chapitre_1

PLANIFICATION DU RESEAU UMTS ET HSDPA

Chapitre I

Généralités sur les réseaux 3éme génération

INTRODUCTIONLes systèmes de troisième génération sont conçus pour fournir des services

multimédias avec une qualité et une couverture meilleures ou comparables à celles offertes

par les réseaux de 2ème génération telle que le GSM. L’idée fondatrice du système 3G est

d’intégrer tous les réseaux de deuxième génération du monde entier en un seul réseau. Le

système doit donc permettre l’acheminement des communications indépendamment de la

localisation de l’abonné, ce chapitre propose une description sur ce réseau de point de vue

principes de base et architecture.

La majorité des opérateurs des réseaux GSM migrent leurs réseaux vers l'UMTS.

Contrairement à l'introduction du GPRS, l'UMTS nécessite une nouvelle infrastructure

(nouveaux équipements) et des nouvelles méthodologies de dimensionnement différentes de

celles utilisées en GSM. Cette technologie permet de faire transiter davantage de données et

va permettre l’apparition de contenus multimédias sur les téléphones mobiles tel la

visiophonie etc... On parlera alors plutôt de terminaux multimédias. Ainsi, en plus de ces

évolutions technologiques, la troisième génération doit répondre à la notion de qualité, de

variété, de capacité et de couverture.

La figure si dessous montre l’importance de l’augmentation du debit ce qui permet

d’ajouter des nouveaux services, et cela implique un accroissement des profits des operateurs.


I.1 Caractéristiques des réseaux 3G/UMTS

L’UMTS, depuis sa première version sortie en 1999, a connu de nombreuses

améliorations.

En 2001, une interface réseau de type TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code

Division Multiple Access) a été ajoutée, offrant un meilleur débit par rapport au TD-CDMA

(Time Division-CDMA) de la première version.

En 2002, le support de l’IP (Internet Protocol) au niveau du réseau cœur, de même que le

HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), ont été ajoutés.

En 2005, augmentation du débit pour la voie montante (Uplink) grace au mécanisme HSUPA

(High-Speed Uplink Packet Access).

Ces améliorations se rattachent plus précisément au niveau des équipements, de leur

performance et des interfaces d’interconnexion. Mais, dans l’ensemble, l’architecture des

réseaux UMTS garde une structure standard des réseaux mobiles, composée d’un réseau

d’accès et d’un réseau cœur.

I.2. Réseau d’accès 3G/UMTS

L’UTRAN est le nom attribué au réseau d’accès de l’UMTS. Il réalise les transferts de

trafic de données et de signalisation entre l’appareil mobile (UE) et le réseau cœur. Il

comprend principalement deux entités : le Node B et le RNC, représentées à la figure I.1. Le

Node B établit la connexion de l’utilisateur en transmettant des signaux radio et les flux de

données entre l’interface radio et le RNC. Cette opération se réalise au moyen de l’interface

Iub reliant ces deux nœuds. Les RNC, quant à eux, font la gestion des ressources radio et des

phénomènes de relèves. Ils communiquent entre eux via l’interface Iur et sont reliés aux Node

B par l’interface Iub. Ils servent d’intermédiaire entre l’appareil mobile (UE) et le réseau cœur

en transitant les informations de voix et de données, respectivement, au moyen des interfaces

Iu-cs et Iu-ps de la figure I.2.

Figure 1 - Architecture du réseau d’accès de l’UMTS : UTRAN

I.2.1 Réseau cœur 3G/UMTS


Le réseau cœur de l’UMTS est composé de trois parties dont deux domaines :

Le domaine CS (Circuit Switched) utilisé pour la téléphonie

Le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets.

Les éléments communs aux domaines CS et PS

Ces deux domaines permettent aux équipements usagers de pouvoir gérer

simultanément une communication paquets et circuits. Ces domaines peuvent

être considérés comme des domaines de service. Ce type d’architecture permet

de pouvoir créer ultérieurement

d’autres domaines de service.

Le schéma représente l’architecture du réseau cœur de l’UMTS :

Figure 2 - Architecture du réseau cœur de l’UMTS

I.2.2 Spectre des fréquences Les bandes de fréquences ont été définies en 1992 puis retouchées en 2000. Les

bandes spectrales pour les composantes terrestres et par satellite des systèmes IMT-2000 sont

806-960Mhz, 1710-2020Mhz, 2110-2300Mhz et 2500-2690Mhz.


Figure 3 - Allocation du spectre pour les systèmes IMT-2000

I.2.3 Les objectifs de l’UMTS Vu les systèmes déjà existants tels que GSM ou GPRS, ils apparaissent deux contraintes

primordiales pour le succès de nouveau système :

Un service de données temps réel

Un service de données à haut débit

Le premier s’accompagnant le plus souvent mais pas toujours du second. Si le GPRS,

véritable système de transport de paquets, permet en théorie des applications du type courrier

électronique, navigation Web ou téléchargement de fichiers, le besoin de services de données

en temps réel VoIP, ou certains services vidéo par exemple, peuvent difficilement se contenter

de ses performances car il estime que plus de 300 ms de retard pour des paquets de voix est

incompatible avec une restitution de qualité de la parole. Un des buts de l’UMTS est de

fournir des services temps réel au moins jusqu’à 144 kbps pour les données et, éventuellement

dans certains cas, de monter le débit pour certains utilisateurs jusqu’à 2 Mbps dans la cellule.

Cela en continuant à fournir des services de voix performants en adaptant par exemple,

comme en GSM, un ensemble de dispositifs de codage de la parole aux conditions radio du

canal (AMR : Adaptive Multi-Rate).

Les classes de services en UMTS

L’UMTS propose 4 classes de qualité de services selon les applications :

Classe Conversational qui permet aux conversations vocales de proposer une

bande passante contrôlée avec échange interactif en temps réel avec un

minimum de délai entre les paquets.


Classe Streaming : qui permet aux services de streaming de fournir une bande

passante continue et contrôlée afin de pouvoir transférer la vidéo et l’audio

dans les meilleures conditions.

Classe Interactive : destinée à des échanges entre l’équipement usager et le

réseau comme la navigation Internet qui engendre une requête et une réponse

par le serveur distant.

Classe Background : qui affiche la plus faible priorité, permet des transferts

de type traitements par lots qui ne demandent pas de temps réel et un minimum

d’interactivité (envoi et réception de messages électroniques).

I.2.4. Couverture globale de l’UMTS

Tout comme le réseau GSM, l’UMTS est divisé en plusieurs cellules de

tailles variables. Chacune d’entre elles est présente en fonction de la densité de

population à servir et de la vitesse de mobilité. L’accès par satellite est une

extension.

Figure 4 - Hiérarchie des cellules de l’UMTS

Une pico-cellule permet des débits de l’ordre de 2 Mbits/s lors d’un

déplacement de l’ordre de 10 km/h .

Une micro-cellule permet des débits de l’ordre de 384 kbits/s lors d’un


Une macro-cellule permet des débits de l’ordre de 144 kbits/s lors d’un


I.3. L’organisation fréquentielleLes bandes de fréquences allouées pour l’IMT 2000 sont 1885 — 2025 MHz et 2110-

2200 MHz. La figure I.5 présente l’allocation de spectre pour L'UMTS :

La division duplex dans les bandes dites "appairées", c’est, à dire 2 x 60 MHz, est

fréquentielle. L’écart, duplex vaut. 190 MHz. Nous utilisons dans ces bandes un accès

W-CDMA.

La division duplex dans les bandes dites "non appairées", c’est, à dire 35 MHz et 15


MHz, est. temporelle. Nous utilisons dans ces bandes un accès TD-CDMA.

Les deux modes d’accès doivent, être harmonisés pour favoriser la réalisation de terminaux

bi-modes TDD/FDD à bas coûts.

Figure 5 - Allocation de spectre pour L’UMTS

I.3.1 L’organisation temporelle L’organisation temporelle de l’UMTS est basée sur une super trame de 720 ms,

comportant elle-même 72 trames de 10 ms. Chaque trame de 10 ms est divisée en 15 slots de667µs, cette organisation est présentée par la figure I.6.

Figure 6 - Structure de trams de l’UMTS

I.3.2 Architecture Le réseau UMTS est composé de deux sous réseaux comme l’illustre la figure 7 :

Le réseau cœur ‘Core Network’ et le réseau radio ‘UMTS Radio Access Network’.


Figure 7 - Architecture du réseau UMTS

I.4.1 Architecture de l’UTRAN L’UTRAN est complètement distinct du BSS du GSM. Il est constitué d’un ou

plusieurs RNC (Radio Network Controller), dont dépendent des Node B, et qui jouent un rôle

proche respectivement des BSC et des BTS en GSM. Un UTRAN peut donc être relié au

réseau cœur par plusieurs liens (un par RNC).

I.4.2. Le RNCLe rôle principal du RNC est de router les communications entre le NodeB et le réseau cœur

de l’UMTS. Il travaille au niveau des couches 2 et 3 du modèle OSI .

Le RNC constitue le point d’accès pour l’ensemble des services vis-à-vis du réseau cœur.

Exemple :

Lorsqu’une communication est établie par un équipement usager, une connexion de type RRC

(Radio Resource Control) est établie entre celui-ci et un RNC du réseau d’accès UTRAN.

Dans ce cas de figure, le RNC concerné est appelé SRNC (Serving RNC). Si l’usager se

déplace dans le réseau, il est éventuellement amené à changer de cellule en cours de

communication. Il est d’ailleurs possible que l’usager change de NodeB vers un NodeB ne

dépendant plus de son SRNC. Le RNC en charge de ces cellules distantes est appelé «

controlling RNC ». Le RNC distant est appelé « drift RNC » du point de vue RRC. Le « drift

RNC » a pour fonction de router les données échangées entre le SRNC et l’équipement

usager.


Figure 9 – Représentation graphique de l’exemple de communication

1.4.3 Le Node BLe rôle principal du NodeB est d’assurer les fonctions de réception et de

transmission radio pour une ou plusieurs cellules du réseau d’accès de l’UMTS

avec un équipement usager. Le NodeB travaille au niveau de la couche physique

du modèle OSI (codage et décodage). Nous pouvons trouver deux types de

NodeB :

Le RNC et le Nœud B peuvent supporter les deux modes de duplexage FDD et/ou TDD.

I.4.4 Le WCDMA (Wideband-CDMA)

L'interface radio de l'UMTS se base sur le W-CDMA (Wideband Code Division Multiple

Access). Cependant, le W-CDMA se base sur une technique plus ancienne qui est le CDMA

(Code Division Multiple Access). Afin de comprendre les concepts du W-CDMA, il est

important de comprendre la technique du CDMA.

I.4.5 Présentation de la méthode d’accès CDMA

Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une technique d’accès multiple grâce à


laquelle les différents utilisateurs peuvent communiquer en même temps dans une même

bande de fréquences. La distinction entre chaque utilisateur se fait par codes connus

exclusivement de l’émetteur et du récepteur. C’est, ce mode, plus précisément le W-CDMA

qui est retenu pour le réseau d’accès radio de l’UMTS. Il est dit "à large bande" avec une

largeur de bande de 5 MHz. Le signal passe du débit Dd au débit Dc et voit ainsi son spectre

élargi dans la mesure où on utilise une séquence proche de l’aléatoire. Cette dernière est

utilisée de manière périodique, (sa période pouvant être de plusieurs symboles). Le rapport L

= Dc/Dd peut être interprété comme un facteur ou un gain d’étalement (figure 11).

Figure 10 - L’accès CDMA

Figure 11 - L'étalement du spectre

En réception, pour récupérer l’information, le récepteur doit effectuer la même

opération : il génère la même séquence d’étalement et la multiplie au signal reçu. Les données

codées par cette séquence sont restaurées (puissance spectrale augmentée) alors que les


données des autres utilisateurs restent étalés. Ceci permet de diminuer le niveau de bruit

(figure 1.12) pour le signal en bande de base : plus l’étalement est important, plus les

interférences ne sont éliminées.

Figure 12 - Réduction des brouilleurs

Les avantages du W-CDMA sont :

Un gain de traitement (process gain) plus élevé. En effet, en élargissant la bande, le

signal est moins sensible aux interférences. Cela permet aussi d’augmenter le nombre

d’utilisateurs présents dans une cellule.

La possibilité de transmettre des services à haut débit : Avec 5 MHz de largeur de

bande, nous pouvons atteindre un débit de 2 Mbps.

Meilleures performances pour détecter les trajets multiples. En effet, dans un canal de

propagation à trajets multiples, des versions décalées du signal transmis parviennent à

des intervalles de temps différents.

Cette propriété qui était un inconvénient dans d’autres systèmes, va être utilisée dans

un système CDMA en combinant les signaux pour diminuer le taux d’erreurs et

obtenir ainsi de meilleures performances.

La possibilité de déploiement dans un spectre de fréquences déjà utilisé, qui consiste à

faire cohabiter un système W-CDMA et un autre système cellulaire sur un même spectre

de fréquences. L’inconvénient majeur du W-CDMA est qu’il demande un support

matériel et logiciel plus élaboré qu’un système à bande étroite.


I.4.6 Le mode TDD

Le multiplexage de type TDD n'utilise qu'une seule bande passante de 5 Mhz divisée en

portions de temps (time slot) utilisables aussi bien pour le débit montant que pour le débit

descendant. Elle comprend donc une composante TDMA (Time Division Multiple Access) en

plus de la séparation par code. Cela permet d’obtenir une large gamme de débits de services

en allouant plusieurs codes ou plusieurs intervalles de temps à un utilisateur.

I.4.7 Le mode FDD

Le multiplexage de type FDD utilise une bande passante de 5 Mhz pour le débit descendant, et une bande passante de 5 Mhz pour le débit montant. Le débit maximal supporté par un seul code est de 384 kbit/s. Afin de pouvoir supporter un débit de 2 Mbit/s, plusieurs codes sont nécessaires.

I.5. Les codes utilisés dans l’UTRAN

I.5.1 Codes de canalisation Ce sont des codes OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). ils ont les

propriétés suivantes :

Les séquences sont rigoureusement orthogonales, c’est-à-dire que l’inter-corrélation

entre deux séquences de code est nulle.

Les séquences ne sont pas toutes de même longueur. Le chip rate de l’UTRAN est

fixe, l’utilisation de codes OVSF permet de faire varier le gain de traitement en

fonction du débit usager.

Ces codes sont définis par un arbre OVSF où chaque nœud possède 2 fils. Les codes

des 2 fils sont issus du code de leur père commun, c'est-à-dire que leur code est composé par

le code du père et de son complémentaire. L’arbre des codes OVSF ainsi créé peut être

représenté sous la forme de la matrice de Hadamard.


Figure 13 - L'arbre des codes OVSF

I.5.2 Codes d’embrouillageLes codes OVSF de l’UTRAN ne peuvent pas être utilisés tels quels car il ne s’agit pas

de séquences pseudo-aléatoires. Il est donc nécessaire d’avoir recours à un deuxième niveau

de codage, les codes utilisés dans ce dernier sont appelés scrambling codes, ou code

d’embrouillage.

Pour le scrambling uplink, on notera essentiellement qu’il existe 224 codes dans ce sens

uplink. Ces "codes" ou "séquences", vont donc séparer les mobiles entre eux. Pour le

scrambling Downlink, il existe 512 x 512 codes, qui vont séparer les cellules entre elles.

I.5.3 Les differents canaux

I.5.3.1. Les canaux logiques

Les canaux logiques se divisent en deux:

les canaux logiques de contrôle utilisés pour le transfert des informations dans le plan de

signalisation ; et définis la nature de l’information transportée

les canaux logiques de trafic utilisés pour le transfert des informations dans le plan usager.

Définissent les services fournis par la couche MAC aux couches supérieures

Deux types : Trafic et Contrôle


Figure 14 - Structure des canaux logiques

I.5.3.2 Les canaux de transportLes canaux de transport se divisent en trois :

les canaux de transport communs utilisés pour le transfert d’information d’un ou de

plusieurs UE ;

les canaux de transport partagés utilisés pour le transport des données de contrôle ou

de trafic uniquement en voie descendante et partagés dynamiquement par différents

utilisateurs ;

Les canaux de transport dédiés qui sont des canaux point à point dédiés à un seul UE

et qui transportent des données de contrôle ou de trafic.

Définissent comment les données sont transportées sur l’interface radio (utilisation des

Transport Formats)

Deux type : Commun / partagé & Dédié

Définissent les services fournit par la couche Physique aux couches supérieures


Figure 15 : structure des canaux de transports

1.5.3.3 Les canaux physiquesDe manière générale, dans la voie montante, la transmission de plusieurs services en

parallèle dotés de débits différents est accomplie en accommodant plusieurs canaux de

transport dédiés (DCH) dans un seul canal physique de données dédié (DPDCH).

Définissent comment les données sont étalées et modulées sur l’interface radio

Deux types : Commun / partagé & Dédié

Transportent un ou plusieurs canaux de transport selon des règles strictes

Utilisent une trame TDMA de 10-ms

Figure 16 - Structure des canaux physiques en sens descendants communs (Downlink)


Figure 17 - Structure des canaux physiques en sens montant communs (Uplink)

1.6. Le contrôle de puissance

1.6.1 Le contrôle de puissance uplink (contrôle de la puissance de mobile) Trois boucles de contrôle de puissance sont mises en œuvre dans le système : la boucle

ouverte, la boucle fermée intérieure (inner loop) et la boucle fermée extérieure (outer loop).

La boucle ouverte Elle est utilisée lors de l’accès initial du mobile au réseau d’accès. Le mobile mesure le

niveau de puissance sur le canal balise de la BTS sélectionnée (CPICH) et ajuste la puissance

d’émission de sa demande d’accès en fonction de la perte de propagation estimée dans le

canal. Le mobile, en effet, lit dans les informations système transmises par la station de base

la puissance utilisée par le canal balise et déduit les pertes précédentes d’après :

Pertes de propagation = puissance émise sur la balise - Puissance reçue par le mobile sur la

balise.

La boucle fermée intérieure entre la BTS et le mobile (inner loop)

Elle est située entre le Noeud B et le mobile (inner loop). Lorsque le mobile est en phase detransmission, sa puissance d’émission est contrôlée (en WCDMA) à tous les slots, soit à unefréquence F de 1500 Hz par les stations de bases avec lesquelles il est en communication (softhandover). Cette boucle de contrôle de puissance est très rapide, elle doit notamment permettre de compenser au maximum le fading du coté réception station de base. Les stations de bases disposent d’une consigne E qui dépend notamment de la nature de la connexion en cours et envoie des consignes au mobile tous les 1 / F seconde lui demandant d’augmenter ou de diminuer sa puissance en fonction de l’écart entre le E mesuré sur le canal dédié reçu et le de la consigne. Il s’agit d’une mesure énergétique. Les bits de consignes (appelés TPC en UMTS) sont transmis dans la partie de contrôle.

La boucle de puissance extérieure entre le contrôleur de station de base et la BTS (outer


loop)

La boucle de puissance extérieure entre le contrôleur de station de base et la BTS (outer

loop) :

C’est une boucle plus lente que la précédente. Le contrôleur de station de base fixe la valeur

de la consigne et la transmet aux stations de base pour les besoins de l’inner loop. Cette valeur

de consigne est calculée d’après une mesure de qualité des trames reçues des stations de base

respectives sur une certaine durée (FER : Frame Error Rate,...). Il s’agit d’une mesure de

qualité "numérique". Si la qualité résultante est en effet trop élevée, on peut diminuer la

consigne, ce qui conduira le mobile à transmettre moins fort. Si elle est trop faible, il faudra

au contraire l’augmenter, le mobile transmettant alors plus fort.

I.6.2 Le contrôle de puissance Downlink (contrôle de la puissance des canaux de la

BTS)

Les canaux dédiés uplink comprennent une partie trafic et une partie contrôle. En

WCDMA, Les bits de commande de puissance (TPC) indiquent à la station de base qu’il faut

augmenter ou diminuer par pas l’amplitude des signaux émis sur le

"code"enquestion.Cependant, la station de base dispose d’un "réservoir" de Puissance fixe lié

aux performances de son amplificateur de puissance.

Si la cellule est fortement chargée et qu’un trop grand nombre de mobiles réclament

simultanément et trop souvent une augmentation de puissance, il pourra devenir difficile de

satisfaire cette demande et donc il convient de veiller par exemple à prévoir des mécanismes

de transfert d’un certain nombre de ces mobiles gourmands en puissance sur des cellules

moins chargées que la cellule courante.

I.6.3 Les different types de Handover

Les appareils mobiles permettent de communiquer en mouvement. Cela implique

qu’il arrive que ceux-ci se retrouvent dans une zone de chevauchement de deux

cellules. Il ne faut en aucun cas couper une communication. Il existe plusieurs

types de handovers

I.6.4 Le Soft handover

lorsqu’un appareil mobile se trouve dans une zone de couverture commune à deux stations de

base. Les communications du mobile empruntent simultanément deux canaux différents pour

atteindre les deux stations de base.


1.6.5 Softer-Handover

lorsqu’un appareil mobile se trouve dans une zone commune de deux secteurs couverts par la

même station de base.

1.6.6 Hard handover inter-fréquences

permet à un appareil mobile de passer d’une fréquence à une autre.

1.6.7 Hard handover inter-systèmes

permet à un appareil mobile de passer d’un système à un autre

1.7 Les limite de l’UMTS

Malgré tous les espoirs mises sur ce nouveau standard de réseaux, l’UMTS présente

plusieurs inconvénients dont principalement le :

• Prix de licence élevé

• Effort de développement important à fournir par les équipementiers

• Effort important à fournir par les opérateurs

• Changement des équipements usagers

• Concurrent du WiMax (30 Mbits/s)


Nous avons présenté une vue globale du réseau 3G-UMTS en s’intéressant particulièrement

au réseau radio " UTRAN ". Nous avons aussi présenté la technique d’accès multiple

WCDMA. En revanche, cette technique dépend de plusieurs contraintes (conditions radio, la

charge, la mobilité...) qui ont un impact sur la qualité, la capacité et la couverture radio. Ainsi,

dans le chapitre suivant, nous étudierons en détails les HSDPA et HSUPA.

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