D efinition d un mod`ele d optimisation pour le dimensionnement de r eseaux troisi`eme g en eration Catherine Voisin D ecembre 2002

Transcription

1 Définition d un modèle d optimiation pour le dimenionnement de réeaux troiième génération Catherine Voiin Décembre 2002

2 UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé: DÉFINITION D UN MODÈLE D OPTIMISATION POUR LE DIMENSIONNEMENT DE RÉSEAUX TROISIÈME GÉNÉRATION préente par: VOISIN Catherine en vue de l obtention du diplôme de: Maitrie è cience appliquée a été dûment accepté par le jury d examen contitué de: Préident M. Alain Hertz Ph.D. Directeur Mme. Brigitte Jaumard Ph.D., Th. d Hab. Membre M. Richard Gourdeau Ph.D. Membre M. André Girard Ph.D.

3 UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL DÉFINITION D UN MODÈLE D OPTIMISATION POUR LE DIMENSIONNEMENT DE RÉSEAUX TROISIÈME GÉNÉRATION CATHERINE VOISIN DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES (M.Sc.A.) (TÉLÉCOMMUNICATIONS) DÉCEMBRE 2002 c Catherine Voiin, 2002

4 À me parent, merci pour votre outien continu et votre enthouiame.

5 RÉSUMÉ Le défi de futur réeaux de communication mobile troiième génération et de permettre aux uager d accéder à toute orte d application depui leur terminaux mobile. Le application multimédia, en particulier, ont de exigence de haut débit et de qualité de ervice que ce futur réeaux devront atifaire. Le nouveaux profil de trafic, trè glouton, vont néceiter de nombreue reource. Aini, le outil de dimenionnement joueront un rôle primordial pour le fournieur d équipement et de ervice, l objectif étant, pour ce outil de dimenionnement, de minimier le reource néceaire tout en atifaiant la demande de trafic. Dan ce mémoire, nou propoon de développer un modèle d optimiation pour le dimenionnement de ce futur réeaux de communication mobile. Une première étape conite à modélier ce réeaux en intégrant le mécanime qui influencent le dimenionnement. Enuite, la tratégie de dimenionnement et définie, l objectif du problème étant de minimier le nombre de tation de bae et le capacité de lien câblé à déployer. La formulation mathématique de la modéliation conduit à un problème linéaire mixte. CPLEX-MIP et e tratégie de branchement ont utilié pour réoudre de jeux de donnée et donnent de olution optimale ou heuritique uivant la taille de problème. Une foi le modèle validé du point de vue du dimenionnement, nou propoon d étudier l évolution du dimenionnement optimal en fonction du trafic ecompté pour un réeau tet.

6 ABSTRACT The challenge of future third generation communication wirele network i to let uer to acce multiple kind of application from their mobile tation. Particularly, the multimedia application have trong requirement on throughput and quality of ervice that the future network mut atify. The new trafic profile, very greedy, will require a lot of reource. Thu, dimenionning tool will play a crucial role for the equipment and ervice provider. The aim of thee dimenionning tool i to minimize the reource needed to atify the trafic demand. In thi thei, we propoe to developp an optimization model for the dimenioning of thee futur wirele communication network. A firt tep conit in modeling thee network by integrating the mechanim that influence the dimenioning. Then, the dimenioning trategy i defined, the objective being to minimize the number of bae tation and the capacitie of the wired link to deploy. The mathematical formulation of the model lead to a linear and mixed problem. CPLEX-MIP and it branching trategie are ued to olve problem with optimal olution or heuritic olution depending on their ize. Once the model validated for the dimenioning, we propoe to tudy the evolution of the optimal deign for everal trafic intance and for a given network architecture.

7 Content 0.1 Motivation Organiation du mémoire Contribution Architecture d un réeau d accè CDMA2000 et ervice multimédia Le réeaux troiième génération (3G) Hitorique CDMA2000 veru UMTS Architecture d un réeau d accè CDMA Le réeau d accè radio (RAN) Le réeau de cœur Le principaux mécanime du réeau d accè radio Le contrôle de puiance Le handover La qualité de ervice dan le réeaux 3G Le clae de ervice Tranport de application temp réel Le ervice intégré ou comment fournir la qualité de ervice Concluion Revue de la littérature ur le modèle d optimiation déjà exitant Dimenionnement de réeaux d accè radio Dimenionnement de réeaux câblé Concluion Modéliation et tratégie de dimenionnement Modéliation du réeau Architecture Politique d ordonnancement de paquet ur le lien câblé Contrôle d admiion de bout en bout Le handover Formule de capacité radio Modéliation du trafic Le application Modéliation d une eion Routage Durée de la planification et équencement temporel Délai Limite du modèle Modèle anticipatif Impréciion ur le dimenionnement due au équencement temporel 47 i

8 CONTENTS ii Le formule de capacité radio Le délai pour le eion en oft handover Stratégie de dimenionnement Limite de la tratégie Ditribution uniforme Le BSC et le tation de bae potentielle pour un uager mobile Récapitulatif de point principaux de la modéliation Formulation mathématique du modèle d optimiation Notation Notation générale Notation pour le niveaux de ervice et la qualité de ervice Notation pour le eion Notation pour le lien câblé Notation pour le lien radio Définition de variable Fonction objectif Contrainte Contrôle d admiion Niveaux de ervice Liaion entre la partie câblée et la partie radio Qualité de ervice: délai Liaion entre le réeau de coeur et le réeau d accè radio Qualité de ervice: élection du RAB ur le lien radio oft handover Capacité de lien câblé Capacité de lien radio Activation de tation de bae potentielle Récapitulatif du modèle d optimiation Définition et borne de variable Formulation mathématique du modèle Réultat Implémentation Générateur de trafic Valeur de paramètre dan le contrainte Procédure d optimiation : CPLEX Decription de jeux de donnée Topologie tet de réeaux de cœur et de BSC Profil de trafic Nombre de tation de bae potentielle Decription de jeux de donnée Stratégie pour la réolution de problème Validation du modèle Validation de la contrainte qui relie le débit de flot d une eion au niveau de la tranition entre le réeau de coeur et le réeau d accè radio Influence du coût de tation de bae ur le dimenionnement Impact du nombre de tation de bae potentielle ur le dimenionnement Optimalité de poition de tation de bae

9 CONTENTS iii Le oft handover Réultat pour le dimenionnement de réeaux 3G Taux d occupation de tation de bae La qualité de ervice et le niveaux de ervice par application Dimenionnement de réeaux 3G Concluion Protocole de Répétition Sélective Principe Délai moyen de tranmiion Paramètre du générateur de trafic Paramètre pour la Voix Paramètre pour la Vidéo conférence Paramètre pour le Flux vidéo Paramètre pour la Navigation Internet Paramètre pour le Courrier électronique Exemple de calcul de différent délai lié au flot decendant d une eion VBR Calcul de délai pour le eion de navigation Internet Calcul de délai pour le eion de courrier électronique dan le en decendant Calcul de valeur minimale de débit pour le flot decendant impoée par la contrainte de délai

10 Lit of Table 1.1 Différence technique entre UMTS et CDMA Le 4 clae de ervice définie par 3GPP Avantage et inconvénient de principale politique d ordonnancement de paquet Configuration radio RC Le application du modèle Valeur de R(r t ) en fonction du débit électionné ur le lien radio decendant Exigence ur le délai par application Délai moyen de tranmiion d une trame ur un lien radio Profil d utiliation de application par le uager Attribut d une eion uivant on application Débit déclaré pour le flot de eion CBR Borne ur le débit pour le flot de eion VBR Valeur de taux de blocage Br ap Voix Vidéo conférence Flux vidéo Navigation Internet Courrier électronique Paramètre pour le délai d une eion de navigation Internet Paramètre pour le délai d une eion de courrier électronique Intance (01)1-8, (01)1-30, (01) Intance (01)3-16, (01)4-20 et (02) Combinaion de tratégie de branchement Performance de combinaion de tratégie de branchement Influence du coût de tation de bae Impact du nombre de tation de bae potentielle ur le dimenionnement pour le profil de trafic 1 (60 eion) Configuration optimale pour le profil de trafic 1 (60 eion) Combinaion de tation de bae activée à partir d une même configuration initiale Taux d uager en oft handover Répartition de eion elon le application pour le profil de trafic P1, P2 et P Navigation Internet High Répartition de eion acceptée pour l intance aociée au profil P Répartition de eion elon le niveaux de qualité de ervice Q r,a,p pour le profil P 2 (80 eion) iv

11 LIST OF TABLES v 5.26 Taux d acceptation atteint avec l intance (01)4-20 (150 eion) Intance pour le dimenionnement de réeaux 3G Dimenionnement de réeaux 3G en fonction de la charge de trafic Valeur de paramètre pour l application Voix Valeur de paramètre pour l application Vidéo conférence Valeur de paramètre pour l application Flux vidéo Valeur de paramètre pour l application Navigation Internet Valeur de paramètre pour l application Courrier électronique Délai pour une eion de navigation Internet Délai pour une eion de courrier électronique Débit minimum pour le flot f dl wl d une eion de navigation Internet Débit minimum pour le flot f dl wl d une eion de courrier électronique. 116

12 Lit of Figure 1.1 Architecture d un réeau d accè CDMA2000 à commutation de paquet Profil de trafic ur une journée elon Bertini[1] Architecture du réeau modélié Ordonnanceur WFQ Principe du filtre en eau percé Décompoition d une eion en 4 flot :f ul-wl,f dl-wl,f ul-rl et f dl-rl Séquencement temporel : le début et fin de eion ne correpondent pa avec le période Séquencement temporel : le début et fin de eion correpondent avec le période Répartition uniforme par type d application de eion commençant à la période h Sélection de tation de bae à intaller phyiquement pour upporter le trafic ur toute le période Sélection de tation de bae potentielle pour un uager mobile Exemple de réeau réeau Exemple de réeau réeau Séquencement temporel de eion dan l intance (01) Poition de tation de bae activée dan le intance (01)1-20 et (01) Taux d occupation de tation de bae ur le période le plu chargée Répartition de uager en oft handover Evolution de taux d occupation de tation de bae uivant le profil de trafic Variation ur la durée de planification du niveau de ervice atteint pour le application de Voix Ordre de retranmiion avec le protocole SRP Délai an retranmiion Délai avec une retranmiion Délai avec 2 retranmiion Délai avec 3 retranmiion G : 3rd Generation ARIB : Aociation of Radio Indutrie and Buine BS : Station de bae BSC : Bae Station Controller CAC : Call Admiion Control vi

13 LIST OF FIGURES vii CBR : Contant Bit Rate CDM : Code Diviion Multiplexing CDMA : Code Diviion Multiple Acce DHCP : Dynamic Hot Configuration Protocol DS-WCDMA : Direct Sequence Wide band CDMA ETSI : European Telecommunication Standart Intitute FA : Foreign Agent FDD : Frequency Diviion Duplex HA : Home Agent GoS : Grade of Service GSM : Global Sytem for Mobile communication IETF : Internet Engineering Tak Force IP : Internet Protocol IPM : IP mobile ITU : International Telecommunication Union MC-CDMA : Multi Carrier CDMA PCF : Packet Control Function PDSN : Packet Data Serving Node PGPS : Packet Generalized Proceor Sharing PLM : Problème Linéaire Mixte PPP : Point to Point Protocol PSTN : Public Switch Telephone Netwok QdS : Qualité de Service RAB : Radio Acce Bearer RAN : Réeau d Accè Radio RC : Radio Configuration RCC : Radio Reource Control RL : Radio Link RLP : Radio Link Protocol RPPS : Rate Proportional Proceor Sharing RTP : Real Time Tranport Protocol

14 LIST OF FIGURES 1 SIP : Seion Initiation Protocol SIR : Signal Interference Ratio SRP : Selective Repeat Protocol TIA : Telecommunication Indutry Aociation TCP : Tranmiion Control Protocol TDD : Time Diviion Duplex TDM : Time Diviion Multiplexing TTA : Telecommunication Technology Aociation UDP : Uer Datagram Protocol UMTS : Univeral Mobile Telecommunication Sytem VBR : Variable Bit Rate VoIP : Voix ur IP WFQ : Weighted Fair Queuing WL : Wired Link Quand la traduction françaie n et pa uffiamment explicite ou que l anglicime et largement utilié dan le documentation et article francophone, le terme anglai era conervé (ex: oft handover). 0.1 Motivation L accè à l information n importe où et n importe quand et la ligne de mire de futur réeaux de communication mobile troiième génération. Aini, le grand défi de cette nouvelle technologie et de pouvoir combiner la mobilité avec l accè à toute orte d application, en particulier le application multimédia i priée par cette nouvelle ère de communication. Ce dernière néceitent de haut débit de tranfert et ont de exigence de qualité de ervice, ce que le réeaux mobile actuel de deuxième génération ne ont pa capable de fournir. Aujourd hui, même i le réeaux fixe peuvent fournir de haut débit, la notion de qualité de ervice, en revanche, n et pa encore complètement maîtriée. En-effet, le application à uccè du début de l Internet, tel que la navigation ou FTP, exigeaient un tranport fiable de donnée an contrainte tricte ur le délai. Aini, le mode de tranport non orienté connexion aini que le ervice Bet Effort permettent d optimier le reource en accomodant de ce critère. En revanche, le nouvelle application multimédia, comme la vidéo conférence ou le tranfert de flux vidéo temp réel, ont de exigence tricte ur le débit, le délai et même la gigue. De nouveaux mécanime impoent alor pour différencier le ervice et pour fournir la qualité de ervice exigée. Parmi ce mécanime, on compte le contrôle d admiion, le protocole de réervation de reource et le politique d ordonnancement de paquet. Une autre difficulté pour la troiième génération et de maintenir le haut débit et la qualité de ervice ur le lien radio qui ont peu fiable pour le tranmiion. La technique de multiplexage CDMA, choiie pour le futur réeaux, permet de diverifier le débit ur le lien radio et d augmenter la capacité de

15 LIST OF FIGURES 2 trafic de cellule. Le travaux de recherche ur la troiième génération ont trè avancé et certain contructeur tetent déjà phyiquement leur architecture. Aini, le outil de dimenionnement adapté à cette technologie ont d actualité. En effet, le nouveaux profil de trafic eront trè glouton en terme de reource. Compte tenu de la concurrence accrue et du prix élevé de équipement, un outil de dimenionnement era primordial pour définir la configuration optimale de équipement au coût minimal. Notre étude e donne donc comme objectif de définir un modèle d optimiation pour le dimenionnement de réeaux troiième génération et d utilier cet outil de planification pour évaluer le dimenionnement optimal d un réeau tet. 0.2 Organiation du mémoire Le chapitre 1 préente le contexte de réeaux troiième génération et attarde particulièrement ur le mécanime clé et le profil de trafic qui influencent le dimenionnement. Le chapitre 2 décrit le principale approche de modèle déjà exitant pour le dimenionnement de réeaux fixe et de réeaux mobile. La modéliation menée dan notre étude et décrite en détail dan le chapitre 3 qui organie en troi partie : la modéliation du réeau comprenant la partie fixe (réeau de cœur) et la partie radio (réeau d accè radio), la modéliation du trafic attendu pour la troiième génération. Le différente application et le critère de qualité de ervice intégré au modèle ont défini dan cette partie, la tratégie de dimenionnement. Le chapitre 4 et conacré à la formulation mathématique du modèle d optimiation. Le chapitre 5 décrit, dan un premier temp, l implémentation du modèle aini que le paramètre du trafic. Le logiciel CPLEX-MIP, utilié pour réoudre le problème d optimiation, et détaillé uccintement. Toute une ection et réervée à l étude de tratégie de branchement avec CPLEX-MIP. En-effet, nou metton l accent ur la modéliation et la validation du modèle plutôt que ur le développement d un branchement particulier. Aini, nou cherchon une tratégie de CPLEX-MIP la plu adéquate pour réoudre no intance. Aprè la validation du modèle, nou utilion notre outil de dimenionnement pour évaluer le reource néceaire aux futur réeaux de communication mobile. Enfin, une concluion et apportée quant à l enemble de réultat obtenu et le amélioration à apporter au modèle pour le rendre plu performant ont évoquée. 0.3 Contribution Dan le cadre de notre étude, no développement ont apporté : une modéliation du réeau qui intègre le nouveaux concept de la troiième génération, un modèle qui compoe avec la différenciation de ervice grâce à un contrôle d admiion, à une politique d ordonnancement de paquet et à de formule de capacité radio multi-ervice,

16 LIST OF FIGURES 3 un outil de dimenionnement qui englobe à la foi le réeau de coeur et le réeau d accè radio, une évaluation du dimenionnement optimal d un réeau tet en fonction du trafic ecompté, un moyen de comparer l efficacité de contrôle d admiion mi en oeuvre ur le reource néceaire en prenant comme référence le dimenionnement obtenu avec le contrôle d admiion idéal, car anticipatif, du modèle.

17 Chapter 1 Architecture d un réeau d accè CDMA2000 et ervice multimédia 1.1 Le réeaux troiième génération (3G) Hitorique Le deux grand objectif de réeaux multimédia 3G ont, d une part, de fournir le même ervice que le réeaux fixe, impliquant aini une convergence entre le deux technologie et, d autre part, de upporter le global roaming. Cet objectif, trè ambitieux, a pour but de répondre aux nouvelle exigence de mobilité de client qui ouhaitent utilier le ervice de leur terminal mobile à l étranger. Cela implique l inter-opérabilité de ytème et une coopération entre le pay pour fournir le ervice. Le ytème 3G vont aini remplacer le ytème 2G déjà implanté depui le début de année 90. Le réeaux 2G, dont la norme la plu répandue et le GSM, ont introduit le tranmiion numérique ur le liaion radio, accédant aini à de débit permettant le tranport de la voix et d application de court meage. Actuellement, la génération 2.5 fournit de application limitée de navigation (WAP et imode) qui permettent l accè à de erveur de donnée. Cependant, le faible débit et le terminaux peu adapté en font une génération intermédiaire. Une procédure de tandardiation nommée IMT-2000 a été créée par l ITU pour intégrer le réeaux 2G déjà exitant avec la technologie CDMA, avec le réeaux de atellite et avec le nouvelle technologie aociée au tranport de application multimédia. Ce travail de tandardiation a été mené en parallèle dan pluieur pay. Aini, en juin 1998, le groupe de recherche ETSI (Europe), TIA (Etat-Uni), ARIB (Japon) et TTA (Corée du Sud) oumettent leur propoition et en décembre 1998 le goupe commun de tandardiation 3GPP et créé. Un de objectif premier de 3GPP et d aurer l inter-opérabilité entre le ytème 3G de tou le pay. En mar 1999, la technologie du CDMA et choiie comme la technologie de tranmiion radio pour tou le ytème 3G. Cependant, pluieur variante ont poible. Aini le Etat-Uni, l Amérique du Sud et la Corée du Sud ont opté pour MC-CDMA (CDMA-2000) alor que l Europe et le Japon ont opté pour DS-WCDMA (UMTS). De plu, certain paramètre changent dan l implantation d une même technologie. Aini le Japon et l Europe ont de paramètre technique différent rendant l inter-opérabilité difficile. 3GPP2 et l équivalent de 3GPP pour CDMA Actuellement, UMTS et CDMA-2000 ne ont pa compatible mai 3GPP et 3GPP2 harmonient leur recherche pour réoudre ce problème. Le première verion de CDMA-2000 ont été déployée en 2000 en Corée du Sud et en 2001 aux Etat- Uni, au Canada et en Amérique du Sud. On prévoit le déploiement de l UMTS pour La coexitence de réeaux 2.5G et 3G étendra ur une dizaine d année. 4

18 CHAPTER 1. ARCHITECTURE D UN RÉSEAU D ACCÈS CDMA2000 ET SERVICES MULTIMÉD L évolution de CDMA-2000 e fait progreivement et la verion 1x et compatible avec CDMAone qui et le protocole de tranmiion pour le réeaux 2G en Amérique du Nord. CDMA x permet de upporter deux foix plu de voix en terme de capacité et poue le débit juqu à 144 kbp pour le donnée. CDMA x permet la tranmiion imultanée de la voix et de donnée avec un débit allant juqu à 2 Mbp. Ce verion ont en cour de développement avec de nombreue avancée. Aini la verion CDMA xEV-DEV intègre la qualité de ervice, l authentification et la voix ur IP (VoIP). De plu, elle permet de débit élevé (juqu à 2 Mbp) ur une bande de fréquence de 1.25 MHz. La tructure de organime et le détail de pécification peuvent être conulté ur le ite web de 3GPP et 3GPP2[2], [3] CDMA2000 veru UMTS Le deux norme CDMA2000 et UMTS utilient CDMA comme technique de multiplexage. Succintement, CDMA permet à chaque utiliateur d émettre ur un pectre étalé obtenu au moyen d un code aléatoire peronnel. Tou le utiliateur utilient aini imultanément la même bande de fréquence. Le ignal de bae et d abord converti en un ignal radio numérique à bande étroite et e voit enuite alloué un code d étalement afin de pouvoir être ditingué parmi le ignaux d autre utiliateur. Deux mode de fonctionnement ont poible : mode FDD où deux pectre de fréquence dijoint ont réervé, l un pour le liaion du terminal mobile ver la tation de bae (liaion montante) et l autre pour le liaion de la tation de bae ver le terminal mobile (liaion decendante), mode TDD où un eul pectre de fréquence et utilié pour le deux en. Le problème de la réutiliation de fréquence dan le cellule voiine, qui e poaient avec le technologie TDMA et FDMA, ne e poe plu avec CDMA. En-effet, tou le terminaux mobile utilient la même bande de fréquence et ne ont plu en interférence fréquentielle entre eux grâce aux code d étalement orthogonaux. On obtient aini une forte efficacité pectrale et la capacité de cellule et augmentée. La ource principale de interférence n et plu liée aux corrélation fréquentielle mai plutôt à de problème de puiance. Chaque utiliateur doit avoir le même poid en puiance ur le pectre étalé. Un contrôle de puiance efficace devient donc une néceité (ection 1.3.1). Noton que l orthogonalité de code n et pa parfaite et, de ce fait, le interférence entre le uager mobile ne ont pa complètement éliminée. D aprè [4], la peudo-orthogonalité et comprie entre 0.4 et 0.9 i on conidère qu une orthogonalité parfaite et 1. Le tableau 1.1 réume le principale différence technique entre UMTS et CDMA Table 1.1: Différence technique entre UMTS et CDMA-2000 UMTS CDMA-2000 Technique de multiplexage DS-WCDMA MC-CDMA Spectre de fréquence 5 MHz N 1.25 MHz (N=1,3) Le débit chip 3.84 Mcp N Mcp (N=1,3) Durée d une trame 10 m 20 m Fréquence pour le contrôle de puiance 1500 Hz pour le deux en 800 Hz pour le deux en Synchroniation de tation de bae aynchrone ynchrone Canaux pilote TDM CDM

19 CHAPTER 1. ARCHITECTURE D UN RÉSEAU D ACCÈS CDMA2000 ET SERVICES MULTIMÉD La différence la plu importante et le pectre diponible : une bande de fréquence de 5 MHz pour W-CDMA et une ou troi bande de fréquence de 1.25 MHz uivant la verion de MC-CDMA (CDMA x et CDMA x). Le partage du pectre pour le canaux pilote et aui différent. Un avantage de W-CDMA et la poibilité d offrir de débit variable alor que le débit ont fixe avec CDMA En revanche, la migration de la 2G ver la 3G et plu imple avec CDMA-2000, le équipement 2G de CDMAone étant réutilié pour CDMA C et un érieux avantage compte tenu du montant de invetiement et ce qui explique, du même coup, l avance dan l implantation de CDMA Architecture d un réeau d accè CDMA-2000 Le réeau d accè permet à un terminal mobile d accéder aux réeaux téléphonique commuté et aux ervice de donnée fourni par de réeaux public. Un réeau d accè e compoe d un réeau d accè radio, qui gère le liaion radio et le handover, et d un réeau de cœur, qui route le connexion, qui fait l interface avec le réeaux externe et qui identifie le uager. Actuellement, le réeaux de cœur upportent le tranport par commutation de paquet pour le donnée et par commutation de circuit pour la voix. La viion la plu répandue prévoit que le réeaux de cœur eront uniquement detiné à la commutation de paquet (IP) avec pour la voix le protocole VoIP. La figure 1.1 illutre l architecture d un réeau d accè CDMA-2000 à commutation de paquet (d aprè [5]). uager mobile interface radio VLR réeau SS7 HLR viited AAA home AAA Noeud B BSC : -PCF -RRC réeau IP paerelle ver de réeaux externe PDSN Noeud B HA réeau de coeur IP Noeud B réeau d'accè radio (RAN) Figure 1.1: Architecture d un réeau d accè CDMA2000 à commutation de paquet Le principaux élément de la figure 1.1 ont : BSC (Bae Station Controller) Le BSC a deux fonction : le contrôle de paquet (PCF) et le contrôle de reource radio (RRC). Le PCF établit et maintient le connexion avec le PDSN (Packet Data Serving Node). Il communique avec le RCC pour dipoer de reource radio néceaire au tranfert de paquet ur le liaion radio. Pendant un oft handover (définition à la ection 1.3.2) ver une tation de bae reliée à un BSC différent, le PCF tranfert e information au PCF qui prendra le relai pour maintenir la communication ver le PDSN. Le RRC communique avec le erveur d authentification

20 CHAPTER 1. ARCHITECTURE D UN RÉSEAU D ACCÈS CDMA2000 ET SERVICES MULTIMÉD VLR, HLR et AAA via le PDSN pour attribuer le reource uivant le profil de l uager. PDSN (Packet Data Serving Node) Le PDSN occupe une poition centrale. Une de fonction principale et le routage de paquet ver le réeau de cœur IP ou directement ver le HA (Home Agent). Il attribue de adree IP dynamique et maintient le connexion PPP juqu aux terminaux mobile. Il regroupe le information relative à l abonné pour l authentification, le paramètre de la eion et le indice de tarification. Il tranfert ce information ver le erveur AAA. En retour, le PDSN récupère le profil de l uager. De plu, le PDSN joue le rôle de FA (Foreign Agent) pour le protocole d IP mobile (IPM). AAA (Authentification, Authorization, and Accounting) AAA exécute le requête d authentification envoyé par le PDSN et renvoie en retour une autoriation aini que le profil de l uager mobile. Le PDSN pourra alor gérer la eion de façon à repecter le terme du contrat de l uager (QdS et GoS). Un erveur home AAA contient uniquement le donnée de uager enregitré dan ce réeau. Quand un uager e déplace dan un autre réeau d accè radio, le viited AAA (ou Radiu) du réeau viité prend le relai. Le pécification de différent erveur AAA ont décrite dan la RFC 3141 [6]. VLR (Viited Location Regiter) et HLR (Home Location Regiter) Le erveur VLR et HLR contiennent le information ur l autoriation et l authentification de uager pour le réeau d accè radio Le réeau d accè radio (RAN) Un noeud B repréente une ou pluieur tation de bae. De plu, chaque tation de bae et compoée de troi antenne directionnelle couvrant chacune un angle de 120 o : on dit qu elle et ectoriée. Une cellule et la zone de couverture d une tation de bae. Suivant le ditance à couvrir et le profil de trafic, pluieur type de cellule ont définie pour lequelle le puiance en jeu et le débit diponible ont différent. Aini, le pico cellule ont utiliée pour le communication à l intérieur de bâtiment ou dan de zone extérieure confinée, c et-à-dire de petite zone (dizaine de mètre) à denité élevée avec de uager à mobilité réduite. Le micro cellule ont detinée aux centre urbain, véritable point chaud avec de utiliateur nombreux et à mobilité moyenne ( km/h). Le macro cellule couvrent de zone bien plu importante (zone rurale) avec de rayon de pluieur kilomètre. La mobilité de uager et aurée juqu à 500 km/h (avion, train). Pour finir, le cellule globale utilient le réeaux de atellite pour traverer le océan Le réeau de cœur Le réeau de cœur upporte deux protocole de routage : IP et IP mobile. Avec le protocole IP, le mobile reçoit une adree IP dynamique attribuée par un DHCP via le PDSN local qui joue le rôle de DHCP intermédiaire pour le mobile. Le mobile retient cette adree IP tant qu il e trouve dan un ecteur où a tation de bae peut communiquer avec ce PDSN. En revanche, i le mobile, de par on déplacement, change de PDSN attitré alor l adree IP devra changer. De nombreue application comme FTP ne upportent pa le changement d adree IP et la connexion era alor perdue. Pour réoudre ce problème, l IETF développe un protocole d IP mobile (IPM) qui permet au terminal mobile de changer de PDSN an changer d adree IP. Une de olution le plu prometteue et d introduire un point fixe

21 CHAPTER 1. ARCHITECTURE D UN RÉSEAU D ACCÈS CDMA2000 ET SERVICES MULTIMÉD dan le réeau qui récupère le paquet envoyé au terminal mobile à on adree IP fixe (primaire). Ce point fixe et le HA (Home Agent). Quand l utiliateur e déplace ver un réeau radio étranger, le PDSN du nouveau réeau viité joue le rôle d intermédiaire, nommé FA (Foreign Agent), en attribuant une adree econdaire au terminal mobile. Celui-ci informe alor on HA de cette adree econdaire et quand ce dernier reçoit de paquet detiné au terminal mobile (adree IP initiale), il le tranfère ver le PDSN étranger (FA) avec l adree econdaire en utiliant un tunnel IP. Le paquet ont alor décapulé par le PDSN pui envoyé ver le terminal mobile. Le changement de réeau et aini tranparent pour l entité émettrice. L avantage de cette olution et qu elle ne requiert pa de modification de routeur IP ni de protocole de tranport IP. 1.3 Le principaux mécanime du réeau d accè radio Précion dè maintenant le notation UL et DL qui vont être largement utiliée dan la uite du mémoire. Le en montant ou UL pour UpLink et la liaion radio du terminal mobile ver la tation de bae. Le en decendant ou DL pour DownLink et la liaion radio de la tation de bae ver le terminal mobile Le contrôle de puiance Un contrôle de puiance rapide et primordial. San lui, un eul terminal mobile émettant à une puiance trop élevée pourrait empêcher tou le autre terminaux mobile de la cellule de communiquer, puique pluieur utiliateur différent émettent dan la même bande de fréquence. Chaque utiliateur peut être une ource d interférence pour le autre. Il et donc important de mettre en oeuvre un mécanime qui permette aux terminaux mobile d ajuter leur puiance d émiion tout en garantiant une bonne réception à la tation de bae. Ce problème de puiance e poe aui pour le puiance émie par la tation de bae pour limiter le interférence inter-cellulaire. Le contrôle de puiance et donc néceaire dan le deux en. Le contrôle de puiance en boucle fermée Ce contrôle de puiance permet de compener le évanouiement rapide qui dégradent régulièrement le ignal. Dan le en montant, il et baé ur le principe uivant : la tation de bae réalie de etimation fréquente du rapport ignal ur interfèrence (SIR) et le compare à une valeur cible. L expreion du SIR et détaillée à la ection Si la valeur etimée et upérieure à la valeur cible, la tation de bae demande au terminal mobile de diminuer a puiance d émiion. A l invere, i elle et inférieure, il era demandé au terminal d augmenter a puiance d émiion. Cette opération et réaliée 1500 foi par econde (1500 Hz) pour UMTS et 800 foi par econde (800 Hz) pour CDMA Ce fréquence élevée permettent au contrôle de puiance de détecter n importe quelle variation et d aurer que le puiance émie retent ajutée pour le SIR requi. Ce principe et aui utilié dan le en decendant, bien que, dan ce ca, la raion en oit différente. Dan ce en, le ignaux proviennent de la tation de bae. Il et ouhaitable, afin de minimier le interférence inter-cellulaire, que la puiance detinée aux terminaux mobile qui e trouvent en bordure de cellule oit la plu faible poible tout en garantiant une bonne qualité de réception. Le contrôle de puiance en boucle externe Ce contrôle de puiance pemet d ajuter le valeur cible de SIR en fonction de l utiliation du lien radio de façon à aurer une qualité contante. Pour cela, la tation de bae ajoute aux trame reçue dan le en montant un indicateur de qualité. Cet indicateur et alor traité par le BSC qui, i la qualité et en baie, commande en retour à la tation de bae d augmenter la valeur de SIR cible. Cette procédure et implémentée au niveau de BSC

22 CHAPTER 1. ARCHITECTURE D UN RÉSEAU D ACCÈS CDMA2000 ET SERVICES MULTIMÉD car elle doit être toujour diponible même en ca de handover. Le contrôle d admiion en boucle ouverte Ce contrôle permet d évaluer le perte du canal entre la tation de bae et l uager mobile afin de définir à quelle puiance le terminal mobile doit émettre pour compener le phénomène d évanouiement. L évaluation et faite dan le en decendant ur de canaux prévu à cet effet et on uppoe, de façon abuive, que le perte ont identique pour la voie montante et decendante. Bien qu impréci, ce contrôle et néceaire pour le terminaux mobile lor de l établiement d une connexion afin de définir approximativement le niveau de puiance auquel il doivent émettre. Le contrôle de puiance en boucle fermée permettra enuite d ajuter cette puiance Le handover Le handover gère la mobilité de uager. Noton que le terminaux mobile et le tation de bae utilient pluieur récepteur à corrélation qui forment un récepteur de Rake pour récupérer le maximum d énergie du ignal ur le différent trajet emprunté et éventuellement ur le différente antenne. Il exite deux type de handover uivant la poition de l uager mobile dan la cellule. Le ofter handover Le ofter handover e produit quand le tation de bae ont ectoriée. Aini, quand le terminal mobile e trouve dan une zone de couverture commune à deux ecteur adjacent d une même tation de bae, le communication avec la tation de bae empruntent imultanément deux canaux radio, un pour chaque ecteur. Deux code d étalement doivent alor être utilié dan le en DL afin que le terminal mobile puie ditinguer le deux ignaux iu de deux ecteur et on a donc deux connexion imultanée pour cet uager. Dan le en UL, le ignaux provenant du terminal ont reçu par le deux ecteur de la tation de bae et routé ver le même récepteur de Rake. Le ignaux ont aini combiné au niveau de la tation de bae. On compte généralement 5 à 10 % de terminaux mobile d une cellule qui ont en ituation de ofter handover. Le oft handover Durant un oft handover, le terminal mobile e trouve dan la zone de couverture commune à deux tation de bae. Le communication entre le terminal mobile et le tation de bae utilient imultanément deux canaux radio, un pour chaque tation de bae. Du point de vue du terminal mobile, il exite trè peu de différence entre le ofter et le oft handover. En revanche, dan le en UL ce deux handover diffèrent car, dan le ca du oft handover, le ignaux reçu par le tation de bae ont routé et combiné au niveau du BSC. Cela permet au BSC de électionner la meilleure trame reçue. Un uager mobile peut être en ituation de oft handover avec deux, troi ou quatre tation de bae. Si l uager quitte la zone de couverture commune pour e rapprocher d une tation de bae, alor cette dernière le prend en charge. Aini, le oft handover permet de limiter la perte de connexion quand un uager e déplace ver une autre cellule. On conidère que 20 à 40 % de uager ont en ituation de oft handover. Il et donc indipenable de prendre en compte le connexion upplémentaire dan une cellule due au oft handover lor du dimenionnement du réeau. Il exite deux autre type de handover : le hard handover inter-fréquence qui permet à un terminal mobile de paer d un pectre de fréquence à un autre et le hard handover inter-ytème qui permet au terminal mobile de paer d un ytème à un autre comme d un mode FDD à un mode TDD ou pour paer à un ytème 2G comme le GSM (pendant la période de coexitence de deux ytème).

23 CHAPTER 1. ARCHITECTURE D UN RÉSEAU D ACCÈS CDMA2000 ET SERVICES MULTIMÉD 1.4 La qualité de ervice dan le réeaux 3G Une de caractéritique le plu connue de la troiième génération et an doute la poibilité d offrir aux utiliateur de débit bien upérieur à ceux actuellement en vigueur : 384 Kbit/ pour le connexion en mode circuit et juqu à 2Mbit/ pour le connexion en mode paquet. Ce haut débit faciliteront l introduction de nouveaux ervice comme le application multimédia (vidéo conférence ou téléchargement à flux tendu comme le flux vidéo). La qualité de ervice et la garantie de ervice ont deux nouveaux concept que la 3G doit intégrer pour upporter ce nouvelle application plu exigeante. Le ection uivante décrivent le application et leur exigence de qualité de ervice aini que le moyen propoé pour que le réeau puie atifaire le requête Le clae de ervice La qualité de ervice et généralement définie par le critère uivant : Délai : temp écoulé entre l envoi d un paquet par un émetteur et a réception par le detinataire. Le délai comprend le délai de propagation, de tranmiion, de traitement et d attente dan le ytème intermédiaire. Gigue ur le délai : variation du délai de deux paquet conécutif. Bande paante minimum : taux de tranfert minimum pouvant être maintenu entre deux point terminaux. Fiabilité : taux moyen d erreur d une liaion. Pour fournir la qualité de ervice, il faut pouvoir différencier le ervice uivant leur enibilité à ce critère. La pécification[7] de 3GPP ur la qualité de ervice propoe de claer le application uivant quatre catégorie : Converationnelle (Converationnal) Le application de cette clae impliquent deux utiliateur humain ou plu qui échangent de information voix et/ou vidéo en temp réel. Le exigence ur le délai ont tricte, ce dernier doivent être uffiamment faible pour ne pa dégrader la perception humaine du ignal (viuelle et auditive). Diffuion en flux tendu (Streaming) Le application de cette clae impliquent un utiliateur humain et un erveur de donnée. Le tranfert d information e fait depui le réeau ver l utiliateur mobile et la connexion et temp réel et aymétrique. La enibilité au délai et moin tricte pour cette clae que pour la clae Converationnelle car il n y a pa d interactivité entre le deux entité. Interactive (Interactive) Le application de cette clae impliquent un utiliateur humain et un erveur de donnée ou d application. La connexion et, dan ce ca, baée ur le principe du requête-tranfert. La requête e fait depui le terminal mobile ver le erveur et le tranfert depui le erveur ver le terminal mobile. L utiliateur attend certe une répone rapidemment mai le délai retent bien plu important que pour le clae Converationnelle et Diffuion. La priorité et mie ur la fiabilité car le donnée tranférée ne doivent pa être altérée. Il et donc poible de traiter ce application comme non temp réel an dégrader leur qualité de ervice. Tâche de fond (Background) Le application de cette clae impliquent un utiliateur, le plu ouvent un équipement terminal, qui envoie ou reçoit de donnée en tâche de fond. L utiliateur à l origine de la requête n attend pa de répone dan une limite de temp fixée. En revanche, l intégralité

24 CHAPTER 1. ARCHITECTURE D UN RÉSEAU D ACCÈS CDMA2000 ET SERVICES MULTIMÉD de donnée et primordiale. Le tableau 1.2 récapitule, pour le quatre clae de trafic, leur caractéritique et leur exigence de qualité de ervice. Table 1.2: Le 4 clae de ervice définie par 3GPP Clae de ervice Caractéritique Exemple Exigence en QdS - tranport bidirectionnel entre deux peronne voix ur IP Converationnelle - contrainte de QdS baée ur la perception humaine jeux vidéo faible délai - conerve la relation temporelle entre le entité du flot vidéo conférence faible gigue - temp réel - tranport unidirectionnel ver une peronne flux vidéo Diffuion - conerve la relation temporelle entre le entité du flot flux audio faible délai en flux tendu - temp réel multimédia - tranport bidirectionnel entre un uager et un erveur navigation Internet Interactive - conerve la charge utile accè bae de donnée faible taux d erreur - non temp réel - tranport unidirectionnel ver une machine courrier électronique Tâche de fond - conerve la charge utile tranfert de fichier faible taux d erreur - non temp réel tranfert de donnée Tranport de application temp réel La difficulté pour le futur réeaux 3G et de pouvoir tranporter à la foi de application non temp réel et de application temp réel. Pour ce dernière, le flux audio et vidéo ont filtré à l émiion avec de codeur. qui, entre autre, impoent de borne ur le débit de flux. Pluieur codeur tandard pour l audio ont recommandé par ITU[8]. Parmi ce codeur, nou retiendron le tandard G.729 CS-ACELP à 8 kbp. L objectif de codeur de flux vidéo et de maintenir une bonne qualité tout en réduiant la bande paante requie aini que la place mémoire. Parmi le codeur le plu récent cité dan [9], le tandard H.263+ et adapté aux réeaux an fil. Le tranport de donnée temp réel et plu complexe car ce dernière ont de exigence tricte ur le délai et la gigue. Actuellement, le protocole pour le tranport de la voix et de la vidéo dan le réeaux Internet et RTP (Real Time Tranport Protocol) qui agit au-deu de UDP. Comme il et enviagé que le réeaux de cœur de la 3G oient à commutation par paquet, ce protocole et repri par ITU comme protocole de tranport aocié aux terminaux multimédia H.323. Avant le tranport de donnée, le utiliateur d application temp réel doivent être ynchronié dan le temp mai aui être d accord ur la nature de la requête et le exigence de qualité de ervice. H.323 et un protocole de négociation qui permet d initialier le connexion en ynchroniant le utiliateur. Il exite un autre protocole d initialiation de connexion, SIP (Seion Initiation Protocol), détaillé dan [5], qui et conidéré comme plu puiant, plu imple et plu flexible que H.323. Quand la connexion et initialiée, RTP prend le relai pour le tranport de donnée temp réel. RTP numérote le paquet pour que le receveur puie recontruire le équence, il ajoute aui un champ pour le temp de playback. Aini, deux flux utiliant de connexion différente mai provenant d une même ource (flux vidéo et audio pour la vidéo conférence) pourront être ynchronié ur le temp de playback. RTP et indépendant de la nature du média (audio ou vidéo), aini de protocole complémentaire ont développé pour rendre le tranport plu pécifique (RFC 1890 pour le flux audio et de vidéo conférence, RFC 2190 pour le flux vidéo H.263, RFC 2198 pour le flux de donnée audio [6]). RTP, en revanche, ne fournit pa de mécanime pour la qualité de ervice.

25 CHAPTER 1. ARCHITECTURE D UN RÉSEAU D ACCÈS CDMA2000 ET SERVICES MULTIMÉD Le ervice intégré ou comment fournir la qualité de ervice Une foi le critère de qualité de ervice défini, l objectif pour le réeaux 3G et de fournir la qualité de ervice adéquate pour chaque requête. Il faut, pour cela, pouvoir différencier le requête et le traiter individuellement. C et du ervice intégré. Le groupe de travail Interv (INTegrated SERVice) a été créé en 1994 pour développer une verion améliorée de l Internet qui upporterait aui bien du trafic temp réel comme la voix et la vidéo que de tranfert de donnée claique. Quatre mécanime permettent de fournir la qualité de ervice : le contrôle d admiion qui vérifie i le reource ont diponible au niveau de chaque routeur de la route, la réervation de reource, le claificateur de paquet qui, au niveau de chaque routeur, détermine à quel flot appartient le paquet, l ordonnanceur de paquet qui émet enuite le paquet ur le lien en accord avec le reource réervée. Le contrôle d admiion ou CAC dan le réeaux fixe Le CAC et le premier mécanime appliqué à une requête. Il aure qu en acceptant la eion, la qualité de ervice de eion déjà en cour ne era pa dégradée et que le reource ont uffiante pour atifaire le exigence de qualité de ervice de la nouvelle eion. Le politique de CAC diffèrent elon le type de l application : Le contrôle d admiion pour le application CBR (Contant Bit Rate) Dan ce ca, le CAC et imple car la ource et entièrement définie par on débit. La eion ne era acceptée que i le débit demandé par la ource, ajouté au chargement courant d un lien, et inférieur à la capacité du lien et ce, pour tou le lien de la route. La eion pourrait être refuée i la route ne permet pa de garantir on délai maximal toléré. En ca de refu, la eion et oit reroutée, oit mie en file d attente pour une acceptation ultérieure i un lien e libère, oit refuée tout implement. Le contrôle d admiion pour le application VBR (Variable Bit Rate) Le CAC pour ce application et plu complexe car ce dernière ont de débit variable avec de période de rafale. La difficulté et donc de caractérier le ource VBR pour évaluer le reource néceaire à leur qualité de ervice tout en aurant que leur comportement variable ne nuiera pa aux autre application. Suivant la modéliation de la ource, pluieur tratégie de CAC ont propoée : CAC baé ur le débit maximal de rafale Ce CAC conidère la ource VBR comme une ource CBR dont le débit erait le débit maximal de rafale. Cette tratégie a l avantage d être imple et rapide mai elle conduit à une ou-utiliation de reource et à de refu abuif de requête par rapport aux reource diponible en pratique. CAC baé ur le pire ca Il et poible grâce à certaine politique d ordonnancement de paquet de garantir de débit minimaux, de taux de perte maximaux et de délai de pire ca, évalué à partir du pire ca où toute le eion VBR enverraient de paquet en rafale en même temp dan le réeau. Le reource ont alor réervée en fonction du pire