UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL. Ce mémoire intitulé:

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1 UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé: CONTRÔLE D ADMISSION AVEC MESURES POUR UNE MEILLEURE GESTION DES RESSOURCES DANS LES RÉSEAUX DE TROISIÈME GÉNÉRATION préenté par: ESPOSITO Sandrine en vue de l obtention du diplôme de: Maîtrie è cience appliquée a été dûment accepté par le jury d examen contitué de: M. PIERRE Samuel, Ph.D., préident Mme. JAUMARD Brigitte, Th. Doctorat., Th. d Hab., membre et directeur de recherche M. GOURDEAU Richard, Ph.D., membre et codirecteur de recherche M. MABILLEAU Philippe, Ph.D., membre

2 UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL CONTRÔLE D ADMISSION AVEC MESURES POUR UNE MEILLEURE GESTION DES RESSOURCES DANS LES RÉSEAUX DE TROISIÈME GÉNÉRATION SANDRINE ESPOSITO 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) AVRIL 2003 c Sandrine Epoito, 2003.

3 iv À me parent, à me frère

4 v REMERCIEMENTS Je tien à remercier ma directrice de recherche, Brigitte Jaumard, dont le uivi et l aide financière prodigué ont permi l aboutiement de cette maîtrie. Ce travail a été mené en collaboration avec Ericon Reearch Canada, et j adree me remerciement à Franci Lupien et Daniel Dufour qui ont u guider no pa dan ce projet à connotation indutrielle. De plu, j adree me remerciement au profeeur Roland Malhamé qui nou a aidé durant le premier moi de la maîtrie. Je remercie également Monieur Richard Hurteau pour on aide, aini que Daniel Charbonneau pour a diponibilité et on uivi ur Opnet. Je tien à remercier tout particulièrement ma famille pour on outien de tou le intant, mon papa et ma maman qui ont toujour été là pour moi, et me frère que j adore! Un grand merci aui à mon Thoma, qui a accompagné ma vie ici, et je ne peux oublier Cathy, à la foi amie de coeur et partenaire de travail! Me remerciement vont finalement à Supélec (l École Supérieure d Electricité), mon école d origine, qui m a permi de partir à l étranger et vivre cette aventure.

5 vi RÉSUMÉ Le uccè commercial de la téléphonie mobile, le nombre croiant d uager de l Internet et l émergence de nouvelle application multimédia ont le raion eentielle de l évolution ver le réeaux de troiième génération. La 3G verra on architecture entièrement fondée ur IP afin de fournir une large variété de ervice, parmi lequel e trouvent de application multimédia temp réel et non temp réel poédant de exigence de qualité de ervice différenciée. Le réeaux cellulaire actuel ne pouvant fournir qu un ervice meilleur effort, la garantie de QdS et la getion efficace de reource ont de apect eentiel dan la conception de réeaux 3G. Dan ce mémoire, nou propoon d utilier un algorithme de contrôle d admiion baé ur le meure intégrant une politique de getion de reource adaptative afin de upporter le contrainte de QdS, notamment de délai, de application temp réel et non temp réel, tout en atteignant un taux d utiliation de reource atifaiant. Se fondant ur l etimation de la capacité CDMA multiervice dan le réeau d accè radio, et ur le propriété de la dicipline d attente équitable proportionnelle dan le réeau coeur, nou établion une architecture globale de contrôle et de déciion nouvelle. Un imulateur prototype et développé ou le logiciel de modéliation et de imulation de réeaux OPNET afin d étudier le performance du ytème pour de répartition typique de trafic dan une cellule radio. Le caractéritique pécifique de l algorithme de contrôle d admiion baé ur le meure ont analyée pui e performance comparée avec un algorithme baé ur de decripteur de trafic à priori. L étude permet aini de valider l architecture propoée qui peut alor ervir de bae pour la conception et le dimenionnement de futur réeaux 3G.

6 vii ABSTRACT The commercial ucce of mobile telephony, increaing number of Internet uer, and the emergence of new multimedia application are the major reaon behind third-generation evolution. 3G will operate on an overall IP-baed framework to provide a wide variety of ervice, among which multimedia real time and non real time application have differentiated quality of ervice requirement. Current cellular network being able to provide only a bet effort ervice, guarantee of QdS and effective reource management are thu eential apect in the deign of 3G network. In thi thei, we propoe to ue a meaurement baed admiion control algorithm integrating an adpative reource management policy in order to upport QdS contraint, like delay contraint, of real time and non real time application, while reaching a atifying utilization of reource. Baing ourelve on the etimate of multiervice CDMA capacity in the radio acce network, and on the propertie of the weighted fair queueing dicipline in the core network, we etablih a new global architecture of control and deciion. A prototype imulator i developed with the OPNET network modeling and imulation oftware to tudy the ytem performance for typical traffic ditribution within a radio cell. Specific characteritic of the meaurement baed admiion control algorithm are analyzed, then it performance are compared with a parameter-baed admiion algorithm. The tudy thu validate the propoed architecture, which can then be ued a a bai for the deign and dimenioning of future 3G network.

7 viii TABLE DES MATIÈRES DÉDICACE REMERCIEMENTS RÉSUMÉ iv v vi ABSTRACT vii TABLE DES MATIÈRES LISTE DES TABLEAUX LISTE DES FIGURES LISTE DES NOTATIONS ET DES SYMBOLES LISTE DES ANNEXES viii xii xiv xvii xx INTRODUCTION xxi 0.1 Motivation xxi 0.2 Organiation du mémoire xxii 0.3 Contribution xxiii CHAPITRE 1: ARCHITECTURE ET SERVICES DES RÉSEAUX 3G Préentation générale de réeaux de troiième génération Hitorique de ytème cellulaire Sytème cellulaire de troiième génération Le réeau cœur CDMA Architecture Mobilité IP

8 ix 1.3 Le réeau d accè radio La méthode d accè radio CDMA Contrôle de puiance en CDMA Macrodiverité en CDMA Le canaux phyique CDMA La qualité de ervice Critère de qualité de ervice Clae de ervice différenciée et priorité d uager Modèle à intégration de ervice pour le réeau cœur Implémenter la qualité de ervice Garantie de délai Le contrôle d admiion dan le ytème CDMA du réeau radio Le contrôle d admiion dan le réeau cœur Contrôle d admiion pour le ervice garanti Contrôle d admiion pour le ervice tatitique Contrôle d admiion pour le ervice prédictif Concluion CHAPITRE 2: EVALUATION DE LA CAPACITÉ RADIO CDMA Etimation de la capacité CDMA dan la littérature Modèle d évaluation de la capacité ur le lien montant Hypothèe Définition de paramètre Mie en équation du modèle an oft handover Equation avec oft handover Modèle d évaluation de la capacité ur le lien decendant Hypothèe Définition de paramètre Mie en équation du modèle an oft handover

9 x Equation avec oft handover Validation de équation de capacité Valeur numérique de paramètre utilié Analye de équation Influence du rayon de la cellule dan le en decendant Influence du type de trafic Concluion CHAPITRE 3: CONTRÔLE D ADMISSION POUR LES RÉSEAUX 3G Contexte d admiion Modéliation du réeau Filtrage du trafic et dicipline d ordonnancement dan le réeau cœur Reource ur l interface radio Compoante du délai bout en bout Garantie de délai et de bande paante Spécification de QdS Contrôle d admiion pour du ervice garanti Notation Vérification de reource diponible Réervation et allocation de reource Renégociation de QdS Contrôle d admiion baé ur le meure Le proceu de meure Spécification de QdS Vérification de reource diponible Réervation et allocation de reource Libération de reource Algorithme d admiion mbcac Concluion

10 xi CHAPITRE 4: RÉSULTATS Decription du imulateur Réeau imulé Modèle de trafic Paramètre de configuration annexe Le différent ca d étude Scénario (A) Scénario (B) Validation de performance Etude et performance de l algorithme MBCAC en fonction de paramètre de meure Phénomène de blocage Taux d occupation à la tation de bae Garantie de QdS Etude comparative avec la procédure CAC Phénomène de blocage Taux d occupation à la tation de bae Garantie de QdS Aide au dimenionnement Concluion CONCLUSION RÉFÉRENCES

11 xii LISTE DES TABLEAUX 1.1 Caratéritique d accè radio de principaux ytème cellulaire de deuxième génération. VD: voie decendante, VM: voie montante, QPSK: quadrature phae hift keying, GMSK: gauian minimum hift keying Caratéritique de technologie d accè radio de cdma2000 et de l UMTS (VD:voie decendante, VM: voie montante) Le 4 clae de ervice définie par 3GPP Hiérarchiation relative de eion uivant le type d application et la priorité de l uager Comparaion de différent mbcac Le équation de capacité radio dan la littérature Paramètre de équation de capacité radio rab par type d application Le différente répartition de trafic Exigence de QdS d une eion faiant une requête au réeau Decripteur de trafic Seion d uager Standard audio recommandé par l UIT Standard vidéo principaux Paramètre de configuration de application type dan le imulateur Paramètre de exigence de QdS de application dan le imulateur Paramètre pour le réeau cœur Configuration de paramètre radio Capacité utiliée par chaque type de eion Paramètre de configuration de profil de trafic pour le cénario (A)

12 xiii 4.10 Paramètre de configuration de profil de trafic pour le cénario (B) Taux d utiliation comparé pour le cénario A et B en fonction de paramètre de meure Capacité du ytème dan le en decendant Taux d utiliation comparé pour le cénario A et B ou le procédure cac1 et mbcac I.1 γ dl (en db) en fonction de fer dl et R dl I.2 γ ul (en db) en fonction de ferul et R ul

13 xiv LISTE DES FIGURES 1.1 Schéma implifié d un réeau de téléphonie mobile Réeaux cœur enviagé et leur interconnexion avec le réeaux d accè radio cdma2000 et UMTS Architecture du réeau cdma2000 à commutation de paquet ou IP mobile Le différente technique d accè multiple Différent type d accè multiple à partir de la technique OFDM Etalement de pectre par équence directe Principe du oft handover dan un ytème CDMA Architecture d un nœud Integrated Service Protocole de réervation RSVP Ordonnanceur à iolation de flux Token Bucket Caractériation d un trafic Courbe d arrivée et de ervice Configuration de cellule an oft handover Configuration de cellule avec oft handover Influence du rayon Géométrie de cellule Influence du type de trafic Architecture du réeau modélié Modéliation de file d attente Délai de tranmiion radio Compoante du délai d un paquet tranmi ur le réeau cœur Evolution du débit alloué à la eion lor de a période d activité [0,t) Mécanime de meure

14 xv 3.7 Peudo-code de l algorithme de meure Algorithme mbcac en montant Algorithme mbcac en decendant Topologie de l environnement imulé Succeion temporelle de profil de trafic Succeion temporelle de eion pour un profil de trafic conidéré Quantité de trafic pour le cénario (A) Profil de trafic pour le cénario (A) Quantité de trafic pour le cénario (B) Profil de trafic pour le cénario (B) Taux de blocage globaux obtenu pour 5 équence de imulation elon le cénario A avec la procédure cac1 et elon le cénario B avec la procédure mbcac NdS globaux en fonction de paramètre de meure pour le cénario A et B Taux d utiliation de la capacité diponible à la BS en fonction de paramètre de meure pour le cénario A et B Ditribution cumulative de la répartition du délai bout en bout pour le application Voice Gold et DB Gold en fonction de paramètre de meure Meure du trafic DB dan le en decendant en fonction de paramètre de meure NdS globaux, uivant le profil d uager et le type d application, pour le cénario A ou le procédure cac1 et mbcac NdS globaux, uivant le profil d uager et le type d application, pour le cénario B ou le procédure cac1 et mbcac Taux d utiliation de la capacité diponible à la BS pour le cénario A et B ou le procédure cac1 et mbcac Ditribution cumulative de la répartition du délai bout en bout pour le application Voice Gold et DB Gold ou le procédure cac1 et mbcac

15 xvi 4.17 Taux de blocage en fonction du rayon de la cellule pour le cénario B ou la procédure mbcac II.1 Schéma de cellule pour le calcul de coefficient d atténuation III.1 Protocole de répétition élective IV.1 Algorithme cac0 en montant IV.2 Algorithme cac0 en decendant IV.3 Algorithme cac1 en montant IV.4 Algorithme cac1 en decendant

16 xvii LISTE DES NOTATIONS ET DES SYMBOLES 3G : Third Generation Cellular Mobile Sytem AAA : Authentifiaction, Autorization, and Accounting AMPS : Advanced Mobile Phone Service ANSI : American National Standard Intitute ARQ : Automatic Requet for Retranmiion BBRR: Bit by Bit Round Robin BE : Bet Effort BS : Station de Bae BSC : Contrôleur de Station de Bae CAC : Call Admiion Control CDMA : Code Diviion Multiple Acce CDG : CDMA Development Group CN : Core Network DL : Downlink DS : Direct Spread FER : Frame Error Rate FIFO : Firt In, Firt Out FA : Foreign Agent FCH : Fundamental CHannel FDD : Frequency Diviion Duplex FDMA : Frequency Diviion Multiple Acce FQ : Fair Queueing GPS : Generalized Proceor Sharing GSM : Global Sytem for Mobile Communication

17 xviii HA : Home Agent IETF : Internet Engineering Tak Force IMT : International Mobile Telecommunication IntServ : Integrated Service IP : Internet Protocol ISP : Internet Service Provider MBCAC : Meaurement-Baed Admiion Control MC : Multi-Carrier NdS : Niveau de ervice OFDM : Orthogonal Frequency Diviion Multiplexing PCF : Packet Control Function PDSN : Packet Data Serving Node PGPS : Packet by Packet Generalized Proceor Sharing PN : Peudorandom Noie PPP : Point to Point Protocol QdS : Qualité de Service RAB : Radio Acce Bearer RN : Radio Network RNIS : Réeau Numérique Intégré de Service RPPS: Rate Proportional Proceor Sharing RRC : Radio Reource Control RSPEC : Reource SPECification RSVP : Reource reservation etup Protocol SCH : Supplemental CHannel SIR : Signal to Interference Ratio SMS : Short Meage Service SRP : Protocole de Répétition Sélective

18 xix TDD : Time Diviion Duplex TDMA : Time Diviion Multiple Acce TIA : Telecommunication Indutry Aociation TSPEC : Traffic SPECification UIT : Union Internationale de Télécommunication UL : UpLink UMTS : Univeral Mobile Telecommunication Sytem VoIP : Voix ur IP WFQ : Weighted Fair Queuing

19 xx LISTE DES ANNEXES Annexe I: E b N t requi en fonction du RAB alloué I.1 Abaque pour le en decendant I.2 Abaque pour le en montant Annexe II: Calcul de coefficient d atténuation pour le formule de capacité radio dan le en decendant II.1 Modèle de propagation II.2 Calcul de coefficient E[a m,0] et E[ a m,0 a m,i ] II.3 Calcul de coefficient a m,0 et a m,i Annexe III: Le mécanime de retranmiion de l ARQ III.1 Stop and wait III.2 Go-back-N III.3 Répétition élective Annexe IV: Le algorithme d admiion CAC0 et CAC

20 xxi INTRODUCTION 0.1 Motivation L eence de la technologie de troiième génération et une combinaion entre la tranmiion de donnée par paquet, un réeau fondé entièrement ur le protocole IP (Internet Protocol) et une nouvelle interface radio baée ur la technologie cdma2000 (pour l Amérique du Nord). Le défi de cette nouvelle ère de communication mobile et de pouvoir accéder à de ervice multimédia en tout lieu et en tout temp. Le réeaux cellulaire de troiième génération ont aini le point de convergence entre troi ecteur principaux de technologie de l information: le application multimédia, l Internet et l informatique mobile. L Internet actuel appuie ur un protocole non orienté connexion et ne fournit qu un ervice au mieux (bet-effort), c et-à-dire qu aucune garantie d aucune orte n et faite ur le ervice offert, autre que l engagement du réeau à faire du mieux qu il peut pour amener le paquet à detination. Ce type de ervice était adapté pour le application du début de l Internet, telle que la navigation ou FTP, qui n exigent qu un tranport fiable de donnée an contrainte temporelle et peuvent donc accepter de grande variation de délai et compener le perte éventuelle par de retranmiion. Cependant, le développement de l Internet a ucité la création de nouveaux type d application, multimédia, qui ont de contrainte de type temp réel et ont beoin de garantie de délai et de débit, néceitant une tranmiion de paquet uivant un mode orienté connexion. En particulier, ce application ont beoin de haut débit de tranmiion et exigent de contrainte de délai tricte. Enfin, cette nouvelle demande de ervice repréente également un défi pour l interface radio qui doit pouvoir maintenir de haut débit et une garantie de qualité de ervice ur le lien radio qui ont peu fiable. La troiième génération de mobile utilie aini la technique de multiplexage CDMA qui permet d augmenter la capacité de cellule radio et de propoer de débit diverifié.

21 xxii Le caractéritique pécifique à chaque domaine rendent donc difficile la mie en place de réeaux de communication multimédia mobile. De nouveaux mécanime doivent être employé afin de différencier le ervice et fournir la qualité de ervice exigée. Il agit notamment d utilier la réervation de reource, de politique d ordonnancement de paquet adéquat, et une politique de contrôle d admiion tricte doit être mie en place ur l enemble du réeau. Notre étude e donne aini pour objectif de développer une politique de contrôle d admiion pour un réeau de troiième génération à contrainte de ervice différenciée. Le contrôle d admiion e fait dan le contexte d un réeau à commutation de paquet, et le déciion d admiion ou de rejet e font indépendemment pour chaque flot en entrée du réeau (réeau cœur ou réeau d accè radio). Nou propoon une politique d admiion adpatative qui réévalue le reource allouée aux flot déjà admi dan le réeau, pui nou y ajouton un algorithme de meure afin de bénéficier d un gain en terme d utiliation de la bande paante. L impact de algorithme ur la performance du ytème et enuite étudié. 0.2 Organiation du mémoire Le chapitre 1 préente le contexte de réeaux de troiième génération. La technique d accè radio CDMA y et décrite en vue d étudier le mécanime influençant la capacité d une cellule radio. La dicipline d ordonnancement WFQ uceptible d être déployée dan le nœud du réeau cœur et également étudiée afin d obtenir une relation entre le reource diponible et la garantie de QdS offerte dan le réeau. Le chapitre 2 propoe une nouvelle etimation de la capacité radio cdma2000 pour le en montant et le en decendant dan un contexte multiervice. Le formule obtenue ont enuite validée numériquement. Le chapitre 3 définit la politique de contrôle d admiion bout en bout développée à partir de formule de capacité radio élaborée au chapitre précédent d une part, et de propriété de la dicipline WFQ ur le nœud du réeau cœur d autre part. Il préente d abord un algorithme baé ur de decripteur de trafic à priori pui celui à bae de meure.

22 xxiii Le chapitre 4 préente le différente expérimentation menée afin de déterminer le caractéritique de l algorithme de contrôle d admiion à bae de meure, pui de le comparer à un algorithme baé ur de decripteur de trafic à priori. De imulation montrent également l utiliation poible de l algorithme d admiion pour effectuer du dimenionnement radio. Enfin une concluion et apportée quant à l enemble de réultat obtenu, et le amélioration enviageable de l algorithme d admiion ont évoquée. 0.3 Contribution Dan le cadre de notre étude, no développement ont apporté: une etimation de reource radio néceaire à la atifaction de exigence de QdS de eion, une procédure de contrôle d admiion bout en bout prenant en compte à la foi l admiion dan le réeau cœur et le réeau radio, une politique de contrôle d admiion à bae de meure adaptative, uceptible de prévenir l apparition du phénomène de congetion dan une cellule radio et de privilégier le eion de priorité élevée par rapport aux eion de priorité faible lor de l admiion, un imulateur prototype pour l évaluation de performance relative à la conception et au dimenionnement de futur réeaux de troiième génération.

23 1 CHAPITRE 1 ARCHITECTURE ET SERVICES DES RÉSEAUX 3G 1.1 Préentation générale de réeaux de troiième génération Le ytème cellulaire de téléphonie mobile actuel et leur évolution ont préenté dan cette ection afin de pouvoir e repérer parmi le différent ytème exitant. Le pécificité de ytème cellulaire de troiième génération ont enuite analyée Hitorique de ytème cellulaire L évolution de ytème cellulaire et claée en troi grand groupe: la première génération qui a démarré à la fin de année 1970 et qui exite encore de no jour; la deuxième génération qui a fait e début dan le année 1990 et qui continue à e développer; et enfin, le ytème de troiième génération dont le premier déploiement commerciaux ont prévu en ce début de iècle. D un point de vue commercial, on aite à la fin de la première génération de ytème cellulaire aui appelé ytème analogique et la deuxième génération compoée de ytème dit numérique et en plein eor. Mai la deuxième génération et victime de on uccè, car le nombre d abonné ne cee de croître et le réultat et une aturation du pectre de fréquence. Le ytème de première génération ont été le premier à exploiter le concept de la téléphonie cellulaire développé par le laboratoire Bell en collaboration avec quelque indutriel américain dan le année Ce ytème ont la particularité d utilier la modulation en fréquence (qui et de type analogique) et uniquement la méthode d accè multiple par répartition de fréquence (FDMA, voir la ection ). C et le ytème américain AMPS (Advanced Mobile Phone Service), introduit en 1983, qui et conidéré comme l exemple le plu repréentatif de cette première génération. En terme de ervice, ce ytème propoaient de la voix qui était tranmie ou forme analogique, avec une efficacité pectrale aez médiocre.

24 2 Le ytème de deuxième génération ont profité de développement technologique réalié dan le domaine de compoant radiofréquence et de dipoitif de traitement numérique du ignal. A la différence de ytème de première génération, le ytème de deuxième génération utilient de technique numérique de codage de la parole et la modulation et elle aui numérique. De plu, ce ytème ont été conçu pour propoer non eulement de la voix mai aui d autre ervice tel que l envoi de meage (SMS pour Short Meage Service), le fax et l accè à de réeaux haut débit tel que l Internet et le RNIS (Réeau numérique Intégré de Service). Le tableau 1.1 décrit le caractéritique technique radio de ytème cellulaire actuel de deuxième génération en Europe et aux Etat-Uni. Tab. 1.1 Caratéritique d accè radio de principaux ytème cellulaire de deuxième génération. VD: voie decendante, VM: voie montante, QPSK: quadrature phae hift keying, GMSK: gauian minimum hift keying Standard IS-95 GSM (cdmaone) Pay d origine Etat-Uni Europe Lancement commercial Technique d accè multiple FDMA/CDMA FDMA/TDMA Spectre de fréquence (VD) (VM) (VD) (VM) (MHz) (VD) (VM) (VD) (VM) (VD) (VM) Mode de duplexage FDD FDD Séparation entre porteue 1250kHz 200kHz Type de modulation QPSK GMSK Le référence technique donnée dan cette ection ont préciée dan l ouvrage de Sanchez [1] Sytème cellulaire de troiième génération La troiième génération un enemble de technologie développée dan le but de faire évoluer le ytème cellulaire actuel de deuxième génération, tant en terme de capacité et de couverture, que de variété et de qualité de ervice. Le mobile de troiième génération ne tranporteront pa eulement de la voix, il eront de véritable terminaux multimédia capable d offrir imultanément de ervice de tranmiion de donnée, d audio et de vidéo en

25 3 tout lieu et à tout moment. C et en terme de ervice que la troiième génération e démarque urtout de la deuxième génération. D une part la 3G autorie de débit de trammiion plu élevé, d autre part il et poible dan la 3G d établir et de maintenir pluieur connexion imultanément avec la poibilité de négocier le type de trafic et e caractéritique de manière dynamique, ce qui et apprécié pour offrir de ervice multimédia. Afin de comprendre l évolution de réeaux cellulaire ver la troiième génération, nou devon décrire brièvement le élément qui le compoent. On oberve, ur la figure 1.1, qu un réeau de téléphonie mobile et contitué de terminaux mobile, d un réeau d accè radio RN (radio network) et d un réeau de cœur CN (core network). Le réeau cœur et celui qui et en charge de l acheminement de communication ver le réeaux fixe tel que le réeau public de téléphonie fixe, le réeau Internet, etc. Enfin, le rôle du réeau d accè radio et d acheminer l information depui le terminal mobile juqu au réeau cœur. Réeau de téléphonie mobile Réeau d accè radio Réeau coeur Réeau téléphonique fixe Fig. 1.1 Schéma implifié d un réeau de téléphonie mobile Le réeaux d accè radio de troiième génération L UIT (Union Internationale de Télécommunication), organime chargé de réglementer le différent tandard de télécommunication au niveau mondial, a voulu mettre ur pied un tandard unique et international de ytème cellulaire de troiième génération. Cette norme unique fut déignée par le igle IMT-2000 (pour International Mobile Telecommunication 2000 ). Le problème et qu en 1998, quinze technologie d accè radio ont été propoée à l UIT

26 4 par le organime de tandardiation de différent pay membre. Finalement, l IMT-2000 ne couvrira pa un eul ytème cellulaire mai un enemble de ytème de troiième génération. Nou nou intéreon dan ce mémoire uniquement au ytème cdma2000 (Etat-Uni), tout en le ituant par rapport au tandard UMTS (Europe). Il exite ix technologie d accè radio terretre ayant le label IMT-2000, dont le technologie UTRA/FDD et UTRA/TDD que regroupe l UMTS, et la technologie de cdma2000. La technologie cdma2000 (ou IS-2000) a été outenue par le conortium CDG (CDMA Development Group) dan le cadre de l évolution de l IS-95 ver la troiième génération. Elle offre la poibilité d utilier une ou pluieur porteue à l aide de la méthode d accè MC- CDMA (voir ection ). Aini, l évolution du cdmaone (ou IS-95) ver la troiième génération e fera en deux phae: dan la première, le cdma2000, appelé cdma2000 phae 1 ou cdma2000 1X, era capable d offrir, à l aide d une eule porteue avec une bande de 1.25 MHz, de débit allant juqu à 144 kbp. Il era directement compatible avec le cdmaone. Dan une deuxième phae, le cdma2000 phae2 ou cdma2000 3X, permettra, à l aide de troi porteue avec une bande de MHz, d atteindre un débit de 2 Mbp. La principale imilitude technique entre le cdma2000 et le technologie de l UMTS et l utiliation du CDMA comme mode d accè (voir ection ). On remarque cependant que le cdma2000 fait appel à la modulation multiporteue dan la voie decendante (juqu à douze porteue imultanément), ce qui avère particulièrement utile pour garder de la compatibilité avec le cdmaone. Un travail d harmoniation entre le cdma2000 et l UMTS et en cour et à l avenir, ce deux ytème eront capable de réalier une procédure d itinérance (roaming) entre eux (cdma2000 ver UMTS et vice vera). Le paramètre technique ur lequel repoent le technologie d accè radio de troiième génération de l UMTS et de cdma2000 ont préenté dan le tableau 1.2. Agréé par l UIT, le réeaux d accè 3G doivent atifaire le caractéritique technique uivante: ervice à haut débit. Minimum 144 kbp dan tout type d environnement et 2 Mbp dan le environnement intérieur et avec une mobilité retreinte;

27 5 Tab. 1.2 Caratéritique de technologie d accè radio de cdma2000 et de l UMTS (VD:voie decendante, VM: voie montante). Standard cdma2000 UMTS Pay d origine Etat-Uni Europe Technologie d accè radio cdma2000 UTRA/FDD UTRA/TDD ou WCDMA Technique d accè multiple CDMA(VM) CDMA TDMA et CDMA MC-CDMA(VD) Mode de duplexage FDD FDD TDD Séparation entre porteue N 1.25 MHz 5 MHz 5 MHz où N=1,3,6,9,12 Synchroniation entre Synchrone Aynchrone Synchrone tation de bae (Synchrone optionnelle) Durée d une trame (m) 5,10,20,40, Type de modulation BPSK(VM) BPSK(VM) QPSK de donnée QPSK(VD) QPSK(VD) Site avec le pécification html/pec/index.cfm pec/pec.htm pec/pec.htm tranmiion de donnée de manière ymétrique et aymétrique. Dan une tranmiion ymétrique, le débit de la voie montante (du terminal mobile ver le réeau fixe) et égal à celui de la voie decendante (du réeau fixe ver le terminal mobile). Au contraire, dan une communication aymétrique, le débit dan le deux voie et différent; ervice à commutation de paquet pour la tranmiion de donnée, et commutation de circuit pour la tranmiion de la voix; qualité de la parole comparable à celle de réeaux câblé; capacité et efficacité pectrale upérieure à celle de ytème cellulaire actuel de deuxième génération; poibilité d offrir de ervice multimédia lor d une même connexion et avec de qualité de ervice différente (débit, taux d erreur, délai de tranfert...) pour le différent type de média (voix, audio, donnée...); compatibilité avec le réeaux d accè radio de deuxième génération; itinérance (roaming) entre le différent ytème de troiième génération.

28 Le réeaux cœur de ytème de troiième génération La figure 1.2 repréente le troi réeaux de cœur poible actuellement enviagé pour le ytème de troiième génération IMT On voit que le réeaux de cœur utilié actuellement dan la deuxième génération eront également employé dan la troiième génération ou une forme évoluée: aini ce réeaux cœur appuient ur le protocole GSM/MAP (en Europe) et l ANSI-41 (aux Etat-Uni). Cependant il et quetion d adopter plu tard un réeau cœur entièrement IP (Internet Protocol), ce qui facilitera le roaming entre le différent ytème de troiième génération. UMTS UTRA/FDD et UTRA/TDD CDMA2000 GSM/MAP évolué ANSI-41 évolué Réeau coeur entièrement IP Fig. 1.2 Réeaux cœur enviagé et leur interconnexion avec le réeaux d accè radio cdma2000 et UMTS 1.2 Le réeau cœur CDMA Architecture Le réeau cœur interconnecte le réeaux périphérique. Il peut être le réeau d un ISP (Internet Service Provider) ou le réeau interne d une entreprie. Il appartient à un domaine d adminitration dan lequel et définie une politique de Qualité de Service (QdS) qui era mie en œuvre dan le routeur. Ce réeau et contitué de routeur de cœur dont la fonction et de router le paquet en fonction de information de Qualité de Service qu il contiennent. Contrairement aux ytème précédent, le réeau cœur de ytème de troiième génération verra on architecture complètement baée ur la commutation de paquet uivant le

29 7 protocole IP, avec le protocole VoIP pour la voix. L architecture de ce futur réeau cœur à commutation de paquet et décrite par le tandard IS-835-B [2] de l organime américain TIA (Telecommunication Indutry Aociation). Cette norme repoe ur le RFC 2002 [3] de l IETF (pour Internet Engineering Tak Force). La figure 1.3 repréente l architecture du réeau cdma2000 propoé dan cette norme. mobile réeau SS7 VLR HLR AAA Station de bae PDSN réeau IP de l opérateur réeau externe Station de bae BSC HA Station de bae BSC Réeau radio RN Réeau coeur CN Fig. 1.3 Architecture du réeau cdma2000 à commutation de paquet ou IP mobile Le élément important dan l architecture du réeau ont le uivant: BSC (Bae Station Controler). Le BSC et un élément du réeau contenant deux compoant logique: la fonction de contrôle de paquet (PCF pour Packet Control Function) et le contrôle de reource radio (RRC pour Radio Reource Control). Le PCF et en charge de l établiement, du maintien et de la fin d une connexion avec le PDSN. Il communique également avec le RRC afin de gérer le reource radio pour la tranmiion ur le lien radio. Lor d un oft handover avec un BSC relié à une autre tation de bae, le PCF tranfert e information au nouveau PCF pour l établiement d une nouvelle tranmiion de paquet ver le PDSN. Le RRC quant à lui gère le reource radio pour chaque uager, en maintenant le tranfert de paquet entre le terminal mobile et le PCF. PDSN (Packet Data Serving Node). Le PDSN intègre beaucoup de fonctionalité. Il et en charge du routage de paquet ver le réeau IP ou directement ver le HA (Home

30 8 Agent). Il affecte également le adree IP dynamique et maintient le lien PPP (Point to Point Protocol) ver le terminaux mobile. Il tranfert ver le erveur AAA le donnée d identification propre de l abonné. En retour le PDSN reçoit du AAA le paramètre du profil de l uager (ervice différencié et écurité). Le PDSN peut aui jouer le rôle de FA (Foreign Agent) pour la mobilité IP. AAA (Authentification, Autorization and Accounting). Le erveur AAA contient le information relative aux abonné néceaire à l identification et à la définition de paramètre d une eion uager. Il permet aui de fournir le indice de tarification collecté par le nœud PDSN pour l uager conidéré Mobilité IP Le concept de mobilité IP a été développé dan le RFC 2002 [3] et contitue le fondement de l architecture du réeau cœur décrite dan la ection précédente. L adree IP d un nœud identifie le point d accè au réeau et et utiliée par le tratégie de routage pour accéder au nœud. Or, un nœud mobile, par définition, change de point d accè et il ne peut donc pa avoir une adree fixe. Aini on donne au nœud un identificateur valable dan tout le réeau et on établit une correpondance entre l adree et l identificateur. D autre part, il faut pouvoir maintenir le connexion de l hôte mobile lor de on déplacement et cela de façon complètement tranparente pour le application et l utiliateur. Un nœud mobile peut être adreé de deux façon: - en utiliant on adree maion (home addre), adree IP permanente indépendante de la localiation courante du nœud mobile; l adree maion et relative au ou-réeau IP maion (d appartenance) du nœud mobile; - en utiliant on adree mobile (care-of addre), adree IP temporaire dépendante de la localiation courante du nœud mobile; l adree mobile et relative au ou-réeau IP de raccordement du nœud mobile; cette adree mobile peut être obtenue par de mécanime d autoconfiguration d adree. On intéree au ca où le nœud mobile n et pa raccordé à on réeau maion. Un

31 9 émetteur peut envoyer de paquet au nœud mobile oit directement en utiliant l adree mobile, il la connaît, oit indirectement en utiliant l adree maion. En effet, le nœud mobile et toujour acceible par on adree maion. Quand un nœud mobile quitte le réeau maion pour être rattaché à un réeau étranger (foreign network), il obtient d abord une adree mobile et prévient enuite un routeur du réeau maion du changement (déclaration de poition). Ce routeur appelle agent maion HA (home agent) du nœud mobile. L agent maion doit maintenir pour chaque nœud mobile enregitré une entrée dan une table de correpondance (home addre care-of addre). Cette entrée contient l adree mobile (care-of addre), un numéro d identification et une durée de vie de la correpondance. L émetteur connaît l adree maion du nœud mobile. Il émet on paquet à cette adree. L agent maion intercepte ce paquet, conulte a table, détermine la localiation du nœud mobile, et reroute alor le paquet ver le nœud mobile. Le nœud mobile aperçoit alor que le paquet n a pa été envoyé directement par l émetteur et lui envoie un paquet de mie à jour de a table de correpondance. L émetteur connaît aini l adree mobile et va l utilier pour e prochain paquet. 1.3 Le réeau d accè radio Le technique principale utiliée dan le réeau d accè radio ont décrite dan cette ection, comme cela et détaillé dan l ouvrage de Sanchez [1] et de Holma et Tokala [4] La méthode d accè radio CDMA Rappel ur le méthode d accè multiple Le concept d accè multiple et le fondement de tout ytème radio mobile. Il agit de partager un enemble limité de canaux de communication, de telle orte que pluieur utiliateur puient y avoir accè pour communiquer imultanément. Un canal et donc une portion de cet enemble qui et alloué temporairement à un utiliateur pour a communication. Il et donc important de rentabilier au maximum cette reource, et dan cet objectif de nouvelle

32 10 technique d accè multiple ont mie au point afin d accroître la capacité et la couverture de ytème cellulaire tout en préervant la qualité de ervice. D abord on rappelle que toute technique d accè multiple et aortie d un type particulier de duplexage permettant l échange d information entre le mobile et la tation de bae. Un ytème de communication bidirectionnel grâce auquel on peut tranmettre et recevoir de information imultanément et appelé ytème full-duplex (le plu fréquent). Parmi le méthode de type full-duplex, on ditingue le technique de duplexage en fréquence (FDD pour Frequency Diviion Duplex) et celle qui effectuent ce duplexage dan le temp (TDD pour Time Diviion Duplex). Le mode FDD utilie deux bande de fréquence indépendante (l une pour tranmettre et l autre pour recevoir imultanément). Dan le mode TDD, on tranmet et on reçoit ur la même bande de fréquence mai à de intant différent. La première technique d accè multiple et l accè multiple par répartition de fréquence (FDMA pour Frequency Diviion Multiple Acce). En FDMA, on alloue à chaque utiliateur une bande fréquence unique, comme le montre la figure 1.4.a (i le mode de duplexage et FDD alor on alloue en réalité deux bande de fréquence: l une pour tranmettre et l autre pour recevoir). Lorqu un uager ouhaite établir une communication, on ignal et modulé par une fréquence porteue qui lui et propre. Aini la reource radio élémentaire dan un ytème FDMA et une largeur pectrale finie. La deuxième technique d accè multiple utiliée et l accè multiple par répartition dan le temp (TDMA pour Time Diviion Multiple Acce). En TDMA, une même bande de fréquence et partagée par un certain nombre d utiliateur qui e voient attribuer un intervalle (ou lot) de temp unique, comme le montre la figure 1.4.b. Le TDMA et ouvent utilié combiné avec le FDMA car il permet d augmenter la capacité d un ytème FDMA en appliquant du TDMA ur chacune de fréquence porteue. La dernière technique d accè multiple et l accè multiple par répartition de code, appelée CDMA (pour Code Diviion Multiple Acce). En CDMA, le utiliateur peuvent communiquer imultanément dan une même bande de fréquence. La ditinction entre le différent utiliateur effectue alor grâce à un code qui leur et attibué et connu excluivement par

33 11 l émetteur et le récepteur. Le principe du CDMA et repréenté dan la figure 1.4.c. Si l on conidère le ytème FDMA et TDMA, on aperçoit que leur capacité et limitée par la bande de fréquence allouée à chaque utiliateur. Dan la ection uivante on verra que la capacité d un ytème fondé ur le CDMA et limitée notamment par le niveau d interférence dan le réeau. fréquence Utiliateur 2 Utiliateur N t N Denitépectrale temp Utiliateur 2 Utiliateur N f N Denitépectrale Utiliateur N code N Denitépectrale Utiliateur 1 Utiliateur 1 fréquence Utiliateur 2 t 2 f 2 code 2 t 1 temp f 1 fréquence Utiliateur 1 code 1 temp TDMA FDMA CDMA a-par répartition de fréquence b-par répartition dan le temp c-par répartition de code Fig. 1.4 Le différente technique d accè multiple Il exite également le multiplexage par répartition ur de fréquence orthogonale (OFDM pour Orthogonal Frequency Diviion Multiplexing) qui et un ca particulier de la modulation multiporteue (MC pour Multi-Carrier). Un bloc de ymbole d information et décompoé en ou-bloc. Chaque ou-bloc et enuite tranmi ur différente ou-porteue en parallèle à un débit inférieur. Le ignaux OFDM doivent être orthogonaux, de telle orte que le ou-porteue puient e recouvrir dan un même pectre. Dan le contexte de la téléphonie cellulaire, l OFDM peut être utilié en combinaion avec d autre forme d accè multiple comme le FDMA, le TDMA et le CDMA pour donner lieu, repectivement aux ytème MC-FDMA, MC-TDMA, et MC-CDMA. Ce troi forme combinée ont repréentée dan la figure 1.5. La technique MC-CDMA a été adoptée dan le ytème de troiième génération cdma2000 (pour le en decendant) que nou allon conidéré dan ce mémoire Etalement de pectre et DS-CDMA: Principe Le CDMA et aui connu ou le nom d accè multiple par étalement de pectre. En effet, l étalement de pectre et la technique ur laquelle repoe le CDMA et qui permet à

34 12 Symbole OFDM Symbole OFDM Symbole OFDM Sou-porteue utiliateur 1 utiliateur 2 utiliateur 2 utiliateur 1 Sou-porteue utiliateur1 utiliateur2 utiliateur2 utiliateur1 Sou-porteue utiliateur 1 et utiliateur 2 temp temp temp a) MC-FDMA b) MC-TDMA c) MC-CDMA Fig. 1.5 Différent type d accè multiple à partir de la technique OFDM pluieur utiliateur d être préent imultanément ur une même bande de fréquence. Cette technique permet de tranmettre un ignal d information ur une largeur de bande pluieur foi upérieure à la largeur de bande néceaire pour tranmettre le ignal. Dan un ytème à étalement de pectre, le ignal tranmi et étalé à partir d un code indépendant du meage d information. Aprè être ynchronié avec l émetteur, le récepteur doit utilier ce même code pour déétaler le ignal et pouvoir par la uite récupérer le meage d information. Le DS-CDMA ou CDMA à équence directe et la technique d étalement la plu répandue, elle et utiliée dan le ytème de deuxième génération cdmaone actuel et era également utiliée en cdma2000. La méthode conite à multiplier le ignal binaire d information par une équence binaire peudo-aléatoire (code PN pour Peudorandom Noie) dont la fréquence de ymbole (appelé chip) et beaucoup plu élevée que la fréquence de ymbole du ignal. Cela a donc pour effet d étaler la largeur de bande du ignal. De même la puiance du ignal e retrouve répartie ur toute la nouvelle largeur de bande. Le ignal e retrouve alor noyé dan le bruit (ce bruit et contitué de toute le ource d interférence et du bruit thermique). A l arrivée, le ignal étalé et remultiplié par le même code PN. Le caractéritique particulière de code PN (notamment l orthogonalité entre eux) font que l on peut aini retrouver le ignal de départ. En effet, le ignal arrive au récepteur noyé dan le bruit et la multiplication par la équence peudo-aléatoire permet d extraire le ignal car eul le ignal qui avait été multiplié au départ par cette équence verra a largeur de bande réduite, tandi que le bruit retera étalé ur la largeur de bande totale (figure 1.6). Aini on contate que le ignal étalé réite fort bien aux interférence. C et grâce à

35 13 pectre du ignal à tranmettre pectre du ignal étalé multiplication par la équence peudo-aléatoire et modulation par la porteue 0 R f 0 W A l émetteur pectre du ignal bruité pectre du ignal recu multiplication par la même équence peudo-aléatoire Bruit thermique + interférence et extraction de la porteue 0 R ignal du mobile f 0 W Au récepteur Fig. 1.6 Etalement de pectre par équence directe cette robutee vi-à-vi de interférence que l accè multiple et poible. Cependant, même i le uager ont éparé entre eux par leur code PN repectif, une autre condition et néceaire pour aurer que le meage tranmi pourra être décodé avec un minimum d erreur: le rapport E b N t du ignal à la réception doit être uffiamment élevé. E b repréente l énergie par bit du ignal reçu (en Joule) et N t la denité pectrale du bruit (interférence+bruit thermique) (en Watt/Hz). Ce rapport et directement lié au rapport ignal à bruit ir (pour Signal to Interference Ratio) qui et le rapport de la puiance du ignal reçu ur la puiance du bruit (interférence+bruit thermique): E b N t = W R ir. On met aini en évidence un paramètre clé de tout ytème d accè radio à étalement de pectre qui et le gain de traitement (proceing gain). Ce dernier et défini comme le rapport de la largeur de bande occupée par le ignal d information aprè (largeur de bande W) et

36 14 avant (largeur de bande R) étalement. Aini, on voit que plu le rapport W R et grand (donc plu le ignal et étalé), plu on peut e permettre un rapport ignal à bruit petit tout en aurant un E b N t uffiamment élevé, d où l importance de ce gain de traitement. Il agit maintenant de précier d où proviennent le interférence. On ditingue le interférence intra-cellulaire et le interférence inter-cellulaire. Interférence intra-cellulaire. Elle repréentent l interférence mutuelle entre le utiliateur de la cellule. De code orthogonaux ont utilié à la foi dan la voie decendante et dan la voie montante, et i cette orthogonalité était préervée alor le ignaux de différent uager de la cellule eraient décorrélé entre eux et il n y aurait pa d interférence intracellulaire. Dan la voie decendante, en abence de trajet multiple, le ignaux gardent leur orthogonalité car il ont tranmi aligné dan le temp par la tation de bae: le code ont ynchronié en temp (le tation de bae repectent en effet une référence de temp unique pour tranmettre, cette référence de temp pouvant être fournie par un ytème de navigation par atellite). Dan la réalité on a toujour de trajet multiple, c et-à-dire que pluieur copie du ignal tranmi arrivent au récepteur à de intant différent. Du fait de ce trajet multiple, le code dan la voie decendante ne retent pa parfaitement orthogonaux, et on introduit donc dan ce en un facteur d orthogonalité w, w=0 correpondant à une orthogonalité parfaite et pa d interférence intra-cellulaire, w=1 correpondant au fait que tou le ignaux de la cellule interfèrent pleinement entre eux. A la différence de la voie decendante, dan la voie montante, toujour en abence de trajet multiple, le ignaux de différent utiliateur de la cellule ne retent pa orthogonaux car le utiliateur de la cellule tranmettent de façon indépendante et non ynchroniée. Aini, dan le en montant, le ignaux interfèrent pleinement avec ou an trajet multiple. Interférence inter-cellulaire. Dan le en montant, l interférence inter-cellulaire repréente le interférence due aux ignaux envoyé par le mobile de cellule voiine et qui viennent contituer du bruit upplémentaire au niveau de la réception à la tation de bae de la cellule. Dan le en decendant, l interférence inter-cellulaire repréente le interférence due aux ignaux envoyé par le tation de bae de cellule voiine et qui viennent contituer