks) au terminal mobile d’une autre cellule radio et

l’handover inter-système peut donner de nouvelles ressources radio (resource blocks)

d’un terminal d’une cellule gérée par un autre eNode B. Le dialogue entre les deux

eNodes B se fait par les liens « X2 » du réseau eUTRAN de l'opérateur mobile Telma.

Quand l’handover ait lieu entre les réseaux d’opérateur différents, nous parlons

alors d'itinérance ou roaming.


17 sur 41

L’itinérance ou roaming (en anglais) est la faculté pour un abonné de Telma

d’utiliser les services associés aux interconnexions des réseaux publics, comme Orange,

Airtel ou les réseaux privés.

Nous parlons de roaming intra-système quand l’UE se déplace entre les cellules

d'un seul réseau et de roaming inter-système quand le mobile se déplace sur plusieurs

réseaux différents, en utilisant des protocoles et des technologies différentes.

Les services de données sont disponibles en situation de roaming à très grande

vitesse dans le réseau LTE.

Des accords de roaming 4G LTE vont permettre à un abonné LTE d’accéder aux

services voix et data depuis des réseaux LTE visités. Ces accords sont ainsi [10], [11] : - Accord de roaming LTE : pour permettre à un roamer 4G d’accéder à ses services

de données depuis un réseau visité LTE.

- Accord de roaming CSFB (Circuit Switched FallBack) : pour permettre à un

roamer 4G d'accéder à ses services de téléphonie depuis un réseau visité LTE supportant

la fonctionnalité CSFB.

En mobilité LTE, les terminaux mobiles disposent des états A, B, C et D de l’EMM

ou de l’ECM / RRC [16]. En plus, nous pouvons également le constater que les états ECM

et RRC sont identiques d’après la figure 2.01.

Figure 2. 01: Les états de transition entre l’EMM et l’ECM/RRC [16]

Ces états sont :

- l’état A (EMM Deregisterd, ECM/RRC_Idle) : concerne l’UE non inventorié et

qui veut intégrer dans le réseau LTE.


18 sur 41

- l’état B (EMM Deregisterd, ECM/RRC_Idle) : est renvoyé par l’UE qui s’allume

après avoir été éteint pendant un court laps de temps ou l’ECM est coupé suite à une perte

de la connexion radio.

- l’état C (EMM Registerd, ECM/RRC Connected) : est donné par l’UE enregistré

sur le réseau LTE et utilisant des services. La gestion de la mobilité par un handover

(cellule à cellule pour ne pas couper le trafic) devient active.

- l’état D (EMM Registerd, ECM/RRC Idle), est renvoyé par l’UE enregistré sur le

réseau LTE mais n’utilisant aucun service. La mobilité est gérée par une procédure de

réélection de cellule lorsque le mobile passe d’un Update Tracking Area (TAU) à un

autre.

II.2.1. Problèmes liés à l’effet Doppler

L’effet Doppler est dû à la mobilité du terminal mobile dans le canal radio mobile.

L’effet Doppler désigne le décalage apparent de la fréquence d’un signal

électromagnétique provoqué par la variation du trajet de propagation liée à la mobilité de

l’User Equipment.

Ainsi pour un signal émis à la fréquence porteuse f0 le récepteur aura une fréquence

de réception fr qui sera la somme de la fréquence émise f0 et le décalage Doppler fd :

fr = f0 + fd

L’utilisateur se déplace uniformément à la vitesse v en recevant un signal sous

forme d’une onde plane formant un angle αn avec la trajectoire parcourue par le récepteur.

La figure suivante illustre ce phénomène.

Figure 2.02 : Phénomène d’effet Doppler [25]

La fréquence Doppler fd s'écrit alors :

�� =�

� �� cos (��)

Où

c : vitesse de la lumière ;

(2.01)

(2.02)


19 sur 41

v : vitesse du terminal mobile ;

f0 : fréquence de la porteuse ;

αn : angle que fait la vitesse de l'onde avec la vitesse du terminal.

La fréquence Doppler correspond à la dispersion maximale de la fréquence de la

porteuse. La bande fréquentielle sur laquelle évolue la fréquence de décalage Doppler

appelée étalement Doppler ou bande Doppler est égale à :

Bd = 2fdmax

Avec

fdmax = �

��

Où fdmax, désigne la fréquence Doppler maximale.

L’effet Doppler a pour conséquence de diminuer la bande passante allouée à un

utilisateur itinérant.

II.3. Modèles théoriques de la mobilité [23], [24]

Les débits moyens descendant ou ascendant alloués à un utilisateur itinérant

constitue une des ressources privilégiées des technologies cellulaires. Ils dépendent de

plusieurs paramètres comme les efficacités de la bande passante, du rapport signal sur

bruit, des gains en puissance des sous canaux et de leur allocation, et du nombre des sous

canaux. Ces débits moyens font également parties des critères de performances du même

titre que le bilan de liaison des réseaux de nouvelles générations. Ils font l’objet de notre

analyse de la mobilité des utilisateurs du réseau 4G LTE.

Des hypothèses simplificatrices ont été avancées pour facilités notre études.

L’efficacité de la bande passante et le rapport signal sur bruit sont détaillés car ils

constituent les éléments clés de notre analyse. L’analyse est basée sur l’effet Doppler à

travers les cellules.

II.3.1. Les hypothèses simplificatrices

Notre étude est axée sur la mobilité d’un seul utilisateur dans une cellule.

Nous considérons qu’à l’intérieur de la cellule, l’utilisateur se déplace en ligne

droite avec une vitesse v, (figure 2.03).

Ce déplacement de l’utilisateur en communication avec une eNode B fixe provoque

un décalage fréquentiel du spectre des signaux émis ou effet Doppler. La bande passante

(2.03)

(2.04)


20 sur 41

allouée à l’utilisateur est soumise constamment à une fonction réduisant aussi les

performances de la transmission, en particulier la puissance du bruit et celle du rapport

signal sur bruit. Ces constats nous amènent à analyser ces deux paramètres par le biais de

l’efficacité de la bande passante et l’efficacité du rapport signal sur bruit.

Figure 2.03 : Effet Doppler

II.3.2. Les paramètres influents

a. Efficacité de la bande passante

La fréquence à la réception de signal subit un décalage associée à l’effet Doppler.

La bande passante correspondante a pour expression :

Br = Bw – Bd

Où Bd est la bande Doppler déduites des relations (2.02) et (2.04) par :

�� = 2 �

��

L’efficacité de la bande passante est donnée par :

ƞ�� = 10 �� (��

��)

Avec

Br : bande passante à la réception ;

Bw : bande passante allouée ;

v : vitesse de déplacement de l’utilisateur ;

(2.05)

(2.06)


21 sur 41

c : célérité de la lumière ;

f0 : fréquence porteuse.

b. Efficacité lié au rapport signal sur bruit

Le bruit capté par l’antenne perturbe le signal utile de façon additive. L’expression

de la puissance totale du bruit reçue à l’antenne est déterminée par la relation :

�� = 10�� (��) + ��

Avec :

kT est la densité de bruit thermique ;

k : Constante de Boltzmann ;

T : Température de récepteur ;

Bw : Bande passante d’émission.

Le facteur de bruit appelé NF déterminé en mesurant le rapport signal sur bruit ou

SNR à l’entrée du récepteur et le SNR en sortie en supposant la puissance du signal

constante.

Figure 2.04 : Facteur de bruit dans le récepteur

La puissance du bruit est donc donnée par :

�� = �� + 10�� (��) + ��

Si l’utilisateur se déplace, la puissance du bruit dépend de la bande du Doppler. Elle

a pour expression :

��

� = �� + 10�� (��) + NF

Avec Br = Bw - 2�

��

L’efficacité SNR s’obtient en considérant constant la puissance du signal par :

ƞ�� = 10 �� [��]

[��]

Où [Ps] : la puissance à l’émission ;

et [PB] : la puissance de bruit.

(2.08)

(2.09)

(2.10)

(2.07)

(2.11)


22 sur 41

II.3.3. Débits moyens

Les débits moyens pour les sens montant et descendant sont donnés par les

expressions suivantes :

- Débit pour le sens descendant

�� = �� ƞ��

� �

��

��

� ��

�

��

(1 + ƞ��,� ��,�

�� )

- Débit pour le sens montant

�� = �� ƞ��

� � ��

�

��

(1 + ƞ��,� ��,�

�� )

Avec

ƞBw : Efficacité bande passante ;

Q : Nombre de sous canal ;

kq : Rang de la matrice H (canal MIMO) ;

ƞSNR : Efficacité SNR ;

αk,q : Gain de puissance de sous canal (k, q) ;

ß k,q : Allocation de puissance pour le sous – canal (k, q) ;

�� : Puissance de bruit ;

q varie de 1 à Q.

L’allocation de puissance pour le sous – canal (k, q) est donnée par :

��,� = ��

��

Avec

PTX : puissance totale émise ;

R : nombre de bloc de ressource par sous canal ;

Pour un utilisateur nomade, la bande passante et la puissante de bruit varient en

fonction de la mobilité de l’utilisateur. Or le débit moyen dépend de la bande passante et

la puissance de bruit, il varie aussi en fonction de la mobilité de l’utilisateur.

Pour un rapport signal sur bruit constant, les débits moyens en fonction de la

variation de la bande passante sont donnés par les expressions :


�� = �� ƞ��

� �

��

��

� ��

�

��

(1 + ƞ��,� ��,�

��2

)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

(2.15)


23 sur 41


�� = �� ƞ��

� � ��

�

��

(1 + ƞ��,� ��,�

��2

)

Où Br est donnée par l’expression (2.10) et ��

� par l’expression (2.09).

Pour une bande passante constante, les débits moyens en fonction de la variation de

la puissance de bruit sont donnés par les expressions :


�� = �� ƞ��

� �

��

��

� ��

�

��

(1 + ƞ��,� ��,�

��2

)


�� = �� ƞ��

� � ��

�

��

(1 + ƞ��,� ��,�

��2

)

Où �� , est définit dans l’expression (2.08).

En supposant les deux paramètres précédents constants, mais en considérant la

vitesse de déplacement de l’utilisateur valable, les débits moyens en fonction de la vitesse

de déplacement du terminal mobile sont donnés par les expressions :


�� = �� ƞ��

� �

��

��

� ��

�

��

(1 + ƞ��,� ��,�

��2

)


�� = �� ƞ��

� � ��

�

��

(1 + ƞ��,� ��,�

��2

)

Ces trois couples de modèles théoriques nous ont permis d’analyser les débits

moyens alloués à un utilisateur itinérant en fonction de trois paramètres fondamentaux de

la technologie cellulaires adaptés au réseau 4G LTE de Telma. En absence de données

suffisantes, seuls quelques résultats numériques ont été proposés. Ces résultats mettent

en exergue la possibilité d’une prévision éventuelle du trafic liée à la mobilité de

l’utilisateur.

(2.16)

(2.17)

(2.18)

(2.20)

(2.21)

Chapitre III – Résultats prévisionnels et interprétations

24 sur 41

Chapitre III : Résultats prévisionnels et interprétations III.1. L’outil numérique de prévision

III.1.1. But de la simulation

La simulation a pour but de montrer les influences des paramètres des réseaux 4G

LTE, sur le débit moyen, alloué à un utilisateur nomade dans le réseau.

L’analyse tente de déterminer le ou les paramètres prépondérants sur les débits

moyens. Ces paramètres sont :

- l'efficacité de la bande passante ;

- le rapport signal sur bruit, en insistant sur le fait que la puissance du bruit est

soumise sous l’effet Doppler ;

- la vitesse de déplacement de l’utilisateur.

L’analyse est menée sous une contrainte majeure, supposant deux paramètres

constants et étudiant l’influence de l’autre sur les débits moyens.

Des analyses préliminaires ont été conduites pour :

- la détermination de la bande passante à la réception ;

- la détermination de la puissance du bruit.

Sachant que nos paramètres sont couplés entre eux et en particulier la bande

passante et la puissance du bruit dépendent de la vitesse de déplacement.

III.1.2. Outil d’observation des résultats

D’après [5], [6], Matlab (Matrix Laboratory), outil simple et puissant permettent la

résolution de nombreux problèmes. Il fournit un environnement convivial des outils de

calcul matriciel, d’analyse numérique, de traitement de signal, de visualisation de données

ainsi que d’analyse et de synthèse des systèmes de commande. Les résultats sont exprimés

sous une forme mathématique standard.

Matlab s’est imposé comme un standard pour l’apprentissage de l’algorithmique

scientifique dans l’enseignement universitaire. Matlab possède des boîtes à outils

(toolbox), c'est-à-dire des fonctionnalités supplémentaires, dédiées à des domaines

particuliers comme le domaine de l’ingénierie.

Avec ses fonctions spécialisées, il peut être aussi considéré comme un langage de

programmation adapté pour les problèmes scientifiques. La programmation sous Matlab

consiste à écrire des scripts de commandes Matlab, exécutables dans la fenêtre


25 sur 41

d'exécution. Pour tout problème de syntaxe, il suffit d’utiliser l’aide en ligne (commande

help).

Matlab est un logiciel interactif (exécute les instructions au fur et à mesure qu'elles

sont données par l'usager) et exécutif (exécute de manière séquentielle le contenu d’un

fichier .m (programme en langage Matlab).

Un des avantages de Matlab est de pouvoir créer des interfaces graphiques

contenant, par exemple, des fenêtres interactives, boutons d’exécution de commande,

menu, etc.

Ainsi, la figure 3.01 représente la fenêtre principale de notre outil de simulation.

Figure 3.01 : Fenêtre principale de l’application de simulation.

III.2. Les données disponibles

Les tableaux 3.01, 3.02 et 3.03 présentent les données utilisées dans notre outil

numérique. Le tableau 3.01 donne les constantes tandis que les deux autres donnent les

efficacités de la bande passante et celles des bruits en fonction du nombre d’antenne. Le

tableau 3.03 donne les bandes passantes en fonction du nombre de bloc de ressources.


26 sur 41

Tableau 3.01 : Paramètres de la simulation.

Paramètres Valeurs

Célérité de la lumière 3.106 ms-1

Fréquence porteuse 2000 MHz

Puissance totale émise 46 dBm

Nombre de blocs de ressource par sous canal 1

Constante de Boltzmann 1,380662.10-23 Jk-1

Température du terminal 15°C

Facteur de bruit 9 dB

Vitesse de déplacement du terminal Variable

Il existe deux types de paramètres :

- les paramètres supposés constants tout au long de notre analyse (tableau 3.01).

- les paramètres variables, en fonction du nombre d’antennes, du nombre de blocs

de ressources ou de la vitesse de déplacement de l’utilisateur (tableaux 3.02 et 3.03).

Tableau 3.02 : Efficacité de la bande passante et efficacité de bruit

en fonction de nombre d’antenne.

Sens descendant

Nombre d’antennes d’émission ƞBw ƞSNR

1 0.80 0.88

2 0.76 0.97

3 0.75 1.00

4 0.72 1.09

Sens montant Nombre d’antennes d’émission ƞBw ƞSNR

1 0.80 0.88

Pour raison de confidentialité, les données sont difficilement accessibles et le peu

dont nous disposons ne sont pas suffisants pour faire une analyse profonde des

observations. Ainsi avons-nous choisi d’utiliser des données empiriques sans toutefois eu

la possibilité de les confronter aux réalités du terrain.

Pour le nombre de blocs de ressources par sous canal égal à 1, le nombre de sous

canal est égal au nombre de blocs de ressources.


27 sur 41

Tableau 3.03 : Nombre de blocs de ressource pour les différentes bandes passantes de LTE.

Bande passante (MHz)

1,4

3

5

10

15

20

Nombre de blocs de ressource

6

15

25

60

75

100

Les valeurs des débits moyens des liaisons descendante et montante sont données

dans les tableaux 3.04 et 3.05. Ces tableaux mettent en évidence que le débit moyen

montant est inversement proportionnel à la bande passante tandis que le débit moyen

descendant augmente avec la bande passante. Ces valeurs sont fournies pour une vitesse

de 40 km/h (11.11 m/s), en utilisant les relations (2.20) et (2.21).

Tableau 3.04 : Débit moyen montant.

Bande passante

(MHz) 1.4 3 5 10 15 20

Débit montant

(Mbps) 5, 8874 10, 1410 14, 1842 21, 3481 26, 3245 30, 0881

Tableau 3.05 : Débit moyen descendant.

Bande passante

(MHz)

Débit descendant (Mbps)

1 antenne 2 antennes 3 antennes 4 antennes

1.4 9, 5319 16, 3073 22, 4625 27, 6009

3 17, 9068 30, 1524 41, 0436 50, 0764

5 26, 9747 44, 8206 60, 3995 73, 2479

10 46, 1302 74, 9254 99, 2325 119, 0889

15 62, 3659 99, 6365 130, 3025 155, 1878

20 76, 7418 120, 9623 156, 5698 185, 3198

Nous constatons également l’augmentation de ce débit descendant en fonction du

nombre d’antennes.

III.3. Analyse préliminaires

Pour mieux appréhender les influences de la bande passante et de la puissante du

bruit, nous allons les étudier en fonction de la vitesse sachant que ces trois paramètres

sont fortement couplés.


28 sur 41

III.3.1. Bande passante à la réception

La bande passante à la réception et la bande Doppler sont représentées sur les figures

les 3.02 et 3.03.

Pour une bande passante initiale de 1.4 MHz, la bande Doppler augmente avec la

vitesse de déplacement.

Figure 3.02 : Bande passante à la réception pour une bande passante de 1,4 MHz.

La bande passante à la réception diminue d’autant à l’inverse de la bande Doppler.

Ce résultat est conforme à notre étude analytique (Cf, paragraphes II.2.1 et II.3).

La figure 3.03, représente la bande passante à la réception pour une bande passante

de 20 MHz. Cette fréquence est suffisamment élevée pour rendre négligeable l’effet

Doppler.


29 sur 41

Figure 3.03 : Bande passante à la réception pour une bande passante de 20 MHz.

Ainsi, pour une bande passante plus large, comme ici, 20 MHz, on trouve que le

décalage Doppler est très petite devant la bande elle-même, donc insignifiante. Et c’est

l’avantage des bandes plus larges, la mobilité de l’utilisateur n’impacte pas trop la bande

passante reçue à la réception. Pour éliminer l’effet Doppler il faut augmenter la bande

passante de réception.

III.3.2. Puissance de bruit

La figure 3.04 représente la puissance de bruit en fonction de la vitesse de


La puissance du bruit augmente avec la vitesse de déplacement de l’utilisateur

itinérant pour une bande passante constante. Le niveau atteint diminue tandis que la bande

de fréquence augmente.

Cette analyse préliminaire nous a permis de fixer les valeurs des paramètres

influents sur le débit moyen en considérant les zones de linéarités de la loi d’évolution

des débits moyens en fonction de ces paramètres.


30 sur 41

Figure 3.04: Puissance de bruit en fonction de la vitesse de déplacement de l’utilisateur.

Les résultats préliminaires montrent que la bande passante et la puissance du bruit

sont linéaires avec la vitesse de déplacement de l’utilisateur. Les bandes passantes faibles

réduisent l’influence de ces paramètres à grande vitesse.

Dans le paragraphe suivant nous allons voir comment ces paramètres vont

influencer les débits moyens de l’utilisateur.

III.4. Analyse des débits moyens

Nous venons de montrer dans l’analyse préliminaire que les paramètres influents

des débits moyens sont fortement couplés. La bande passante à la réception décroit

linéairement en fonction de la vitesse de l’utilisateur itinérant. Cette décroissance devient

négligeable pour les bandes larges. La puissance de bruit, quand à elle, augmente avec la

vitesse mais le niveau atteint diminue en fonction de la largeur de la bande.

Pour mieux appréhender les débits moyens alloués à un utilisateur itinérant, nous

allons les analyser successivement en fonction d’un paramètre donné considérant les deux

autres constants.

III.4.1. Débits moyens et bande passante

La liaison descendante (eNodeB vers UE) des réseaux LTE utilise plusieurs

antennes. Tandis que la liaison montante n’utilise qu’une seule antenne.

Les deux figures 3.05 et 3.06, ci – dessous représentent la variation des débits

moyens en fonction de la bande passante pour les sens montant et descendant.


31 sur 41

D’après ce qui précède, la bande passante à la réception est petite pour une vitesse

de déplacement élevée.

Figure 3.05 : Débit moyen montant en fonction de la bande passante à la réception.

Pour une bande passante large (ici 20 MHz) munie d’une antenne, le débit moyen

montant est élevé par rapport à la bande de fréquence.

Le débit moyen descendant en fonction de bande passante est illustré par la figure

3.06.

Figure 3.06 : Débit moyen descendant en fonction de la bande passante à la réception.


32 sur 41

Le débit moyen descendant croit avec le nombre d’antennes. Le débit moyen

augmente par rapport à la valeur de la bande passante. Donc pour une bande passante

élevée, le débit moyen est aussi élevé.

En plus, cette courbe est obtenue à partir d’une valeur fixée du niveau de bruit.

Donc, la légère différence est due à ce niveau de bruit fixe.

III.4.2. Débits moyens et puissance de bruit

Ci – dessous, sont représentées les figures des débits moyens et puissance de bruit.

De gauche à droite, les débits moyens pour les bandes passantes de 1.4 MHz et 20 MHz.

Le débit moyen montant en fonction de la puissance de bruit est illustré ci-dessous

(figure 3.07).

Cette figure montre que le débit moyen en fonction de la puissance de bruit est élevé

pour une bande passante large de faible puissance.

On remarque que pour une bande passante faible, le débit diminue avec la bande

passante; et pour une bande passante large, le débit augmente.

Figure 3.07 : Débit moyen montant en fonction de la puissance de bruit.

Le débit moyen descendant en fonction de la puissance de bruit est représenté sur

la figure 3.08.

Avec une bande passante large, nous observons une augmentation du débit moyen

descendant par rapport aux nombres d’antennes.


33 sur 41

Figure 3.8 : Débit moyen descendant en fonction de la puissance de bruit.

III.4.3. Débits moyens montant pour un utilisateur en mouvement

Les deux figures 3.09 et 3.10 illustrent les débits moyens perçus pour un utilisateur

en fonction de sa vitesse de déplacement.

La figure 3.09 représente le débit moyen montant en fonction de la vitesse de

déplacement de l’utilisateur. De gauche à droite, les débits moyens pour les bandes

passantes de 1.4 MHz et 20 MHz.

Figure 3.09 : Débit moyen montant en fonction de la vitesse de déplacement de l’utilisateur.

Nous constatons que pour une bande passante faible, le débit moyen montant varie

en fonction de la vitesse de l’utilisateur. C’est-à-dire pour une vitesse de déplacement


34 sur 41

élevée, le débit moyen diminue. Tandis que pour une bande passante large, le débit moyen

montant est élevé par rapport à la vitesse de déplacement de l’utilisateur.

La figure 3.10 illustre le débit moyen montant en fonction de la vitesse de

déplacement de l’utilisateur sur toutes les différentes valeurs de la bande passante.

Figure 3.10 : Débit moyen montant en fonction de la vitesse de déplacement de l’utilisateur.

Le débit moyen montant en fonction de la vitesse de l’utilisateur varie faiblement.

Donc, la mobilité de l’utilisateur n’affecte vraiment pas la performance de la 4G LTE en

termes de débit.

En ce qui concerne les bandes passantes, nous constatons qu’avec les bandes larges,

les variations restent constamment faibles.

III.4.4. Débits moyens descendant pour un utilisateur en mouvement

Les figures 3.11, 3.12, 3.13 et 3.14 illustrent le débit moyen descendant en fonction

de la vitesse de déplacement de l’utilisateur.

La figure 3.11 représente le débit moyen descendant en fonction de la variation de

la vitesse de déplacement de l’utilisateur pour toutes les antennes. De gauche à droite, les

débits moyens pour les bandes passantes de 1.4 MHz et 20 MHz.


35 sur 41

Figure 3.11 : Débit moyen descendant en fonction de la vitesse

de déplacement de l’utilisateur pour tous les antennes.

Le débit moyen descendant est élevé, pour plusieurs antennes sur une bande

passante large ; pour une bande passante faible, le débit diminue par rapport au nombre

d’antennes et de la vitesse de déplacement de l’utilisateur.

Le débit moyen descendant en fonction de la variation de la vitesse de déplacement

de l’utilisateur pour toutes les bandes passantes est illustré sur la figure 3.12. A gauche,

on représente les débits moyens pour une antenne et à droite on représente les débits

moyens à quatre antennes.

Figure 3.12 : Débit moyen descendant en fonction de la vitesse

de déplacement de l’utilisateur pour toutes les bandes passantes.


36 sur 41

Cette figure nous montre que pour plusieurs antennes le débit moyen descendant

est élevé et est relativement faible pour une bande passante faible. Pour une bande

passante large avec une antenne le débit moyen descendant est élevé.

La figure 3.13 représente les débits moyens descendant pour une bande passante de

5 MHz. De gauche à droite, les débits moyens pour une antenne et trois antennes.

Figure 3.13 : Débits moyens descendant pour une bande

passante de 5 MHz avec une antenne et deux antenne.

Cette figure montre que pour une bande passante fixe de 5 MHz, le débit varie en

fonction du nombre d’antenne et de la vitesse de déplacement de l’utilisateur. Par

conséquent, le débit moyen est élevé avec l’utilisation de plusieurs antennes.

La figure 3.14 représente les débits moyens descendant pour deux antennes et les

bandes passantes 1.4 MHz et 20 MHz. De gauche à droite les débits moyens pour 1.4

MHz et 20 MHz des bandes passantes.

Figure 3.14 : Débits moyens descendant pour deux antennes fixes

avec les bandes passantes 1.4 MHz et 20 MHz.


37 sur 41

Pour une vitesse de déplacement de l’utilisateur élevée, le débit descendant moyen

est faible. Et pour une bande passante large, le débit descendant moyen est élevé.

III.5. Interprétations

Pour un utilisateur en mouvement, les signaux émis par l’eNodeB (ou l’UE)

subissent un décalage fréquentiel ou effet Doppler. La bande due à ce décalage (bande

Doppler) est égale à 1333, 3 Hz pour une vitesse v = 3,6 km/h. Pour une vitesse de

déplacement élevée, la bande Doppler est élevée. La bande passante du signal à la

réception est la différence entre la bande passante et la bande de décalage. Pour une bande

passante de 1,4 MHz, cette bande passante à la réception est alors 1.3987 MHz. La bande

de décalage permet d’augmenter la puissance de bruit du signal à -120 dBm pour la même

vitesse v = 3,6 km/h (de l’ordre de -140 dBm pour un utilisateur fixe).

Plus la vitesse de déplacement est élevée, plus la puissance de bruit est élevée et la

bande passante à la réception devient petite. Pour un utilisateur qui se déplace avec une

vitesse élevée, le débit moyen perçu par cet utilisateur est faible.

La performance de la 4G LTE dépend de la vitesse du terminal mobile. Le débit

moyen est une des performances le plus important dans les réseaux 4G LTE. Pour avoir

une bonne qualité de service de point de vue débit, la vitesse de déplacement de

l’utilisateur doit être comprise entre 0 à 15 km/h.

Conclusion

38 sur 41

CONCLUSION

Ce mémoire nous a permis de connaître les types de mobilités plus particulièrement

la mobilité des utilisateurs et précisément la mobilité horizontale relative aux débits

moyens sur la technologie 4G LTE. Pour cela, nous avons dû faire le tour sur le réseau

4G LTE de Telma d’abord, ensuite nous avons abordé la mobilité des utilisateurs et nous

avons terminé ce mémoire par les résultats et interprétations issues de l’outil

d’observation (ainsi développé sous Matlab) permettant l’évaluation de la mobilité des

utilisateurs 4G LTE relativement aux débits.

LTE est la norme de communication mobile la plus récente qui est proposée par

l’organisme 3GPP. Théoriquement, le LTE peut atteindre un débit de 80 Mbps en lien

montant et 300 Mbps en lien descendant, voir même le 1 Gbps. Le réseau d’accès

eUTRAN et le réseau cœur EPC constituent le réseau 4G LTE. La 4G, elle est cellulaire.

La technique d’accès utilisée dans LTE est l’OFDMA pour la liaison descendante et le

SC-FDMA pour la liaison montante.

L’User Equipment (UE) fonctionne avec trois principaux états : LTE-DETACHED,

LTE-ACTIVE et LTE-IDLE. L’état LTE-ACTTIVE est le seul état où le terminal mobile

échange des données et des informations de signalisation avec le réseau. Dans cet état la

mobilité est contrôlée par le réseau. Les eNodes B prennent la décision d’handover pour

la gestion de mobilité dans le réseau 4G LTE.

Lors de la mobilité de l’utilisateur, le signal radioélectrique se propage librement

dans l’espace et dans toutes les directions, et traverse différents types de canal.

L’environnement, dans lequel de nombreux obstacles (sol, êtres vivants, immeubles,

véhicules, végétation, etc.) aux comportements imprévisibles peuvent être présents,

engendre certaines altérations de l’onde radio transmise.

A la réception, le signal subit des nombreuses déformations. L’effet Doppler, qui

est une des déformations, est un décalage fréquentiel causé par le déplacement de

l’utilisateur. Ce décalage entraîne un décalage de la bande passante du signal et de la

bande Doppler. Donc la bande passante de signal à la réception est alors la différence

entre la bande passante du signal et la bande Doppler. La puissance de bruit est en fonction

de la bande passante à la réception. Elle subit, par conséquent, une variation.

Conclusion

39 sur 41

Pour ce mémoire, le facteur de variation des débits moyens est la mobilité de

l’utilisateur. L’expression des débits moyens dépend de la bande passante et de la

puissance de bruit. Or pour un utilisateur en mobilité, la bande passante à l’émission du

signal est différente à la bande passante à la réception du signal. Cette bande passante à

la réception dépend fortement de la vitesse de déplacement de l’utilisateur. Autrement,

cette bande diminue pour une vitesse de déplacement élevée. De plus, la puissance de

bruit varie aussi en fonction de la mobilité de l’utilisateur. Pour une vitesse de

déplacement élevée, la puissance de bruit est élevée.

Par conséquent, les débits moyens d’un utilisateur en mouvement dépendent de la

vitesse de déplacement de l’utilisateur. Pour un utilisateur en mouvement, si sa vitesse de

déplacement est élevée, la bande passante à la réception est étroite et la puissance de bruit

est élevée. Les débits moyens sont alors réduits.

Pour la suite de ce travail, il serait approprié d’effectuer une analyse plus

approfondie sur les débits perçu par un utilisateur fixe ou en mouvement en considérant

le nombre d’utilisateur actif dans les réseaux et les différentes variations de canal radio

mobile (les retards causés par les trajets multiples, l’effet de masque, etc.).

Références bibliographiques

40 sur 41

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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65879, consulté le 14 Déc. 2016.

[26] https://fr.wikipedia.org/wiki/Handover, consulté, le 10 Janvier 2017.

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Guillaume Champeau - Ensemble, votre smartphone 4G et Facebook

peuvent révéler où vous êtes, 28 octobre 2015 - numerama.com/tech – Consulté,

le 10 Mars 2017.

Annexe 1 : Description des éléments de l’architecture UMTS de Telma

xii


1. Les éléments de base

Les fonctionnalités des entités de l’architecture du réseau UMTS de Telma sont les

suivantes :

- MSC (Mobile services Switching Center ou Mobile Switching Center), est en

charge du routage dans le réseau, de l'interconnexion avec les autres réseaux. Il est chargé

aussi de l’établissement de la communication avec l’équipement usager. Le MSC traite

le trafic « voix » et signalisation de plusieurs BSC. En plus, à chaque MSC est associé un

VLR qui connaît les informations détaillées sur les usagers que le MSC doit gérer.

- VLR (Visitor Location Register), base de données, assez similaire à celle du HLR,

attachée à un ou plusieurs MSC. Le VLR garde en mémoire l’identité temporaire de

l’équipement usager dans le but d’empêcher l’interception de l’identité d’un usager. Il est

en charge d’enregistrer les utilisateurs de Telma dans une zone géographique LA

(Location Area).

- GMSC (Gateway MSC), passerelle entre le réseau UMTS et le réseau

téléphonique commuté PSTN (Public Switched Telephone Network). Il est chargé du

routage de la communication vers le MSC dont dépend l’utilisateur destinataire.

- SMSC (Short Message Service Center), permet de gérer le transfert de messages

SMS (textes ou binaires) entre téléphones mobiles.

- HLR (Home Location Register), est la base de données contenant tous les profils

des utilisateurs : l’identité de l’équipement utilisateur, le numéro d’appel de l’utilisateur,

les informations relatives aux possibilités de l’abonnement souscrit par ce dernier.

- EIR (Equipment Identity Register), est en charge de la gestion des vols des

équipements utilisateurs. Il est en possession d’une liste des mobiles blacklistés par un

numéro unique propre à chaque équipement usager, le numéro IMEI (International

Mobile station Equipment Identity).

- AuC (Authentication Center), est en charge de l’authentification de l’abonné, ainsi

que du chiffrement de la communication. Si une de ces deux fonctions n’est pas respectée,

la communication est rejetée. L’AuC se base sur le HLR afin de récupérer les

informations relatives à l’utilisateur et pour ainsi créer une clé d’identification.

- SGSN (Serving GPRS Support Node), est en charge de l’enregistrement des

utilisateurs dans une zone géographique, dans une zone de routage RA (Routing Area).


xiii

- GGSN (Gateway GPRS Support Node), est une passerelle vers les réseaux à

commutation de paquets (internet).

2. Les interfaces

Ci – dessous les principales rôles de certains interfaces du réseau cœur (UMTS) et

UTRAN. Ces interfaces fonctionnent sous le protocole SIGTRAN.

- Interface Gs, connecte (SGSN - MSC/VLR), chargée de la gestion des coordonnées

roaming entre GPRS et UMTS.

- Interface Gf, connecte (SGSN – EIR), chargée de la vérification de l’identité de

l’UE.

- Interface Gd, connecte (SGSN – SMSC), chargée des échanges de messages courts.

- Interface Gr, connecte (SGSN – HLR), chargée la de gestion de localisation.

- Interface Gc, connecte (GGSN – HLR), chargée des traitements des requêtes au

niveau du HLR pour activation des services.

- Interface Gn, connecte (SGSN – GGSN), chargée de la gestion de roaming en

s’appuyant.

- Interface Gi, connecte (GGSN – Internet), chargée du transfert de données.

- Interface H, connecte (HLR – AuC) : chargée des échanges des données

d'authentification.

- Interface C(1), connecte (MSC/VLR - HLR), elle fournit les adresses VLR et celui

de SGSN au HLR.

- Interface C(2), connecte (GMSC – HLR), chargée des traitements des requêtes au

niveau du HLR pour les appels entrants.

- Interface E, connecte (MSC/VLR – GMSC), chargée du transport de messages

courts.

- Interface Uu, interface radio de l'UMTS. A travers cette interface les utilisateurs

peuvent accéder au réseau.

- Interface luB, connecte et contrôle le Node B et le RNC.

- Interface luR, nouvelle interface entre deux RNCs et elle est nécessaire pour le

mécanisme du soft handover.

- Interfaces luCS et luPS, permettent à l'UTRAN de communiquer avec le réseau

cœur, respectivement entre RNC/domaine circuit et le RNC avec le SGSN.

Annexe 2 : Description des éléments de l’architecture 4G LTE de Telma

xiv


1. Les éléments de base

Ci – dessous les entités de l’architecture du réseau 4G LTE de Telma :

- MME (Mobility Management Entity), est le nœud responsable du contrôle dans

le réseau EPC. Il est responsable de l’enregistrement des mobiles, de leur authentification,

de leur joignabilité lorsqu’ils sont dans l’état de repos (incluant paging), de la sélection

du SGW et du PGW. C’est au MME de sélectionner le SGW et le PGW qui serviront à

mettre en œuvre le Default Bearer (le canal de communication permanent) au moment du

rattachement du mobile au réseau.

- SGW (Serving Gatway), joue le rôle d’une passerelle lors d’handover inter-

domaines et inter-réseaux. C’est le nœud SGW qui est responsable du routage des paquets.

- PGW (Packet Gateway), fournit la connectivité vers les réseaux externes tels

qu’Internet et Intranet. Il réalise les procédures d’allocation de l’adresse IP au mobile,

d’interception légale et de taxation des flux de service montant et descendant.

- HSS (Home Subscriber Server), est la base de données contenant les profils de

tous les abonnés du réseau de Telma, leurs identités et les droits, les services auxquels ils

ont souscrit, mais aussi les données de sécurité qui permet de faire le contrôle d’accès.

- PCRF (Policy and Charging Rules Function), chargé de la gestion de la qualité de service.

- eNode B, chargé de la transmission et de la réception radio avec l’UE.

- BSC (Base Station Controller), élément principal du réseau d’accès GSM de

Telma. Il commande les BTS en charge. Le BSC est connecté par le SGSN à travers

l’interface Gp.

- BTS, éléments de base du réseau GSM, appelé « antenne-relais GSM ». Elle est

composée essentiellement d'un élément d'interface avec la station la contrôlant (la BSC),

d'un ou plusieurs émetteurs et récepteurs (transceiver, TRX) et d'une à trois antennes : elle

forme ainsi une cellule.

- RNC (Radio Network Controller), est un élément de la partie radio (UTRAN) du

réseau 3G qui contrôle les transmissions radio des stations de base. Il gère la répartition

de la ressource radio, le chiffrement des données avant l'envoi à l’utilisateur.

- Node B, station de base (ou antenne-relais) dans le réseau mobile UMTS de

Telma. C'est l'équivalent de la BTS dans des réseaux GSM.


xv

2. Les interfaces

Les interfaces ci-dessous sont basées sur le protocole Diameter.

- Interface S6a, interconnecte les MME et HSS. Permet de transférer des données

d’authentification et de localisation entre le MME et le HSS afin d’autoriser ou non

l’accès d’un utilisateur au réseau LTE.

- L’interface S11, relie ensemble les MME et SGW. Elle ne fait que de l’échange

de signalisation.

- L’interface S10, connecte deux MMEs ensemble pour la réinstallation de MME

et le transfert d'information MME vers MME.

- L’interface S3, connecte (SGSN – MME), permet l'échange d'informations

utilisateur et porteur pour la mobilité du réseau d'accès 3GPP inter en état inactif et / ou

actif.

- L’interface S1-MME, connecte (eNode B – MME), elle ne fait que de la

signalisation.

- L’interface S5, connecte ensemble les PGW et SGW. Elle transport les données

utilisateurs et quelques messages de signalisation.

- L’interface S4, connecte (SGSN et PGW), elle fournit un contrôle connexe et un

support de mobilité entre GPRS Core et la fonction d'ancrage 3GPP de PGW.

- Interface S1-U, connecte ensemble les eNode B et SGW. Elle transporte

uniquement les données utilisateurs, et ne fait pas d’échange de signalisation.

- Interface S1-MME, relie ensemble les eNode B et MME. Elle ne transporte que

les messages de signalisation.

- Interface X2, interconnecte deux eNodes B ensemble. Elle transporte les données

utilisateurs et les messages de signalisation.

- Interface Uu ou interface radio, fait la transmission sur la voie radio et se situe

entre le terminal (UE) et l’eNode B. Elle transporte les données utilisateurs et les

messages de signalisation.

- Interface Gx, connecte le PGW et PCRF, permet ensuite au PGW d’obtenir des

règles de taxation auprès de PCRF et ainsi taxer l’utilisateur sur la base des flux de

services et non pas sur le volume.

- Interface Rx, connecte ensemble les PCRF et IP Networks. Elle permet de garantir

de la qualité de service auprès de l'entité PCRF.

- Interface SGi, connecte ensemble le PGW et le réseau IP externe (Internet).

RESUME

Ce mémoire présente l’influence de la mobilité de l’utilisateur sur les débits dans les réseaux

4G LTE. LTE est une nouvelle norme de communication mobile proposée par le 3GPP. LTE

est un réseau tout IP et à commutation de paquets. Cette norme propose des débits élevés pour

le trafic en temps réel allant, théoriquement, jusqu’à 300 Mbps, voir même 1 Gbps pour le lien

descendant et 80 Mbps pour le lien montant. Il utilise la technique MIMO avec une bande

passante de 20 MHz pour avoir ces débits élevés. Les débits réels perçus par l’utilisateur sont

réduits par rapport aux débits théoriques. La mobilité de l’utilisateur est un des facteurs de

réduction de ces débits. Pour une vitesse de déplacement de l’utilisateur élevée, les débits réels

perçus par cet utilisateur diminuent. Cette technologie prend en charge la mobilité des

utilisateurs qui se déplace à une grande vitesse allant jusqu’à 120 km/h, soit 33, 33 m/s.

Mots clés : Analyse, Mobilité, Débits, Utilisateur, Réseaux mobiles, 4G LTE, Vitesse de

déplacement, bande passante, Puissance de bruit, Effet d’Doppler.

ABSTRACT

This paper presents the effect of user mobility on data rate in 4G LTE networks. LTE is a new

standard proposed by 3GPP for mobile communication. LTE is all-IP and packet switched

network. This standard provides high data rate for real-time traffic theoretically up to 300 Mbps

for downlink and 80 Mbps on the uplink. It uses MIMO technology with a bandwidth of 20

MHz for these high rates. Average data rates seen by the user are reduced compared to the peak

data rate. User mobility is a factor reducing these rates. For high moving speed of the user, the

real data rates perceived by this user decrease. This technology supports user move at high

speed up to 120 km / h (33, 33 m/s).

Keywords: Analysis, Mobility, Flow rates, User, Mobile Networks, 4G LTE, Movement speed,

Bandwidth, Noise Power, Doppler effect.

Encadreur Pédagogique Madame RAZANAMANAMPISOA Harimalala Maitre de Conférences, Université d’Antananarivo [email protected] + 261 34 41 394 23 Encadreur Professionnel Nivo Hanitra RASAMIMANANA Docteur en Télécommunications, Groupe Telma Madagascar [email protected] + 261 34 00 163 20

Impétrant Issiaka Mohamed Ali [email protected] + 269 352 59 59 + 261 34 76 568 98

analyse de la mobilité des utilisateurs dans le réseau 4g lte

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