Université Antonine Faculté des Ingénieurs en Télécommunications, Informatique, Réseaux et Multimédias.
Stage Mastère en Entreprise (SME) Discipline : Technologie Mobile 4Gpp.
Implantation du Sy stème U MTS dans l’infrastructure G SM & Intégration des infrastructures de UMTS et celle du PSTN
Etudiant :
Rabih SLIM INF867
Responsables : Dr. Joseph FARES Dr. Chady ABOU JAWDE 1
‘’ A man is what he thinks about all day long ‘’ Ralph Waldo Emerson
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Remerciements
µαριε ραψµονδ αουν A Dieu qui a accompagné ma journée avec les bon succès, et qui ma ouvert la porte pour l’espoir et la croyance que je suis capable de tous.
A l’ancien Doyen Dr. Pierre GEDEON, qui m’a beaucoup encouragé et qui ma aidé à croire que rien est impossible et au Dr. Paul GHOBRIL le Doyen actuel qui stimule notre esprit scientifique et n’arrête pas à nous inspirer tout en nous traitant comme des fils et des frères et avec une humilité incroyable.
A l’association de tous les enseignants surtout les enseignants de l’option Télécommunications, Internet et réseau qui nous ont inspiré beaucoup et donné la majorité de leur temps pour que nous puisse profiter le mieux de la spécialité OTR, je cite certainement Dr. Joseph FARES qui ma offert l’opportunité de faire ce stage durant l’été.
A l’Ingénieur et l’ami Wadih Aleco HABIB (UPA ALUMNI) qui ma offert l’opportunité de travailler avec lui pour la compagnie TELESTEEL qui installe les équipements de la technologie 3G pour la compagnie MTC client de HUAWEI.
A mes parents Antoine & Thérèse SLIM et mes frères l’Ingénieur civil Ramy SLIM, et Joseph SLIM que je souhaite le bonheur et le succès permanent, en plus j’aime remercier mon cousin Georges SLIM et sa femme Rita Aziz SLIM, A l’Abbé Hanna SLIM (R.I.P), à mon oncle Joseph SLIM et sa femme Claudine ASMAR,+XGD6/,0 Dr. Rima SLIM, et au Dr. Damian KATTAR…, sans vous la traverséede cette longue journée était beaucoup plus difficile.
J’aimerai aussi remercier en plein cœur Marie R. AOUN pour avoir me donner le plaisir de sa rencontre, la joie d’entendre sa voix douce, un grand motif et de l’inspiration, ainsi mes amis Mr. Tony FARES, Elie SOUEIDY, Rabih HALLAGE, Mike Bou MADI… pour leur support et leur encouragement. 3
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Table de matières INTRODUCTION………………………………………...……………………………………..7 Problématique……………………………………………………………………………………..8 I- ETUDE THEORIQUE I-1. Problèmes de la Communication mobile et leurs solutions…………………………..9 I-2. Théories de la Propagation des Ondes……………………………………………….15 I-3. Réseau GSM……………………………………………………………………...….19 I-3.a. Base Station Subsystem (BSS)…………………………………………….22 I-3.b. Network Switching Subsystem (NSS)…………………………………….26 I-3.c. Operation and Maintenance Subsystem OSS……………………….……..29 I-3.d. GSM Network Areas ou GSMNA……………………………………..….30 I-3.e. la Station Mobile ou Mobile Station (MS)………………………………...31 I-3.f. Les identités et Codes des souscriptions dans GSM……………………….37 I-3.g. Les interfaces ouvertes du BSS……………………………………………39 I-3.h. Les canaux Logiques de contrôle ou Logical Control Channels…………..47 I-3.i. Enregistrement, Authentification et mise à jour de la position………….…49 I-3.j. Hand Over dans GSM…………………………………………………..….51 I-3.k. Avantages et Inconvénients du GSM…………………………………...…56 II- ETUDE PRATIQUE ET APPLICATION II-1. Réseau GPRS (Global Packet Radio Service)……………………………………...57 II-1.a. GPRS et Commutation de paquets…………………………………..……57 II-1.b Allocation dynamique et partage des ressources………………………….58 II-1.c Mode d’accès, débit de transfert et taxation…………………………….…58 II-1.d Codage et Qualité de Service (QoS)……………………………...……….59 II-1.e Infrastructure et Contextes GPRS………………………………….……...59 II-2 Réseau UMTS (Universal Mobile Telecom System)………………………….….…62 II-2.1 Modes d’opération (FDD/TDD)……………………………………..……63 II-2.2 Architecture du réseau UMTS…………………………………………….64 II-2.3 Code Division Multiple Access (CDMA)…………………………….…...67 II-2.4 Hand Over dans UMTS ……………………………………………...…...71 II-3.A. Planification des sites UMTS………………………………………………...…..72 II-3.B. Ingénierie des sites UMTS ………………………………………………………74 II-3.1.Guide sur les Antennes RF…………………..…………………………....75 II-3.2. Mise en place et réglage des paramètres pour Antenne RF………………78 II-3.3. Mise en place et réglage des paramètres pour le MICROWAVE…………84 II-3.4. câblage pour les antennes pour les antennes RF et IF…………………....87 II-3.5. Installation du NodeB ou BTS dans GSM………………………………..91 II-3.5.a. caractéristiques du NodeB ou BTS3900……………….……….94 II-3.5.b. unité de Bande de Base ou BBU………………………………..94 5
II-3.5.c. RF/WRFU ou unité de filtrage Radio pour WCDMA……….98 II-3.5.d. FAN UNIT ou unité de ventilation……………………………..99 II-4. Quelques difficultés rencontrées dans ce projet…………………………………...101 II-5. Intégration des infrastructures, Conclusion et Perspectives pour l’avenir………...102 III- Références…………………………………………………………………………………104 IV- Listes des images………………………………………………………………………….108 V- Resumé /Abstract …………………………………………………………………….........110
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INTRODUCTION Due à l’avancement des technologies mobiles les systèmes cellulaires sont entrain d’être convertis de la 2ème génération qui a été déployée au liban durant les années 90, vers la 3ème génération puis la 4ème génération qui est entrain d’être étudiée pour un développement futur. La 2ème génération mobile est une technologie efficace mais elle présente beaucoup de problèmes dont on cite : pour la capacité celle de la 2G est limitée par la distance de réutilisation des fréquences qui est au moins 4 cellules, ce qui est due au problème d’interférence, par contre pour la technologie 3G plusieurs cellules voisines peuvent utiliser la même fréquence et l’interférence ne présente plus un problème tout en augmentant la capacité du réseau. le débit maximal atteint par les mobiles dans un réseau 2G est de 9.6 kbps, par contre pour le réseau 3G le débit est 200 fois beaucoup plus grand soit de 1.8 Mbps. du au partage des ressources chaque bande de fréquence dans la 2G est subdivisée à 7 intervalles de temps ou Time Slots, dont chaque TS est alloué à un appel unique ce qui limite le débit, mais pour le 3G tous les utilisateurs peuvent utiliser dans une zone la même fréquence, l’équipement mobile est identifié selon le code et non pas selon sa position spatio-temporelle. L’évanouissement multivoie présente un problème sérieux pour la technologie 2G en provoquant l’atténuation et parfois la perte du signal reçu, mais dans 3G l’équipement de l’utilisateur utilise les signaux parvenant des différentes utilisateurs pour construire un signal plus optimal et plus fort. Pour ce qui concerne le HandOver, le basculement d’une cellule de service vers une autre cellule nécessite un changement de fréquence dans 2G, mais pour 3G le Hand Over reste en connexion avec la cellule source et les autres cellules voisines utilisant la même fréquence et accumule leurs divers signaux pour maintenir une connexion permanente tout en appliquant un changement imperceptible de la cellule. Enfin le GSM 2G supporte par défaut la transmission de la voix en mode circuit, mais la technologie 3G implémente la mode circuit pour la voix et la commutation en mode paquet pour les données avec des débits de transmission à haute vitesse. [1][2][3][4][5][6][7]
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• Problématique En faite la technologie UMTS (3G) va être une extension du GSM traditionnel déjà installé au Liban alors la problématique s’impose durant l’intégration de ces 2 nouveaux technologies en laissant les antennes et quelques matériels de la 2G intactes tout en effectuant des changements majeurs
et importantes aux équipements des sites et en installant des nouveaux antennes
sectoriels et liens pour supporter la transmission de données. Dans ce projet on va parler des aspects théoriques et pratiques des 2 technologies 2G et 3G, on va ensuite détailler les procédures de planification et d’installation de la nouvelle technologie UMTS (3G) qui va prendre place comme une extension de la 2G , puis la 2ème chose d’intérêt est d’étudier le moyen d’intégration entre les 2 infrastructures Mobile et Téléphone fixe (4G), afin de permettre au trafic de données dans une cellule à capacité engorgée d’utiliser l’infrastructure du téléphone fixe (FTTH) pour circuler vers une autre voie du faisceau hertzien vers l’abonné, ceci va poser le problème d’installations des équipements capables de convertir le codage et l’encodage des paquets entre les 2 réseaux de nature différentes, on note aussi les paquets dédiés vers le même équipement dans la voie descendante ‘’Downlink’’ peuvent circuler ou bien sur l’infrastructure FTTH, ou bien être transmise vers une autre cellule différente recouvrant la même zone de service de l’équipement mobile.
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I- ETUDE THEORIQUE Avant de se plonger dans les détails pratiques concernant l’installation et la planification d’un réseau mobile, on doit au premier expliquer comment a débuté le réseau mobile surtout pour la technologie de la 2ème génération qui a eu lieu au Liban, ses caractéristiques, ses avantages et ses inconvénients, en plus on parle un peu du GPRS qui a commencé à évoluer cette technologie, ensuite on commence à parler théoriquement aussi de la nouvelle technologie 3G (UMTS), qui a révolutionné le principe de la communication mobile en bouleversant les conventionalités de la communication sans fil, par une nouvelle approche tout en citant les avancements de la communication par paquets qui essaient de remplacer totalement la commutation par mode circuit, en transformant les équipements à des terminaux identifiés par leur IP et se bénéficiant des techniques de routage pour assurer une transmission des données et de la voix plus adéquate et à des hautes vitesses.
I-1. Problèmes de la Communication mobile et leurs solutions I-1.a. Atténuation et perte de route : La perte de route prendra lieu souvent lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur devient très grande que le signal ne sera plus perceptible par les 2 partenaires de la communication, d’autre part une cause majeur de cette perte peut être l’atténuation provoquée par les objets ambiants, et les zones couvertes d’arbres ou bien des bâtiments, dans ce cas pour éviter la rupture de la connexion, l’appareil mobile se communiquant doit être transférée vers une autre cellule de service plus atteignable. Pour l’atténuation on cite aussi l’atténuation du signal dans les câbles coaxiaux alimentant les antennes sectorielles à cause de leur grande longueur ou bien d’une mal installation.[8] au dessous on calcule la puissance reçue Pr en fonction de la puissance transmise Pt et la constante K, et on remarque qu’elle est inversement proportionnelle à la distance entre émetteur et récepteur d.
[9] 9
I-1.b. Affaiblissement multivoie : L’affaiblissement multivoie aura lieu lorsque le signal se propageant de la source se réfléchit sur plusieurs obstacles avec des angles différents, et les obstacles étant ou bien proches ou bien éloignés du destinataire, alors l’appareil récepteur ne reçoit plus un signal unique, mais un ensemble des signaux en déphasage et en différence d’amplitude, cette différence de phase provoque la distorsion et l’atténuation du signal acquis par le récepteur.[9] un des types d’affaiblissements multivoies est le Rayleigh Fading, ceci est caractérisé par une réflexion de l’onde sur des obstacles proches du récepteur alors les ondes arrivent uniquement avec une différence de phase. pour résoudre le problème d’affaiblissement multivoie on installe une antenne Space D iversity ou Polarization D iversity, mais le second a prouvé d’avoir une meilleure performance dans ce cas.
o Saut de Fréquence : Afin de lutter contre l’affaiblissement multivoie, on remarque que le phénomène d’évanouissement arrive pour différentes fréquences dans des différents milieux, c’est pour cela les ingénieurs ont adopté la méthode de Saut de F réquence, ca veut dire que durant la communication, le mobile et le Transciever changent les fréquences ascendantes et descendantes afin de minimiser l’évanouissement, on a 2 types de saut de fréquence, saut de fréquence lent ou Slow Frequency Hopping SFH, et le saut rapide Fast Frequency Hopping FFH, le premier type a été trouvé plus performant à cause de la réduction des intervalles de silence ou Blanking Intervals, qui risquent de provoquer une perte d’informations dans le IT ou Burst, et qui recommande la fonctionnalité de corrélation pour reconnaitre le signal par les 2 points se communiquant. [10] Afin d’assurer une bonne synchronisation, un oscillateur de Crystal doit être embarqué dans l’appareil mobile. Le saut de fréquence est effectif surtout pour des débits de transfert relativement petits, le changement de fréquences se fait d’une manière pseudo-aléatoire ce qui rend la communication plus sécurisée et immune contre le parasitage ou Jamming. Favorable surtout dans les applications militaires.[11]
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Figure I.1 Affaiblissement Multivoie
I-1.c. Atténuation par obstruction: L’atténuation du signal par obstruction, aura lieu lorsque l’appareil mobile se déplace entre des obstacles comme les collines, les arbres ou bien les bâtiments, ceci provoque un ensemble d’évanouissements brusques et brefs du signal ce qu’on appelle Fading Dips.
Figure I.2 Obstruction et Reflexion
o Space Diversity : Pour lutter contre ce problème on devra installer une antenne Space Diversity, qui travaille avec 2 émetteurs au lieu d’1 seul, c’est du fait que la probabilité qu’un Fading Dip, attaque les 2 antennes en même temps est très minime, un autre avantage est d’avoir une redondance de transmission alors si une antenne tombe en panne l’autre restant en fonctionnant nous assure une continuité de transmission, ce qui est crucial pour une antenne servant un Back Bone. On note que l’espacement des 2 antennes doit être λ/2, alors pour le GSM 1800 MHZ, on a l’avantage de raccourcir la distance entre les 2 antennes mais l’inconvénient est l’occupation d’espace et le risque de destruction durant les orages d’hiver.[12]
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o Polarization Diversity : Un autre type d’antennes est le Polarization Diversity, ce type est formé d’une antenne unique a taille modérée et caractérisé par une double polarisation, on note que la polarisation défini le plan dans lequel vibre le vecteur du champ électrique E, pour cette antenne les 2 plans forment un angle de 90 degré, cette antenne aussi réduit l’espace exigée et double la capacité d’une cellule, le gain additionnel apporté par le Space Diversity, par rapport a ce type est négligeable, mais en cas d’une panne la transmission se rompt dans la zone de sa couverture. Les antennes à diversité de polarisation sont effectives pour l’affaiblissement multivoie (voire b. A ffaiblissement Multivoie) mais ils présentent des problèmes concernant l’intermodulation quand la capacité devient surchargée.[12]
Figure I.3 Space Diversity Figure I.4 Polarization Diversity
I-1.d. Alignement du temps: Chaque station mobile est allouée dans le système GSM et durant un appel deux bandes de fréquences une pour la voie ascendante et l’autre pour la voie descendante ‘’Uplink e t Downlink’’ et chaque fréquence accommode 8 intervalles de temps ou Time Slots TS, et un appel occupe une tranche horaire unique ou un seul intervalle de temps, alors chaque paire de fréquences peut servir 8 communications simultanément. Durant un appel le Burst ou le bloc d’informations consacré pour la communication entre 2 terminaux doit arriver pendant le temps réservé pour occuper son exacte tranche horaire, le problème d’alignement de temps survient quand le signal prend une plus longue durée dépassant son temps réservé avant d’atteindre la 12
station mobile et s’interfère avec un autre signal dans une tranche horaire dédiée à une autre communication.[13]
o Avancement du Temps (Time Advance) : Afin de remédier le problème d’alignement des intervalles de temps, le mobile envoie vers la station une pulsation contenant la date d’émission, à la réception la station BTS, compare le temps de réception à celui d’émission vis au résultat de calcul la station prévoie que les informations risquent de ne pas atteindre la tranche horaire dédiée à la communication alors le mobile sera forcé de transmettre plus tôt, de cette manière le bloc d’informations sera reçu dans son domaine temporel correcte.[14]
I-1.e. Dispersion du temps: Ce problème arrive lorsque le signal prévenant de la station émetteur-récepteur BTS, se réfléchit sur des obstacles proches de la station mobile et arrive en plusieurs versions, ceci provoque l’interférence des bits, le mobile n’arrive pas à discriminer les bits qui sont erronés de ceux qui sont correctes. Ce problème persiste plus dans un réseau GSM que dans un réseau UMTS, parce que le dernier possède l’avantage d’un râteau ou Rake Receiver, implémenté dans l’appareil mobile qui permet de discriminer les divers signaux par des versions retardés du code de régénération (on va parler sur les détails dans les parties qui suivent). D’autre part les recherches dans [15] ont démontré que si la station mobile est très éloignée du BTS et même si la grande distance provoque l’atténuation du signal mais elle engendre des pauvres conditions pour avoir une dispersion du temps, en revanche le signal sera réfléchie sur des obstacles plus éloignés et ils seront très atténués d’une manière à subsidier l’interférence lorsqu’ils se rencontrent au point d’acquisition, mais les antennes intelligents directives embarquées dans les mobiles peuvent raboutir à cette causalité en amplifiant ce signal. Pour corriger les bits erronés :
o Egalisation Adaptive (Adaptive Equalization) : Afin de corriger les erreurs dues au problème de dispersion, le BTS ordre le mobile d’ajouter une séquence de bits appelée séquence de trainage, on note que l’ensemble de séquences est connu simultanément au mobile et à la station émetteur-récepteur, à l’arrivée des bits si des erreurs ont 13
eu lieu dans la séquence on suppose que la distorsion a affecté simultanément la séquence et les informations utiles, en utilisant un Viterbi E qualizer, et tout en prenant avantage de notre connaissance de ce qui a arrivé à la séquence on pourra estimer quels bits d’informations utiles ont été affectés et alors rectifier les erreurs. Puisqu’on parle d’une estimation cette solution n’est pas précise à 100% mais elle nous apporte un résultat satisfaisant.
I-1.f. Atténuations à multi-causes: Souvent la perte et la déformation des données arrivent à causes multiples simultanément, dont on a cité déjà, alors plusieurs solutions doivent s’exécuter ensemble pour reconstruire le signal, on note que le niveau de réception doit être toujours supérieur ou égal à un niveau seuil appelé niveau de sensibilité du récepteur sinon, la transmission risque d’être perdue.
o Correction des erreurs de Transmission : A cause des plusieurs raisons cités déjà les bits transmis dans le faisceau hertzien peuvent devenir perdus ou erronés, c’est pour cela la communication mobile utilise des mécanismes afin de retrouver les informations.
Codage du Canal : utilise la méthode de calcul de redondance cyclique ou CRC, cette méthode est efficace pour la correction d’1 seul bit, mais seule elle est inadéquate car les erreurs peuvent avoir lieu pour une longue durée comme durant une chute de puissance pendant l’évanouissement, pour cela elle doit être implémentée avec un autre mécanisme appelé Interleaving.[17]
Interleaving : Cette méthode relocalise séparément les bits de chaque intervalle de temps afin d’éviter un grand taux de perte durant l’évanouissement, en éloignant la position temporelle des bits correspondante à chaque Burst, ou bloc d’informations elle emploie une détection postérieure des erreurs ou Forward Error Check FEC. Le Interleaving, ajoute une latence à la durée de transmission à cause de l’exécution d’un algorithme spécial.[16][17]
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I-2. Théories de la Propagation des Ondes Le facteur d’atténuation est très critique dans la propagation des ondes radio, le facteur qualité sur bruit (C/N) doit être acceptable d’une manière à permettre 2 bouts de se communiquer d’une manière adéquate. On va parler un peu de la théorie de propagation concernant la polarisation de l’onde, propagation libre des ondes et propagation terrestre, etc…
I-2.a. Polarisation des ondes : La polarisation définie le plan de vibration du vecteur champ électrique E, la polarisation physique de l’excitateur de l’antenne affecte la polarisation de l’onde. On cite que l’onde peut être polarisée verticalement, horizontalement ou circulairement alors que le champ électrique vibre respectivement dans un plan vertical, horizontal ou varie sur une trajectoire circulaire. Si dans une vibration circulaire l’amplitude varie alors la polarisation devient elliptique.[18]
Figure I.5: Polarisation des Ondes
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I-2.b. Propagation libre et dans l’espace: La propagation libre est primordiale surtout pour les ondes dans les bandes millimétriques et centimétriques UHF et VHF, pour permettre une communication sans rupture surtout pour les liens micro-ondes utilisés pour alimenter les sites de communication mobile. Pour ce type de connectivité, et surtout que le faisceau d’onde est subdivisé en plusieurs zones appelées zones de Fresnel, la première zone doit être dégagée de tout obstacle pour avoir une transmission sans perte en faite cette zone renferme 80% de la puissance totale rayonnée. Surtout que pour ces hautes fréquences même les obstacles minimes présentent des sérieux problèmes d’absorption.
Figure I.6: zone de Fresnel
Figure I.7: calcul de la zone de Fresnel
Pour trouver la zone de Fresnel, les 2 antennes S et P sont les 2 antennes en lien directe, l’équation de la zone de Fresnel est donnée par MS+MP=λ/2 SP+
pour un point M
quelconque sur la lobe. On parle aussi de la visibilité optique entre les 2 antennes qui est même limitée à cause de l’arrondissement de la terre, celle-ci est alors calculée par :
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On note qu’une partie du flux rayonné sera projetée vers l’espace, alors durant son parcours et puisque l’indice de réfraction dans l’atmosphère décrois avec l’altitude, alors si la fréquence est < ou égale à la fréquence critique 36 MHZ, l’onde subit un ensemble de réfractions lui ramenant vers la terre. Sinon l’onde traverse tout l’atmosphère et ne retourne jamais c’est pour cela les communications avec satellites exigent des fréquences au-delà de 36 MHZ. Finalement on note qu’une partie des ondes se réfléchit sur la terre, et une fraction de cette partie sera même absorbée surtout si la nature du terrain est métallique, ce type d’ondes est appelé ondes terrestres. En retournant au sujet des ondes spatiales on note que les couches ionisées dans l’atmosphère jouent le rôle d’un conducteur en absorbant une partie du flux E.M. tout en la transformant en un courant local. Alors pour calculer l’intensité de cette atténuation on se serve de la formule suivante :
Avec A le coefficient de proportionnalité, N la densité des électrons, ν le nombre des collisions électroniques avec les molécules neutres par seconde,
la distance traversée
et f la fréquence. On remarque que le facteur d’absorption est inversement proportionnel au carré de la fréquence pour cela les hautes fréquences seront affectées davantage.
I-2.c. Propagation dans les objets et les obstacles: En principe pour que l’onde puisse traverser un obstacle sans atténuation il faut que la longueur d’onde λ de l’onde soit plus grande ouégale à l’épaisseur de l’obstacle. C’est pour ce raison que la propagation des ondes à hautes fréquences est beaucoup plus critique et exige une visibilité directe entre les antennes, parce-que même les feuilles d’arbres peuvent présenter un problème important. Les antennes UHF et VHF sont désormais installés sur les toits des hauts immeubles pour s’échapper à tout blocage du signal. Par contre les ondes à basses fréquences présentent l’avantage de pouvoir pénétrer les zones bâtis ou boisées. D’autre part et puisque la dimension d’un dipôle rayonnant par théorie est égale à celle d’une demi-longueur d’onde, alors les hautes fréquences
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possèdent l’avantage d’avoir des antennes à dimensions modérées et petites, au contraire des ondes myriamétriques qui servent des dimensions plus grandes. On note que pour un conducteur on parle de la notion d’épaisseur de peau ou profondeur de pénétration du vecteur champ électrique à l’intérieure d’un objet conducteur notée par δ, et elle est exprimée par la formule suivante :
[19] Avec w la pulsation, μ la perméabilité magnétique et σ la conductivité.
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I-3. Réseau GSM (Global System for Mobile communications) o Introduction à l’Architecture du Réseau Mobile : L’unité centrale et de base du système mobile est la cellule, elle est appelée ainsi le BTS ou Base Transceiver St ation, elle possède toutes les fonctionnalités de couverture radio, pour les abonnées et elle est allouée une bande de fréquences, qui ne doit pas être utilisée par des cellules voisines. La distance maximale permise entre la cellule et les abonnés est de 35 km, en d’autres termes c’est le rayon maximal de couverture que peut avoir la cellule, mais en réalité la taille de la cellule doit être ajustée selon la densité des abonnés et les caractéristiques du terrain. Alors pour une densité populaire très grande ou pour une zone bâtie ou présentant des collines, la zone de couverture d’un BTS sera relativement petite. Pour chaque communication ou appel le BTS et le mobile on besoins de 2 paires de fréquences une pour la voie ascendante Uplink, du mobile au BTS et l’autre pour la voie descendante Downlink, dans le sens inverse. La différence entre les 2 fréquences d’extremité d’une seule voie, nous donne la bande passante, alors que la différence entre la fréquence inférieure d’une voie et celle de l’autre voie ou direction est appelée distance duplex.
Figure I.8: FDMA & TDMA
Le GSM travaille simultanément sur 2 modes FDMA et TDMA, c.à.d. multiplexage fréquentiel et temporel, alors que chaque cellule est allouée un ensemble de fréquences et chaque fréquence peut servir 8 appels simultanément par distribution temporelle sur des intervalles de temps. Alors la capacité d’une cellule est égale à 8 fois le nombre de fréquences, et on obtient le taux d’appels qu’elle peut supporter. Si on a eu un engorgement de capacité, ou bien une atténuation de la 19
puissance de réception, le mobile sera transféré vers une autre cellule, cette procédure est appelée Hand-Over.
Figure I.9: Hand-Over
Chaque opérateur est donné un nombre limite de fréquences qui doit les distribuer sur toute sa zone de couverture, pour améliorer l’emploie des ressources, une même fréquence peut être utilisée plusieurs fois sur la zone de couverture de l’opérateur à condition que la distance entre 2 cellules utilisant cette même soit suffisante du fait que la proximité provoque l’interférence entre les 2 cellules alors le signal devient distordu, et ceci affecte directement la qualité des appels. La distance minime entre 2 cellules utilisant la même fréquence est appelée Distance de Réemploie de Fréquence ou Frequency Reuse Distance, dans GSM elle est au minimum égale à 4 cellules.
Figure I.10: frequency Reuse Distance - distance de réemploie de fréquences
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o Introduction aux interfaces : Le GSM est subdivisé aux 3 sous systèmes indépendants et interconnectés ensemble par le moyen des interfaces, c’est du fait que le GSM est un système non centralisé, alors par exemple les informations de taxation concernant un appel téléphonique dirigé par un BTS restent dans le BSC Base Station Controler, lié à ce BTS. Alors en bref les sous systèmes sont :
Network Sub System (NSS) : responsable essentiellement du routage et localisation de l’abonné.
Base Station Sub System (BSS) : gestion des ressources et couverture radio.
Operation and Maintenance Sub Sy stem (OMS) : Administration et Maintenance du réseau.
Les interfaces sont les suivantes :
A-Interface entre NSS et BSS
Air Interface ou Um-Interface entre le BTS et la station mobile.
On note que ces interfaces sont ouvertes pour permettre à l’opérateur la possibilité d’implémenter des produits provenant de différents fournisseurs.
Figure I.11: Interfaces BSS et GSM
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I-3.a. Base Station Subsystem (BSS) Le BSS est constitué des éléments suivants : o Le TransCoder TC o Le Base Station Controler BSC o Le Base Transceiver Station BTS
I-3.a.1 Base Transceiver Station BTS: Le BTS correspond à l’ensemble d’émetteurs Récepteurs ou Transceivers, et les antennes généralement le BTS est placé au centre d’une cellule, plusieurs BTS peuvent être contrôlés par un seul BSC, mais chaque BTS couvre une seule cellule et l’interface qui relie le BTS au BSC est appelée le A-Bis interface. La taille d’une cellule est définie par la puissance d’émission du BTS, le nombre des Transceivers dans un BTS peut être ajusté de 1 jusqu'à 16 selon la densité des abonnés dans une région. Donc les fonctionnalités principales du BTS sont :
o Modulation du signal provenant de l’antenne micro-onde, et dans le GSM la modulation utilisée est le GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). o Cryptage des communications, et multiplexage temporel et fréquentiel. o Alimentation des antennes RF au moyen des Feeders. o Transcodage et adaptation du débit. o Synchronisation de la fréquence durant le Frequency Hopping, et de l’intervalle du temps Time Slot TS durant l’avancement du temps, ou Time Advancing. o Echantillonnage de la voix par Full Rate ou Half-Rate Codec. o Décodage, décryptage et égalisation des signaux reçus. o Détection d’accès aléatoire. o Mesures des rapports de puissance concernant les canaux de la voix ascendante.
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Figure I.12: BTS
Cell ID, Location Area ID LA et Zone de couverture d’un BTS :
La cellule est la zone couverte par un seul BTS, elle est en faite affecté d’une identité qui la discrimine des autres cellules du réseau, cette identité est le CGI ou Cell G lobal I dentity, ou bien identité globale de la cellule. La taille de la cellule dépend de la puissance utilisée, la forme de couverture dépend du type d’antenne utilisé. Le CGI est une identité essentielle pour localiser l’abonné, mais on définit aussi le Location Area LA, qui est une zone couverte par un seul ou plusieurs BTS tous gérés par le même MSC, dans le cas où un abonné est appelé il est indispensable que le MSC sache sur qu’elle LA se trouve l’abonné pour qu’il puisse diffuser la signalisation de l’appel au moyen du canal correspondant qui est le PCH ou Paging C hannel. Le LA est temporairement mis à jour et dans le cas ou la station mobile change sa position cette procédure est appelée Location Update, elle est uniquement produite si la station mobile est libre, Idle c.-à-d. lorsque l’abonné a une couverture radio et il est inscrit dans le réseau mais il n’est pas engagé dans un appel. Pour les zones de couverture, le BTS n’est pas le centre exact de la cellule que lorsqu’on parle d’une cellule omnidirectionnelle, ce type n’est utilisé que dans les zones à faible densité 23
de population. Par contre dans les villes et les zones trop peuplées on est besoin des antennes sectorielles et le BTS dans ce cas alimente simultanément trois secteurs par 3 antennes installées sur le même niveau et chacun servant 120 degré de couverture avec 360 degré en totalité. De même pour ces régions quelques zones s’échappent parfois de l’émission et seront considérées comme zones noires ou de silence radio, alors pour les servir d’une manière adéquate on utilise aussi des antennes omnidirectionnelles. Pour les autoroutes surtout que les abonnés se déplacent rapidement, 2 antennes seront installées formant un angle 180 degré pour éviter les Hand-Over successifs.
Figure I.13: Zones de couverture
Les différentes zones de couverture sont subdivisées selon leur taille : o Pico-Cellule : limitée par des blocs d’immeubles situés en voisinage, ou bien l’intérieur d’1 seul bâtiment. Pour la couverture locale et surtout lorsqu’on a relativement un grand nombre d’abonnés dans une région géographique très petite, la puissance de rayonnement est minime. o Microcellule : limitée par une zone urbaine ou une ville, la distance de couverture est de 300m jusqu'à 1 km, pour un ensemble des immeubles situés en voisinage. La puissance de rayonnement est de quelques watts. o Macro cellule: étalée vers les zones suburbaines, par conséquent la puissance d’émission est relativement grande, ce type est généralement installé sur les toits des immeubles pour une large couverture, la puissance moyenne est de 10 w environ. o Et globale qui est couverte par un satellite et non plus par un BTS. [20][21] 24
I-3.a.2 Base Station Controller BSC: Le BSC assure le contrôle et la gestion des ressources radio pour 1 BTS ou plusieurs BTS, il est l’intermédiaire de communication entre le Mobile St ation et le MSC, il convertit le débit de la voix de 13 kbps utilisé sur le lien radio vers 64 kbps compatible avec le réseau fixe PSTN ou Public Switched Telephony Network, le BSC quand même a pour rôle de gérer le Hand-Over entre 2 cellules sous son contrôle. Durant un appel il contrôle et surveille la puissance de transmission entre BSS et la station mobile, en plus il alloue des ressources comme un canal pour le trafic de la voix et ainsi un intervalle de temps dans ce canal sera dédié pour une communication spécifique. Lorsque l’appel est terminé le BSC libère les ressources, en général c’est un commutateur à haute capacité. Le BSC se communique au MSC par l’A-ter Interface. D’autres fonctionnalités sont :
o Réallocation des fréquences pour les BTS o Gestion et mesure de puissance des BTS o Mesure de délai des signaux provenant des stations mobile pour bien affecter l’avancement du temps pour le IT o Fournir une interface pour le OMC ou Operation and Maintenance Center. o Contrôle du saut de fréquences pour lutter contre le Rayleigh Fading.[20]
I-3.a.3 Transcodeur TC: Le transcodeur ou Transcoder, convertit le débit de la voix parvenant du PSTN ou du MSC en général de 64 kbps vers 16 kbps adaptable pour une modulation efficace sur le UM ou Air Interface, inversement les bits parvenant du BTS et dirigés vers le MSC seront convertis du 64 kbps vers 16 kbps.
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I-3.b. Network Switching Subsystem (NSS): Le NSS comme on a déjà mentionné a pour but principal, le routage des appels, alors la voix et les données commutés en mode circuit, seront dirigés vers un autre abonné se trouvant vers le même réseau mobile ou bien sur un autre réseau si nécessaire. Le NSS assure la localisation des abonnés, leur authentification ainsi que la sécurité des données. Ces taches seront accomplies en se servant de plusieurs unités attachées au NSS, et qui sont : o MSC ou Mobile services Switching Center. o HLR ou Home Location Register. o VLR ou Visitor Location Register. o AUC ou AUthentication Center. o EIR ou Equipment Identity Register.
Figure I.14: NSS
I-3.b.1. Mobile services Switching Center MSC: Le MSC assure la commutation digitale des appels entre abonnés sur réseau mobile ou fixe, ou bien même sur les 2 réseaux. Les données traitées par le Transcodeur arrivent au MSC à travers l’A-Interface. Alors les fonctionnalités principales du MSC sont les suivantes : o Routage et commutation des données et de la voix. o Contrôle et maintenance des appels. 26
o Envoie des signalisations pour les registres connectées pour la taxation et l’authentification. o Le GMSC ou Gateway-MSC, a pour but de router les appels vers un abonné inscrit dans un autre réseau mobile ou dans un réseau PSTN, en inspectant la base de données HLR ou Home L ocation R egister. Il suffit pour un MSC ordinaire d’intégrer le logiciel convenable pour qu’il puisse se comporter comme un GMSC. o Pour bien assurer la surveillance, l’authentification et la sécurité, des abonnés et des données le MSC se servit d’un ensemble de registres
I-3.b.2. AUthentication Center AUC: L’AUC contient les informations concernant les souscriptions dans GSM, alors il fournit les informations d’authentification, de cryptage et la clé contenue dans le SIM CARD de l’abonné. Il assure alors le cryptage des communications, pour sécuriser confidentiellement chaque abonné et protéger le réseau contre les fraudes et les accès non autorisés. Pout permettre un abonné d’utiliser le réseau il compare l’information enregistrée dans le Subscriber Identity Module ou le SIM, avec celle sauvegardée dans son propre registre, si les 2 informations sont compatibles il aura un accès au réseau, si par exemple le SIM est volé alors la souscription sera désactivée. L’AUC est une module connectée à la base de donnée HLR et elle la fournit des informations d’authentification et les clés de chiffre ou Cyphering Keys. [24]
I-3.b.3. Equipment Identity Register EIR: L’EIR est une base de données contenant les informations sur la station mobile, en faite chaque équipement est identifié internationalement par une identité unique appelée IMEI (International M obile E quipment Identity), cette base de donnée est indispensable pour la sécurité des équipements mobile, elle permet d’identifier un équipement volé et dans ce cas il sera bloqué. On a 3 couleurs chacun indique l’état de la station mobile d’une manière différente : o Gris : l’équipement est suivi. 27
o Noir : l’Equipment en question est bloqué, (en cas de vol par exemple). o Blanc : l’Equipment est valide et opérable. o Le registre EIR est optionnel dans le réseau GSM, et on note que le blocage de l’équipement n’est pas lié au blocage du SIM. [25]
I-3.b.4. Home Location Register HLR: Le HLR base de données contenant toutes les informations de souscription d’un abonné, elle est connectée au MSC et peut être intégrée ou bien installée comme une unité indépendante. Lorsque le MSC détecte un abonné dans une zone de couverture cette base de données est interrogée pour l’acquisition des informations nécessaires pour l’établissement, la réception ou la terminaison d’un appel. Le HLR se communique au VLR les informations nécessaires pour que ce dernier puisse établir un profil temporaire contenant des données comme la position actuelle du mobile. Si le mobile est dans le Home Area, en d’autres mots dans la même zone du MSC, alors le MSC contacte le HLR pour établir l’appel, s’il est dans une autre zone (Roaming) le MSC collecte les informations appropriées du Serving V LR, ou bien le Visitor Location Register, contrôlant la Location Area, dans laquelle se trouve l’abonné. Le profil d’un abonné dans le HLR comprend, l’identité de l’abonné, l’information de localisation, les services supplémentaires et l’information de l’authentification. •
On cite quelques caractéristiques du HLR [26] : o Extensibilité et qui est la possibilité d’ajouter des autres modules HLR, lorsque la capacité de l’une est excédée. o Support pour le Back-Up des données, tolérance des fautes et fiabilité. o Compatibilité avec différents types de réseau comme le réseau UMTS. o Bonne performance, et une récupération rapide des informations. o Capacité à enregistrer les données pour une authentification efficace.
28
I-3.b.5. Visitor Location Register VLR: Le VLR est une base de donnée intégrée avec le MSC, elle sauvegarde temporairement les informations de souscription d’un abonné actif sur le réseau. Le VLR établit un profil temporaire des souscriptions des abonnés se trouvant actuellement dans le Location Area, appartenant à une zone servie par ce même MSC. Pour faire ceci le VLR interroge la base de données HLR pour recueillir les informations sur un abonné qui a entré dans la zone de service du MSC, et par la suite il garde une copie des informations se trouvant dans le HLR et il met à jour l’information de localisation par un Location Update. De même le VLR informe le HLR de la nouvelle position de l’abonné. Après cette procédure le VLR peut commencer à servir les appels entrant et sortant du client.[22][23][26] Afin de pouvoir router l’appel à l’abonné la zone de service du MSC/VLR est aussi enregistrée dans le HLR, si le mobile se déplace vers un Location Area différent mais contrôlé par le même MSC/VLR la mise à jour se fait sur le même MSC, si le mobile se déplace vers une autre zone MSC/VLR différente alors la mise à jour se fait dans le réseau cœur.
I-3.c. Operation and Maintenance Subsystem OSS: A pour rôle essentiel, la gestion et l’administration du réseau et la récupération des fautes et des erreurs, il est formé de 2 éléments principaux : o Operation and Maintenance Center OMC. o Network Management Center NMC.
I-3.c.1. Operation and Maintenance Center: L’OMC est le centre de surveillance et de gestion de tout le réseau GSM, il assure les fonctionnalités suivantes : o La mise à jour et/ou bien l’installation du logiciel approprié lors de l’implémentation d’un nouvel élément dans le BSS.
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o Gestion des pilotes des matériels, configuration des équipements, affectation des nouvelles valeurs pour les paramètres d’opération des équipements, comme par exemple la variation de la fréquence de rayonnement d’une antenne, ou bien le changement de l’angle de couverture d’un secteur. o Contrôle et correction des erreurs et des fautes, et gestion des alarmes.
I-3.c.2. Network Management Center NMC: Le NMC assure le contrôle de la performance et la surveillance de la qualité du service dans le réseau, les données collectées par les logiciels du NMC servent à détecter et analyser les problèmes survenant dans la transmission et les connexions. Le NMC rempli les taches suivantes : o Détection de saturation de la capacité dans une zone de service du réseau. o Surveillance de la qualité des appels, et calcul du ratio de rupture des appels, ou Dropped Call Rate ce phénomène prend place lorsque le mobile n’arrive plus à trouver le TS dédié à lui. o Evaluation statistique du temps d’élimination des erreurs et des fautes.
I-3.d. GSM Network Areas ou GSMNA: Afin de faciliter la localisation d’un abonné dans un réseau, la zone de couverture d’un opérateur GSM est subdivisée en plusieurs zones de l’extérieur vers l’intérieur, on commence à citer la plus grande zone générale qui est le PLMN ou Public Land Mobile Network, qui est l’espace de couverture de l’opérateur, jusqu'à la plus petite zone où se situe l’abonné exactement et qui est la cellule. o Zone de service PLMN : c’est la zone de couverture d’un seul opérateur, et qui peut contenir plusieurs MSCs.
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o Zone de s ervice MSC/VLR : c’est une zone contrôlée par un seul MSC, qui en son tour est connecté à plusieurs BSC et chaque BSC contrôlant un ensemble de cellules, Le MSC peut être atteint à l’aide du VLR connecté à lui. o Location Area LA: c’est un groupe de cellules contrôlées par un ou plusieurs BSC, chaque Location Area possède sa propre identité nommée Location Area Identity ou (LAI) . o La Cellule ou Cell-ID : c’est la zone qui est géographiquement inscrite dans toute les zones qui précèdent, sa couverture se fait par un BTS, chaque cellule est identifiée uniquement par un CGI ou Cell Global Identity. [27]
I-3.e. la Station Mobile ou Mobile Station (MS) : L’architecture de l’équipement mobile est composée de : o Un microprocesseur programmé pour contrôler la puissance d’émission, exécuter un ensemble de calculs et gérer les ressources et la mémoire… aussi il se communique avec le BSC pour bien gérer l’opération du Hand-Over. o Un amplificateur de puissance qui est presque la seule module devant nécessairement être analogique et non pas numérique. o Un émetteur et récepteur ou TRX (Transceiver). o Une Antenne (actuellement micro-ruban grâce à la croissance des technologies Hyperfréquences).[28]
La station mobile intègre des équipements et des logiciels supportant la communication de la voix et ainsi des données. Le logiciel a pour but d’améliorer la qualité de la voix et de la transmission, il prend en conscience que le mobile utilise en même temps une puissance suffisante mais légèrement faible surtout que le faisceau électromagnétique risque de provoquer des tumeurs cancéreuses.
En GSM la station mobile est formée de 4 composants principaux : 31
o Mobile Terminal (MT) : qui offre des programmes de support qui peuvent être utilisés par n’importe quel service offert par la station, il est équivalent à un terminal sur l’extrémité d’un réseau ou End Point. o Terminal E quipment ( TE) : c’est un dispositif de périphérie et il offre des fonctionnalités à l’utilisateur hors des spécifications et des services du GSM. o Terminal Adapter (TA) : il a pour but de masquer les paramètres radio et leurs caractéristiques hors de la vision de l’utilisateur. o SIM-Card o u Subs criber I dentity M odule : qui est une bande magnétique contenant une mémoire pour la liste des contacts, et des numéros d’identité comme l’adresse numérique de la souscription, et le BSIC ou Base St ation Identity C ode, qui est le numéro identificateur de l’opérateur avec lequel l’abonné travaille. Chaque équipement possède ainsi un nombre unique international appelé IMEI ou International Mobile Equipment Identity.[29] Les fonctionnalités principales du mobile sont les suivantes : •
Gestion des canaux radio.
•
Gestion de la mobilité.
•
Control du flux de données.
•
Protection contre les erreurs sur l’interface UM.
•
Modulation et codage de la voix.
•
Etablissement des rapports de mesure pour le lien radio.[30]
I-3.e.1. Subscriber Identity Module (SIM): Le SIM-CARD est un module indispensable pour l’inscription de l’abonné dans le réseau, il est caractérisé par un numéro identificateur unique et une fois le mobile est allumé l’utilisateur est identifié dans le réseau grâce à ce numéro. Le SIM contient aussi un numéro appelé BSIC ou Base Station Identity Code, qui identifie l’opérateur qui fournit le service, alors cette identité sauvegardée sur la carte sera comparée avec celle envoyée par le BTS. Le SIM est transparent à la station mobile et travaille indépendamment de elle 32
ceci garantit une flexibilité et possibilité d’utilisation de cette carte avec n’importe quelle appareil, ainsi la désactivation du SIM n’implique pas le blocage du mobile et vice versa.
Le SIM sauvegarde les informations suivantes : •
ICCD : c’est l’identification internationale du circuit intégré du SIM ainsi l’identification unique du compte de l’abonné. Elle est formée des sous parties suivantes. o Issuer Identification Number IIN (7 digits)
Identificateur de l’industrie MII.
Code du pays ou Country Code CC
Identification du délivrateur.
o Individual A ccount I dentification : c’est l’identification unique du compte ayant un nombre de chiffres variable. o Nombre d e c alcul d e s équence : calculé en utilisant l’algorithme de Luhn. •
IMSI o u I nternational M obile Subs criber I dentity : C’est un numéro qui distingue l’abonné non pas uniquement par son adresse numérique mais encore il le discrimine par le code d’opérateur chez qui la souscription se trouve. IMSI est formé des blocs suivants : o Mobile C ountry Code M CC : qui est l’identité du pays dans lequel se trouve le fournisseur du service. o Mobile Network Code MNC : qui est l’identité de l’opérateur du réseau. o Identificateur de l’abonné : formé généralement de 10 chiffres.
•
Authentication K ey K i : utilisé dans le processus d’authentification de l’utilisateur dans le réseau, il assure la fonctionnalité de cryptage pour sécuriser le compte.
•
LAI : le SIM sauvegarde l’état du réseau et la position actuelle de l’abonné à l’aide du Location Area Identity LAI, si le mobile est remis à 0, alors il consulte 33
la dernière LAI sauvegardée récemment sur la carte SIM, au lieu de perdre le temps à rechercher toute la liste de fréquences pour retrouver l’information. •
Mémoire pour les messages SMS, Advice of Charge et les Contacts : le SIM a pourtant la capacité de sauvegarder la liste des contacts et ainsi les messages courts SMS, ce qui donne l’avantage à sécuriser des informations critiques séparément de la station mobile et si cette dernière tombe en panne ces informations ne seront pas perdus.[31][32][33]
Figure I.15: SIM - Card
I-3.e.2. Contrôle de puissance (Mobile Station MS): Afin de maintenir une transmission adéquate, la puissance d’émission de la station mobile et celle du BTS doit être continuellement ajustée. Alors le mobile et même le BTS sont recommandés d’opérer sur une puissance minimale et en même temps suffisante pour maintenir une connexion permanente jusqu'à fermeture de la session. C’est pour cela on définit 5 classes de puissance c.-à-d. 5 niveaux sur lesquels oscille l’émetteur de la station mobile, et leurs valeurs sont 0.8, 2, 5, 8 et 20 watts. Chaque pas de variation du gain est de 2 dB, et l’équipement est censé de minimiser le rayonnement lorsque les interférences persistent, et inversement de lui augmenter quand l’amplitude du signal reçu de la part du BTS tombe au dessous du niveau de sensibilité critique. L’unité du réseau qui prend en charge la décision de varier la puissance entre mobile et BTS est le BSC,
34
c’est pour cela le mobile mesure toujours l’intensité du signal, et la qualité (à l’aide du BER ou Bit Error Rate) et communique ces informations au BSC. [34][35]
I-3.e.3 Power Saving Methods ou M éthodes d’économisation d’ énergie (MS): A coté du contrôle de puissance, on a d’autres méthodes de minimisation de la consommation de la batterie dans l’appareil mobile d’une part et l’intérêt principal dans les systèmes cellulaires est la minimisation de l’interférence entre 2 stations mobiles utilisant la même fréquence dans 2 cellules distantes d’autre part. On a 2 méthodes principales et on cite la transmission discontinue DTX et la réception discontinue DRX :
I-3.e.3.a Discontinuous Transmission DTX: Statistiquement parlant, le temps moyen d’utilisation du Traffic Channel ou TCH qui est le canal transmettant le trafic de la voix, est 40% donc on a 60% du temps dans lequel l’émetteur est actif sans envoyer du payload ce qui provoque d’une part un gaspillage inutile de la puissance de la batterie et d’autre part une interférence non nécessaire aux abonnés travaillant sur la même fréquence dans des cellules éloignées. Afin de prendre avantage des durées de silence le DTX, éteint l’émetteur du mobile quand l’utilisateur n’est pas entrain d’envoyer de la parole et le rallume ailleurs, il utilise une fonction appelée VAD ou Voice Activity Detection, qui a pour but de détecter si un signal sonore efficace excite le micro. Due à la nature digitale du GSM la période de silence et l’éteinte de l’émetteur doit nécessairement déclencher dans le récepteur un trou de silence ou Stop Gap qui a pour but d’analyser puis régénérer le bruit qui a été entendu avant l’éteinte, ce bruit est entendu par le 2ème partenaire de la communication pour qu’il s’assure que la connexion n’a pas été interrompue. La VAD exécute une tache critique, elle doit distinguer entre le bruit externe et la voix qui représente les données utiles, si la parole est mal interprétée comme du bruit l’émetteur s’éteint soudainement et brusquement en écrêtant le discours d’une manière agaçante ce qu’on appelle Clipping, d’autre part si le bruit est fréquemment considéré comme de la voix le DTX ne va plus accomplir efficacement sa mission.[36] 35
Figure I.16: DTX
I-3.e.3.b Discontinuous Reception DRX: Comme on a vu déjà la station mobile utilise une paire de fréquence pour transmettre la voix, mais en faite chaque paire de fréquence supporte 8 appels simultanément chacun dans un seul intervalle de temps appelé encore Physical Channel, donc la station mobile est censée d’écouter uniquement le canal physique dédié à sa propre communication, pour cela la station entre dans un Sleep Mode, durant les autres intervalles où la consommation énergétique de la batterie reste presque nulle.
Figure I.17: DRX
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I-3.f. Les identités et Codes des souscriptions dans GSM : Pour identifier l’abonné sur les différentes interfaces ouvertes dans GSM, différents codes sont utilisés, chacun concerne le besoin d’atteindre l’abonné à l’aide d’une méthode de recherche hiérarchique efficace, partant de l’identité du pays, celle du réseau, la sous identité notant la position géographique de l’abonné jusqu'à la zone de service et l’identité de la cellule. Davantage la nécessité d’avoir un niveau de sécurité différent sur différentes interfaces impose une diversité de numéro d’identification qu’on va citer : o Mobile St ation I SDN num ber ( MSISDN): C’est le numéro international qui doit être exécuté après le préfixe afin d’achever un abonné dans un pays étranger, ce numéro identifie uniquement l’abonné du réseau mobile dans le réseau fixe ou PSTN. Il est sauvegardé uniquement dans le HLR ou Home Location Register et il est formé des sous numéros suivants, le code du pays ou Country Code (CC), suivi par le code de la destination du réseau ou National D estination C ode (NDC), le numéro du compte ou Subscriber N umber (SN), les 2 premiers digits identifient le HLR où le mobile est surveillé.[37] o International Mobile Subscriber Identity (IMSI) : Chaque utilisateur GSM est affecté un numéro IMSI propre et unique à lui dans le réseau, ce numéro est l’identificateur absolu qui sera utilisé à l’intérieur. Il est indispensable pour la procédure d’enregistrement dans la zone PLMN. A la différence du MSISDN qui a une longueur de chiffres dynamique, la longueur de l’IMSI est fixe et c’est lui qui permet l’abonné de s’enregistrer dans le réseau. L’IMSI est formé de l’identificateur du mobile dans le pays ou Mobile Co untry Code ( MCC), l’identificateur du mobile dans le réseau ou Mobile N etwork C ode ( MNC) et finalement le code d’identification de l’appareil ou Mobile Station Identification Code (MSIN), il est sauvegardé sur le SIM, le HLR et le VLR par lequel l’abonné est entrain d’être servi. o Temporary M obile Subs criber I dentity ( TMSI) :
Pour
une
bonne
confidentialité et sécurité des comptes l’IMSI n’est pas transmis sur l’interface radio, alors pour identifier l’abonné sur le faisceau hertzien le VLR ou Visitor 37
Location R egister, génère le TMSI qui est un identificateur lié directement à l’IMSI. L’identification par TMSI est temporaire et elle a uniquement une signification locale, c'est-à-dire cette identité n’a pas un sens hors de la zone de service où ce trouve la station mobile actuellement. L’attachement du TMSI à l’IMSI ne prendra lieu qu’après l’authentification de l’abonné et ce numéro change d’une façon permanente après un intervalle de temps, ou lors de l’issue d’une mise à jour de la position ou Location Update. Le nombre de digits dans le TMSI ne doit pas dépasser l’ordre 4. o Mobile Subs criber R oaming N umber (MSRN) : afin de router un appel vers l’abonné le (MSC/VLR) génère un nombre temporaire, ce numéro est uniquement assigné dans le cas d’un appel et c’est le VLR dans lequel se trouve l’équipement mobile qui crée ce numéro et il est communiqué entre le HLR et le GMSC. Sa structure est la suivante, Country Co de ( CC), Network D estination Code (NDC) et le Subscriber Number (SN). o International Mobile Equipment Identity (IMEI) : Comme déjà vu ce numéro est unique pour chaque station mobile et sur un niveau international, son avantage réside dans la possibilité de désactiver sa validité dans le cas du vol. et il est impossible d’avoir 2 équipements ayant ce même numéro malgré la compatibilité de leurs séries et modèles parfois. Le IMEI est subdivisé aux sous identités suivantes, code d’approbation ou Type A pproval C ode ( TAC), code d’assemblage ou Final A ssembly C ode ( FAC), numéro série ou Serial N umber (SN) et la version du logiciel intégré Software Version Number (SVN). o Location Area Identity (LAI) : pour la localisation de l’abonné, elle est formée des unités, code du pays Mobile C ountry C ode ( MCC), code du réseau fournissant le service à l’abonné Mobile Ne twork Code ( MNC) et code du Location Area ou Location Area Code (LAC). o Cell Global I dentity (CGI) : Ce numéro est utilisé pour l’identification de la cellule spécifique assurant la couverture radio et la connectivité, il est formé du 38
Location A rea Identity ( LAI) + l’identité de la cellule ou Cell I dentity ( CI). [38][39] o Base Station Identity Code (BSIC) : à l’instant de la mise en marche, la station mobile reçoit sur plusieurs canaux appelés FCCH ou Fast A ssociated C ontrol Channel qu’on va voir ultérieurement des fréquences provenant de plusieurs opérateurs travaillant simultanément dans cette même zone où se trouve l’abonné, alors afin de discriminer les fréquences qui sont propres à l’opérateur avec lequel l’abonné est inscrit, le mobile compare le BSIC enregistré sur le SIM avec celui diffusé par les cellules, si les 2 numéros sont identiques alors le processus d’enregistrement dans le réseau commence ceci implique que la station a trouvé l’opérateur convenable sinon la procédure recommence de nouveau. o Hand Over Number (HON) : lorsque le mobile se déplace d’une zone servi par un (MSC/VLR) à une autre et ceci prendra lieu lorsque le BSC réalise selon plusieurs critères qu’il est meilleur de diriger la couverture du mobile vers une autre cellule, le MSC vers lequel la communication va être transférée génère le HON et l’envoie vers le MSC d’origine ou Anchor MSC (AMSC).
I-3.g. Les interfaces ouvertes du BSS:
I-3.g.1. Interface Radio – Um Interface : Cette interface est située entre la station mobile et le BTS dont le support est le faisceau hertzien, elle utilise le protocole LAPDM pour la signalisation qui assure les besoins suivants : rédiger des rapports de mesure au BTS, authentification, mise à jour de la position, contrôle de puissance et le Hand O ver. Ces informations sont envoyés dans des blocs appelés Bursts, chaque bloc correspond à un intervalle de temps ou Time Slot de durée 0.577 ms.
39
•
Numérisation de la voix avant émission sur Um : le signal de la voix est essentiellement un signal analogique ayant presque une infinité de valeurs, en faite la voix représente la variation de la pression de l’air par rapport au temps à proximité de l’oreille et ce processus est défini par l’audition. La transmission de la voix sans numérisation est presque impossible dans les systèmes cellulaires pour plusieurs raisons dont on cite: o
le multiplexage temporel ne s’applique pas sur un signal analogique.
o Chaque communication seule va utiliser alors 2 fréquences et ceci va entrainer à un gaspillage de ressources. o Pas de possibilité de correction des erreurs, ce qui va provoquer une dégradation de qualité (les algorithmes de correction ne s’appliquent que sur des bits). o Sans numérisation, on perd la sécurité et la confidentialité des communications telles qu’un appel pourra être écouté par une 3ème personne. o Même pour un seul appel, on est besoin d’une grande bande de fréquence pour accommoder le signal analogique. o Un système numérique est plus robuste et plus contrôlable, le flux de bits peut être régénéré en restant intacte sans modification de donnés par contre le signal analogique peut uniquement être amplifié et ceci peut provoquer l’amplification de la voix utile et du bruit simultanément le signal amplifié peut devenir plus distordu.
Alors afin d’assurer un système effectif et opérable, la voix doit être numérisée, en d’autres termes rendu digitale. Puisque le but essentiel de la communication cellulaire est d’envoyer la voix humaine on est concerné de transmettre la parole d’une façon claire et compréhensible beaucoup plus que d’avoir une bonne qualité, la voix humaine est relativement lente et reste constante presque chaque 20 ms alors pour bien réduire le débit de données on prend un seul échantillon chaque intervalle de 20 ms tout en respectant la loi de Shannon (Fech.=2.Fmax). Les étapes sont les suivantes : 40
o Echantillonnage : afin de réduire le nombre de valeurs que possède le signal analogique, l’échantillonnage à prendre après chaque intervalle de temps de durée constante un fragment du signal ce qui reste sera négligé et mis à 0, l’échantillonnage est un processus critique si la fréquence de découpage de la voix est très faible on obtient après une bonne compression mais des parties importantes de l’information sera débordée ce qui provoque une distorsion du message, par contre si cette fréquence est très élevée le taux de données reste d’autant grand ce qui va consommer des ressources, le débit nécessaire à la transmission devient proportionnellement grand et le contrôle des erreurs sera plus difficile. Donc on a un compromis entre la qualité nécessaire pour reconstruire l’information et la taille. La solution est d’utiliser une fréquence d’échantillonnage plusieurs fois supérieure à celle de Shannon. L’échantillonnage se fait à l’aide d’un peigne de Dirac qui est un signal d’impulsions périodiques.
41
Figure I.18: Echantillonnage
o Quantification : L’échantillonnage de la voix n’est pas suffisant pour discrétiser l’information, même si on utilise les impulsions de Dirac qui dont la largeur est très raccourcie ne peuvent pas choisir une valeur unique et ponctuelle du signal, d’autre part il faut prédéfinir une échelle ou niveaux fixe de valeurs pour lequel chaque point de l’échantillon prend l’un des niveaux. Pour chaque échantillon on prend souvent la valeur moyenne, cette valeur sera altérée par le niveau le plus proche, si le pas de quantification est Q, la marge d’erreur de quantification maximale sera Q/2.
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Figure I.19: Quantification
o Codage : Après l’étape de quantification les niveaux seront codés comme le montre la figure I.19, après la numérisation le nombre de bits peut être par la méthode de compression. Les séries qui se répètent par redondance seront définis par un nombre de bits plus petit. Le codage ajoute aussi des bits pour la correction des erreurs et le débit après le codage s’agrandit de 13 jusqu'à 22.8 kbps.
o Interleaving : Les bits durant cette étape seront séparés sur l’espace temporel cette étape est très importante pour lutter contre les effets d’évanouissement qui surviennent sur le canal radio, lorsque un Fading Dip, prendra lieu il n’affecte plus une série de bits appartenant à la même communication.
o Ciphering : Une étape qui a pour but de sécuriser les bits et la communication contre les fraudes et l’accès non autorisé.
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o Burst F ormatting : C’est le paquetage de l’ensemble des bits dans des intervalles de temps IT, après cette étape le débit devient 33.8 kbps.
o Modulation et Transmission : même si le signal est numérique il doit être transmis d’une manière analogique sur le canal, l’étape de la modulation a pour but de porter les bits sur un signal analogue à haute fréquence dont la portée est suffisante pour atteindre la destination, le type de modulation utilisé est le GMSK (Gaussian filter Minimum Shift Keying). Ce type de modulation travaille sur un changement linéaire de phase avec un spectre efficace, les bits de transition sont représentés par une demi-sinusoïde.[43]
Figure I.20: Modulateur GMSK Schéma Bloc
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I-3.g.2. Interface Abis – Abis Interface : C’est l’interface située entre le BTS et le BSC, à la différence d’Um qui est sans fil, celle-ci est généralement liée par un câble et le support est DS-1, ES-1 ou un circuit E1 TDM. Cette interface utilise le protocole LAPD pour la signalisation, la supervision du BTS et la synchronisation du BSC vers le mobile. Le A bis assure le multiplexage de 4 canaux de 16 kbps en un seul canal de débit de 64 kbps, pourtant aucun multiplexage prendra lieu sur les canaux de 16 kbps ce qui est appelé adaptation du débit ou Rate Adaptation (RA).
I-3.g.3. Interface A – A-Interface : Elle assure la communication entre le BSS et le MSC, le but essentiel de cette interface est l’allocation des ressources comme les canaux et les intervalles de temps pour les équipements mobiles, ainsi la transition des messages concernant pour gérer les Hand-Overs, la signalisation est de type SS7, et on note que le SS7 n’est jamais transcodé, le transcodage prend uniquement sur le Circuit Switched Data et la voix. Cette interface est à 100% standardisée, elle a un débit total de 2048 kbps avec 64 kbps pour chaque IT ou Time Slot, l’IT0 est utilisé pour la synchronisation, l’IT16 pour la signalisation et 30 canaux physiques restant pour le trafic (Système européen).
I-3.g.4. Interface A-ter – A-ter Interface : C’est l’interface située entre le Transcodeur et le BSC, les 4 canaux de 16 kbps provenant du MSC seront multiplexés en un canal de 64 kbps et envoyés au BSC. C’est un lien à haute vitesse alors 30 canaux de 64 kbps nous donne une connexion entre TC et BSC arrivant jusqu'à 2 Mbps.
I-3.g.5. B interface : Elle existe entre le MSC et le VLR, utilisant un protocole appelé MAP/B elle permet l’accès du MSC aux informations concernant la position d’un abonné chaque fois la nécessité exige.
I-3.g.6. C interface: 45
Située entre le HLR et le GMSC ou Gateway M SC, quand un appel est reçu à partir d’un réseau PSTN ou un réseau mobile externe il doit passer à travers du GMSC afin de router l’appel le protocole utilisé est le MAP/C. lorsque la durée de l’appel est terminé le MSC peut optionnellement envoyer les détails de la taxation au HLR.
I-3.g.7. D interface: Pour l’échange d’informations de localisation entre VLR et HLR, elle utilise le protocole MAP/D.
I-3.g.8. E interface: Elle assure la communication entre plusieurs MSCs pour l’échange des informations concernant le Hand Over en utilisant le protocole MAP/E.
I-3.g.9. F interface: Utilise le protocole MAP/F pour échanger les informations de l’état de l’IMEI de l’équipement essayant d’accéder au réseau, et elle est située entre MSC et EIR.
I-3.g.10. G interface: Il communique les informations de la nouvelle localisation de l’abonné, lorsqu’il se déplace entre 2 zones différentes tel que chaque zone est contrôlée par un VLR appartenant à un MSC différent. Le protocole est le MAP/G.
I-3.g.11. H interface: Entre MSC et le SMS-G qui est le Gateway du registre des messages courts, le H interface échange les SMS entre les 2 registres mentionnés précédemment à l’aide du MAP/H protocol. [40][41][42]
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I-3.h. Les canaux Logiques de contrôle ou Logical Control Channels: Afin de transmettre le Payload de l’abonné ainsi que les données de contrôle des appels et de gestion des ressources, plusieurs canaux logiques sont utilisés chacune ayant une fonctionnalité bien définie. On cite parmi ces fréquences, FCCH ou Frequency Correction Channel, SCH ou Synchronization Channel, PCH ou Paging Channel, BCCH ou Broadcast C ontrol C hannel et RACH ou Random A ccess C hannel. Ces fréquences sont divisées en 2 Catégories, Common C ontrol C hannels qui sont des canaux point à multipoint et sont dédiés pour le contrôle et la surveillance des appels et Dedicated Control C hannels qui sont des canaux utilisés principalement pour gérer le trafic de l’abonné et ils sont point à point.
I-3.h.1 Broadcast Control Channel BCCH : Cette fréquence diffuse continuellement dans la voie descendante Downlink elle est orientée point à multipoints et propage des informations concernant l’identité de l’opérateur ou BSIC ( Base St ation Identity C ode), des informations sur les séquences du saut de fréquence Frequency Hopping et des données d’allocation de fréquences.
I-3.h.2 Frequency Correction Channel FCCH : Le FCCH est diffusée périodiquement dans le Downlink, lorsque le mobile s’allume, il commence à rechercher la fréquence ayant la plus forte puissance de réception cette fréquence est diffusée par le FCCH, lorsqu’il la trouve il ajuste son oscillateur pour la fréquence du Uplink qui est envoyée par ce même canal.
I-3.h.3 Synchronization Channel SCH : Cette fréquence envoie au mobile les informations de synchronisation au premier intervalle de temps ou TS0, pour qu’il puisse travailler en syntonie avec le BTS. On note que le mobile doit comparer le BSIC se trouvant dans le SIM avec celui diffusé par le BTS, s’il trouve que les 2 sont différents il doit libérer le FCCH
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actuel et recommencer la procédure de nouveau avec une fréquence différente. Cette fréquence est aussi point à multipoints.
I-3.h.4 Cell BroadCast Channel CBCH: Pour envoyer des informations additionnelles ce canal est optionnel dans le réseau mobile, un tel type d’informations est les coordonnées géographiques comme la latitude, la longitude et la hauteur de l’abonné à partir du niveau de la mère.
I-3.h.5 Random Access Channel RACH: C’est un canal point à point diffusé par la station mobile vers le BTS pour demander l’accès au réseau lorsque l’abonné est entrain d’appeler un numéro d’un autre abonné sur le même réseau ou bien sur un réseau différent, elle existe uniquement dans la voie ascendante.
I-3.h.6 Paging CHannel PCH: Dans le cas d’un appel entrant tous les BTS appartenant à la même zone servie par le MSC/VLR ou se trouve l’abonné demandé actuellement diffuse la fréquence PCH pour que le destinataire puisse être achevé, elle est alors point à multipoints et existe uniquement dans la direction de la voie descendante.
I-3.h.7 Access Grant CHannel AGCH: Une fois l’abonné est permis et authentifié d’accéder au réseau, le BTS commence l’allocation des ressources à travers le AGCH et lui affecte une fréquence consacrée au trafic qui est le SDCCH ou Stand al one Dedicated Control Channel. Les 2 sont point à point mais le AGCH existe uniquement dans le Downlink, par contre le SDCCH transite dans les 2 directions puisqu’elle transporte le Payload entre les 2 partenaires de la session d’appel.
I-3.h.8 Slow Associated Control Channel SACCH: C’est un canal bidirectionnel point à point, il a pour but de circuler les rapports de mesure entre station mobile et BTS, les informations concernant l’avancement du
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temps et le contrôle de puissance des émetteurs du BTS et du mobile sont aussi envoyés sur cette fréquence.
I-3.h.9 Fast Associated Control Channel FACCH: Cette fréquence a la même orientation et la même direction que le SACCH, la fonctionnalité essentielle de ce canal est le contrôle du Hand Over et il est ainsi utilisé pour libérer l’appel lorsque la session est terminée. [44][45]
I-3.i. Enregistrement, Authentification et m ise à j our d e l a position de l’abonné dans GSM : • Accès au Réseau : Pour qu’un abonné puisse accéder à un réseau GSM et utiliser ses ressources, il lui faut plusieurs étapes pour s’enregistrer au PLMN. On sait déjà qu’il commence à rechercher la fréquence FCCH ayant le signal le plus fort, une fois il l’a trouvé il règle l’oscillateur pour la fréquence ascendante et aligne son temporisateur avec l’IT0 envoyé par le SCH et en même temps il compare le Base Station Identity Code BSIC sauvegardé sur le SIM avec celui envoyé par le BCCH si les 2 sont compatibles alors il commence à recevoir des informations additionnelles sur l’identité du réseau choisi et la cellule de couverture sur ce même canal. •
Location Update :
Ensuite il met à jour sa localisation géographique par un Location U pdate et devient dans l’Idle M ode. Puis il envoie un message d’attachement IMSI, contenant l’identité de la zone LA et son numéro international, si ces informations n’existent pas dans le VLR de service, alors ce dernier les retire du HLR. La mise à jour de la position géographique de l’abonné Location U pdate est munie périodiquement et quand l’abonné change sa localisation ou bien quand il allume son appareil. Afin d’effectuer une mise à jour ou Location U pdate, le mobile 49
envoie un message Location Update Request au VLR qui est entrain de le servir, ce dernier demande le Subscriber I D sauvegardé sur le SIM, en utilisant cette identité constituée de l’identité du Location A rea et de l’IMSI il demande les données d’authentification du centre d’authentification AUC et il forme une identité temporaire TMSI sur laquelle il envoie les données de la localisation, ces données se sauvegardent sur le SIM et le mobile envoie à la fin de ce processus un message Reallocation C omplete au VLR. Pour mieux de sécurité le TMSI est changée périodiquement et à chaque nouvelle réallocation de la station mobile.
•
Sécurité et Authentification : Les 2 parties de l’authentification sont principalement l’AUC et la carte SIM, les données de cryptage sont exécutées par un algorithme spécial appelé A3 afin d’authentifier l’utilisateur mobile. Les paramètres d’authentification sont appelés triplets et ils sont formés de 3 nombres, le RAND qui est un nombre aléatoire, le SRES qui est généré par le A3 et une clé Kc généré par un autre algorithme A8. L’AUC et la station Mobile calculent le SRES à partir de l’A3 en utilisant le Kc et le RAND si les 2 nombres sont identiques l’abonné est permis d’avoir un accès. Les services dans lesquels est inscrit l’abonné, ainsi que l’identité internationale de l’équipement IMEI, seront aussi vérifiés. [46][47]
• Chiffrage : La sécurisation des appels entrants et sortants nécessite que chaque communication ne soit reçue et interprétée que par le vrai destinataire. Pour cela un algorithme de cryptage A5 prend comme paramètres le numéro de la trame et la clé Kc et il forme un échantillon M. M et Kc seront envoyés vers le BTS et M vers la station mobile, dans cette dernière M est codée en utilisant Kc et le numéro de la trame puis envoyé au BTS. Réciproquement dans le BTS M est décodé en utilisant le numéro de la trame et Kc, si le décodage est 50
accompli sans faillite, un message Ciphering Complete sera envoyé au MSC et le Payload transitant entre le mobile et le BTS sera codé.
• Gestion de la communication / Contrôle d’appel : Cette fonctionnalité contrôle l’établissement, la gestion et la terminaison des sessions d’appel ou d’autres services. Afin d’atteindre un destinataire, l’utilisateur dans GSM envoie le MSISDN de l’autre partenaire de la communication, formée du code du pays Country Code CC, l’identification de l’opérateur ou Network D estination C ode NDC et les informations de routage au HLR (la fonctionnalité principale du CM/CC C ommunication Management/Call C ontrol est le routage) après, l’appel sera transféré au GMSC qui sait quel HLR correspond à ce numéro. Ensuite le GMSC contacte le HLR pour qu’il commence à router l’appel, ce dernier demande les informations du compte du VLR où se trouve la station mobile actuellement. Le VLR alors affecte une identité MSRN temporaire celle-ci sera utilisée pour le routage final vers l’abonné. [48]
I-3.j. Hand Over dans GSM: Pour plusieurs raisons, la couverture radio d’une station mobile ne plus être assurée par la cellule qui est entrain de servir l’abonné qui est engagé dans un appel, ceci nécessite le transfert du service vers une autre cellule qui peut être contrôlée par le même BSC ou bien un autre BSC tel que les 2 BSC appartiennent au même MSC ou bien 2 MSC différents, cette procédure est appelée le Hand Over, le BSC actuel de service déclenche un processus appelé Locating
et commence à rechercher une autre cellule ayant
meilleurs conditions radio. L’opération prend lieu sans rupture de la communication. Ce Hand Over peut arriver pour 3 raisons majeurs et qui sont :
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•
L’atténuation de l ’amplitude du s ignal r eçu e t/ou l a dé gradation de l a qualité de la transmission, ceci sera détecté grâce aux rapports de mesures envoyés vers le BSC sur le canal SACCH. Ceci aura lieu lorsque la station mobile devient trop éloignée de la cellule de service.
•
Raisons d e m aintenance : Parfois le Hand Over sera forcé par l’OSS ou Operation SubSystem pour des raisons de maintenance et de réparation, les abonnés servis par une cellule seront transférés vers une autre.
•
Sur chargement de Capacité : Dans ce cas la capacité d’une cellule devient excédée à cause du grand taux des abonnés en service et de leurs applications, ceci va nécessiter un débordement, et des abonnés doivent être tirés vers une autre cellule dont le trafic est moindre et dont la puissance du signal est suffisante.
Un Algorithme de préparation du Hand Over prend comme paramètres les rapports de mesure envoyés simultanément par la station mobile et le BTS ainsi que des informations provenant du système. Mais principalement c’est le BSC qui prend la décision et contrôle la procédure de transfert vers une autre cellule. Pour une bonne confidentialité du canal et de l’appel, le BSC utilise un numéro de référence appelé HON ou Hand Over Number. On cite 3 formes principales du Hand Over dans GSM, l’Intra BSC Hand Over, Inter BSC Hand Over et Inter MSC Hand Over. o Intra BSC Hand Over: Ce type de Hand Over aura lieu entre 2 cellules contrôlées par le même BSC, le MSC n’entre pas en jeu dans ce cas les étapes sont les suivantes :
a) D’après les rapports de calcul, le BSC réalise qu’un Hand Over est nécessaire, il envoie alors au nouveau BTS un message contenant le numéro de référence du Hand Over lui commandant d’activer un 52
nouvel Traffic Channel TCH. Lorsque ce canal est affecté le nouveau BTS répond au BSC avec un acquittement. b) A travers le canal FACCH ou Fast Associated Control Channel le BSC envoie un message contenant le numéro du HO au mobile lui demandant de verrouiller son oscillateur pour recevoir sur la nouvelle fréquence du nouveau BTS.
c) La station mobile règle son oscillateur sur la nouvelle fréquence et à travers le FACCH, elle envoie un message appelé Hand O ver A ccess Burst H OAB avec le numéro du Hand Over, le nouveau BTS vérifie alors le HON et envoie l’information de l’avancement du temps au mobile afin de le synchroniser à la trame. La station mobile s’ajuste à l’IT0 et répond au BSC par un message Hand Over Complete. d) Finalement à la réception du message confirmant la fin de la procédure, le BSC libre l’ancien canal du trafic TCH.
o Inter BSC Hand Over: Ici le Hand Over se fait entre 2 cellules chacune appartenant à un BSC différent mais tous les 2 contrôlés par le même MSC. C’est l’ancien BSC qui prend la décision mais le choix du nouveau TCH se fait à l’aide du nouveau BSC. a) Le BSC 1 réalise que la nouvelle cellule n’appartient pas à son domaine de contrôle alors il envoie un Hand Over Request Message au MSC qui sait quel BSC contrôle cette cellule.
b) Le BSC 2 commande l’activation d’un canal de trafic au nouveau BTS par un message contenant le numéro de référence du HO, alors le BTS issue un nouveau canal et envoie un acquittement.
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c) Le BSC 2 demande au mobile de varier vers la nouvelle fréquence à travers le FACCH de l’ancien canal. d) La station mobile envoie un Hand Over Access Burst au nouveau BTS avec le HON, ce dernier envoie au mobile les informations du Timing Advance après vérification du HON. e) Ensuite la station mobile envoie un Hand O ver Complete M essage à l’ancien BSC, ceci alors est confirmé de la terminaison de l’opération et commande l’ancien BTS de libérer le TCH, le BTS se conforme avec l’ordre et acquitte le BSC.
a
a c e
b
e e b d
Inter BSC Hand Over
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o Inter MSC Hand Over: Ce type de Hand Over aura lieu quand les 2 cellules sont connectées à 2 BSC différents et chaque BSC est contrôlé par un MSC différent. Alors le MSC dans ce cas va jouer un rôle important dans ce cas.
a) Le BSC 1 réalise d’après les rapports de mesure, qu’un Hand Over est nécessaire alors il envoie un Hand Over Request Message au MSC 1 puisque la cellule cible n’est pas dans son domaine, l’ancien MSC ou Anchor M SC réalise que le BSC 2 contrôlant la nouvelle cellule appartient à un autre MSC ou Target MSC alors il lui envoie un Hand Over Required Message, ce dernier sait quel BSC contrôle le nouveau BTS. Un lien de routage alors sera établi entre les 2 MSC.
b) Le BSC 2 alors active un nouveau TCH dans le BTS 2 par un message contenant le numéro de référence du Hand Over, ce dernier confirme l’activation par un acquittement.
c) A travers du FACCH ancien le BSC 2 demande au mobile d’activer un nouveau canal et lui informe par un message contenant le HON, afin de router l’appel le Target MSC envoie le Hand O ver N umber HON à l’Anchor MSC. d) La station mobile se règle à la nouvelle fréquence et sur ce nouveau canal elle envoie au BTS 2 un Hand O ver A ccess B urst comme d’habitude dans un message contenant le HON, le BTS 2 vérifie le HON et envoie à travers du SCH l’information du Timing Advance pour synchroniser l’appareil à TS0. e) La station mobile envoie un Hand Over Complete Message à l’Anchor BSC ce dernier sache que l’opération est terminée avec succès et il
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ordre l’ancien BTS de libérer le TCH, BTS 1 alors désactive le canal et confirme au BSC avec un acquittement.[49]
a
a
a c
e
e
b e e d
Inter MSC Hand Over
I-3.k. Avantages et Inconvénients du GSM: On présente dans le tableau si dessous quelques avantages et inconvénients dans la technologie GSM. Avantages du GSM • • • •
Extensibilité vers des technologies plus avancées comme UMTS ou 3G. Large couverture avec possibilité, de transition vers autres réseaux. Couverture maximale d’une cellule d’un rayon de 35 km. Signal plus fort à l’intérieur des bâtiments.[61]
Inconvénients du GSM • • •
Limitations techniques forçant un rayon maximal de couverture allant jusqu'à 35 km environ. Interférence avec des appareils électroniques à cause de la forme pulsative du signal. Le progrès de la technologie pose uniquement sur un nombre limité des entreprises ayant tous les droits intellectuels. 56
II- ETUDE PRATIQUE ET APPLICATION
Etude Pratique
Au début on va introduire les premières pas afin d’aboutir à un réseau de données, on parle alors de l’intégration entre le réseau GSM et la technologie GPRS, ensuite on va parler de la nouvelle technologie UMTS et surtout de point de vue pratique, comment faire la planification d’un réseau de la 3ème génération, la mise en considération des taux d’abonnés et de la structure géographique des zones afin d’assurer une couverture et un service adéquats. On va surtout bien se concentrer sur des détails techniques d’installation et de maintenances des équipements, des câbles coaxiaux et des antennes en suivant les spécifications mentionnées sur les cartes des sites ou Site Map.
II-1. Réseau GPRS (Global Packet Radio Service) Il est important avant de plonger dans le sujet du réseau UMTS ou Universal Mobile Telecommunications System d’introduire la technologie qui a eu lieu avant et qui a bien préparé le chemin aboutissant à la conception d’un réseau mobile supportant la commutation de circuit ainsi que la commutation de paquets à haute vitesse d’échange des données.
II-1.a. GPRS et Commutation de paquets : Le réseau GPRS ou General Packet Radio S ervice est un réseau qui fournit une connexion IP sans fil ou Wireless IP pour des terminaux adressés par des allocations IP et qui sont en mouvement. Par conséquent on est besoin des équipements spéciaux pour la commutation et le routage des paquets transitant dans le réseau et c’est pour cela le GPRS utilise la commutation en mode paquet à la différence du GSM. En faite l’échange des données en mode circuit est beaucoup plus lent et ainsi plus couteux que celui en mode commutation de paquets. [50][51]
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II-1.b Allocation dynamique et partage des ressources : En GSM on ne partage jamais les ressources, et chaque mobile sera alloué un circuit qui est un seul TS ou IT dans une paire de fréquences et il sera affecté à lui pendant toute la durée de la communication. Par contre dans GPRS on utilise une sorte de connexion virtuelle et l’allocation des ressources sera dynamique et non plus permanente, alors les ressources seront partagées et consommées selon le besoin. Un TS peut supporter le trafic plusieurs utilisateurs ou bien un seul utilisateur peut utiliser plusieurs TS, ca dépend de la disponibilité des ressources et des besoins de l’utilisateur.
II-1.c Mode d’accès, débit de transfert et taxation: Un équipement mobile se situant dans une zone de service GPRS, se connecte à une ou plusieurs PDN ou Packet Data Network, le PDN est le point principal d’accès au réseau. Suite à une authentification par le réseau pour utiliser le service GPRS l’accès à un PDN peut être transparent, c.à.d. sans authentification par le PDN lui-même afin de recevoir un adresse IP d’une manière dynamique, ou non transparent et dans ce cas l’abonné doit être permis d’accéder au service par le PDN. Au contraire du GSM qui offre un débit fixe de 9.6 kbps le GPRS offre un débit de transfert élevé arrivant jusqu'à 115 kbps et variant selon la nécessité. L’implémentation du système est besoin des modules pour la commutation des paquets comme des routeurs et des protocoles de routages, mais ces derniers doivent travailler en parallèle avec les modules GSM déjà mis en place, on note que le GPRS est une extension du GSM et ne constitue pas un réseau unique et indépendant. Ce qui donne au GPRS une grande valeur d’importance est l’utilisation intelligente et compréhensible des ressources ce qui réduit leur gaspillage, par conséquent la facturation se fait sur le taux de données échangés durant une communication et non pas sur sa durée. Une foi connecté l’équipement peut rester sur le réseau.[52]
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II-1.d Codage et Qualité de Service (QoS) : Le c odage dans GPRS est subdivisé en 5 catégories de 1 à 5 selon la qualité de transmission et le taux des erreurs et le type de codage adopté par l’équipement de l’abonné varie dynamiquement selon les conditions de propagation des ondes. Lorsque le signal est soumis à des intenses conditions d’interférence ou d’évanouissement alors la dégradation de la qualité nécessite des puissants mécanismes de correction des erreurs, alors le codage utilisé devient le CS1, on note qu’il y a un Trade Off entre la qualité de la connexion et le débit de transmission donc lorsque le taux des erreurs croit d’une manière considérable des forts mécanismes de rectification seront employés aux détriments de la bande passante et par conséquent au débit de la transmission. Au contraire dans la classe CS5 presque aucune opération de correction des erreurs n’aura lieu ce qui entraine des débits plus élevés et une connexion plus rapide avec les réseaux des données. Le Q oS ou Qualité d e S ervice dispose aussi d’un certain nombre de classes qui adressent la qualité de service, en faite la vitesse de transmission des paquets varie selon d’autres critères que la robustesse de la connexion elle-même. On cite parmi ces classes, la classe de la priorité de la session, fiabilité de la connexion et le classe de délai. [53]
II-1.e Infrastructure et Contextes GPRS : Afin de supporter le réseau de commutation de paquets, l’infrastructure GSM déjà existante nécessite l’installation des nouveaux équipements. On note que ceci va ajouter des nouveaux types de services comme PTP ou Point To Point et c’est lorsque un abonné envoie des données vers un autre et les 2 partenaires de la communication sont les seuls qui échangent les données, l’autre service est PTM Point T o M ultipoint ou point à multipoints et c’est lorsque plusieurs abonnées partagent les données dans une seule session. Maintenant on va parler des modules implantés dans le réseau GSM pour application GPRS :
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II-1.e.1 Infrastructure: •
SGSN ou Serving GPRS Support Node : Il relie différents unités BSC et il est équivalent au MSC et assure ses fonctionnalités analogiquement, il utilise le protocole Frame R elay ou relai des trames. Le SGSN s’installe à coté du MSC et assure les fonctionnalités suivantes :
o Gestion de la mobilité et localisation des abonnés. o Authentification des abonnés. o Vérification des enregistrements. o Commutation des paquets. •
GGSN ou Gateway GPRS Support Node: Il présente une interface de communication avec autres réseaux de données, il est compréhensible aux protocoles de routage utilisés dans les autres réseaux et il est responsable à la taxation du Payload des abonnés. Afin d’assurer une sécurité des informations transmises le GGSN utilise un Tunneling F unction uniquement lisible par les autres nœuds GGSN, ceci est fait à l’aide du protocole GTP ou GPRS Tunneling Protocol. Le tunnel est primordiale pour la sécurité, le routage vers l’autre abonné, et la signalisation.
•
PCU ou Packet Control Unit: C’est l’élément analogique au BSC mais ceci assure la fonctionnalité de commutation de paquets, et il s’implémente à coté du BSC.
•
OMC-G: Comme l’OMC qui est le centre d’opération et de maintenance dans le GSM classique, mais celui-ci apporte plus de fonctionnalités à l’administration du réseau, comme l’allocation et la gestion intelligente de la mobilité et des ressources. 60
II-1.e.2 Contextes GPRS : o Contexte de Mobilité MM : Appelé aussi Mobility Management, ce contexte prend comme paramètres toutes les informations nécessaires pour gérer la mobilité tout en sécurisant les données. o Contexte de Routage PDP : Nommé aussi Packet Data Protocol, ce contexte renferme les protocoles de routage des paquets, il permet de circuler les informations vers le destinataire en tenant compte de la densité du trafic et de la qualité de la transmission pour ce qui concerne le pourcentage des erreurs ou la perte des données. [54]
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II-2. Réseau UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
Figure II.1: Réseau UMTS
Au contraire du réseau GSM qui existait plut tôt et qui utilise un multiplexage temporel et fréquentiel pour accommoder le grand nombre d’abonnées, la 3ème génération du réseau mobile et qui est le réseau UMTS utilise une approche tout à fait différente et plus avancée que sa latérale. L’UMTS utilise un multiplexage d’accès selon un code spécial identifiant chaque abonné appart ce type est appelé WCDMA ou Wide band Code Division Multiple Access, qui permet d’aboutir à des hauts débits allant jusqu'à 2 Mbps en utilisant la commutation des paquets. Le 3G ressemble par son architecture au réseau GPRS, et il peut être installé en extension au GSM déjà existant, mais au contraire du GPRS on ne peut plus utiliser les même bandes de fréquences, car pour supporter les hautes vitesses d’échange de données des nouvelles fréquences plus élevées vont être employées. Dans UMTS l’espacement des porteuses est devenu 5 Mhz au lieu de 200 KHz dans GSM, ainsi les nouvelles fréquences sont de l’ordre de 2000 Mhz. Le débit dans cette nouvelle technologie varie selon la taille de la cellule, et la mobilité de l’équipement UE ou User Equipment (Station Mobile d ans GSM), on note pour une pico cellule 62
qui assure la couverture de l’intérieur des bâtiments, la mobilité est réduite donc le débit est maximal et atteint 2 Mbps, pour les microcellules dans les zones urbaines le débit devient 384 kbps, mais il tombe vers 144 kbps pour les macros cellules dans les zones rurales à causes de la grande mobilité [56/p.p.3-4].
II-2.1 Modes d’opération : o
FDD ou Frequency Division Duplex :
FDD [56/8]
2 voies unidirectionnelles de transmission une pour le UPLINK l’autre pour le DOWNLINK, 2x60 Mhz.
Basée sur WCDMA.
o
TDD ou Time Division Duplex :
TDD [56/8]
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Une seule Bande Bidirectionnelle pour les 2 voies ascendante et descendante.
Multiplexage temporel dans les 2 sens, montant et descendant le type est le TDCDMA, et aura lieu sur une seule bande de fréquence (35Mhz). [56/8]
II-2.2 Architecture du Réseau UMTS: Le réseau UMTS se subdivise en 3 éléments principaux : équipement utilisateur ou User Equipment UE, le Radio Network Subsystem RNS et le réseau cœur ou Core Network CN.
CN
RNS
RNS UTRAN
RNC NodeB
UE
•
RNC
RNC NodeB
NodeB
NodeB
NodeB
UE
UE
RNC NodeB
UE
NodeB
NodeB
UE
UE
UE
\ User Equipment UE :
L’équipement de l’utilisateur dès les premières migrations d’UMTS est devenu un élément principal dans le réseau, en effet les logiciels installés dans les nouveaux appareils sophistiqués ont rendu l’UE une partie essentielle du réseau et il est devenu une interface principale pour l’utilisateur. La nouvelle modulation WCDMA recommande d’avoir un amplificateur linéaire adapté, et les fonctionnalités de réglage de la puissance de transmission sont devenues plus avancées pour bien réduire la consommation de la batterie. L’une des avantages 64
du WCDMA est que la distance de réemploie de fréquences ou FRD Frequency Reuse D istance est égale à 1 car au contraire du GSM les cellules voisines peuvent opérer à la même fréquence et l’interférence et le Rayleigh Fading ne présentent plus un problème. La station mobile peut recevoir et transmettre par multivoies vers différents BTS, ce qui minimise la puissance requise pour avoir une communication fiable et par la suite réduire l’épuisement de la batterie. Le circuit des mobiles supportant la 3ème génération sont plus sophistiqués et digitaux pour pouvoir traiter le signal de la bande de base. •
Radio Network Subsystem RNS : Le RNS est formé d’un ensemble de RNC ou Radio Network Controler, chacun connecté à plusieurs NodeB. Le RNC étant la substitution du BSS dans GSM mais il est plus intelligent que le dernier et le NodeB est la substitution du BTS. Ce système est en charge de fonctionnalités reliées à la couverture et l’accès radio, le RNC gère les ressources radio, les fonctions du cryptage et du décryptage pour la sécurité des communications. Pour le NodeB, il contient les éléments de la couverture radio comme le transmetteur et le récepteur et il assure la modulation, démodulation et l’encodage.
•
Réseau Cœur ou Core Network CN : Il fonctionne comme un routeur des données et il assure aussi la commutation des paquets, le CN doit implémenter des protocoles de routage spéciaux pour la gestion du trafic. Le CN est subdivisé essentiellement en 2 genres des éléments : o Eléments pour la commutation de circuit CS et ils sont les éléments de base déjà existants dans GSM, et sont utilisés dans les zones MSC, VLR, LA et GMSC. o Eléments pour la commutation des paquets PS et sont utilisés dans Routing Ar ea RA , UTRAN Registration Ar ea U RA avec UTRAN pour UMTS T errestrial R adio A ccess N etwork, ou réseau d’accès terrestre d’UMTS, SGSN et GGSN.
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II-2.2.a Eléments de Commutation de paquets : • Serving GPRS Support Node (SGSN) : Le SGSN assure les fonctions suivantes : o Mobility M anagement : Pour la gestion de la mobilité et la détection de la position géographique de l’abonné. o Session M anagement : gestion des applications de commutation de paquets PS en utilisant un Packet Data Protocol PDP. o Connexion Management : Pour les applications à commutation de circuit qui sont déjà définies dans GSM. o Taxation : et calcul de taux des données échangé et transféré pour établir le rapport de facturation ou CDR Call Detail Records.[57][58][59]
• Gateway GPRS Support Node (GGSN) : Le GGSN et le SGSN sont des modules définis dans GPRS, le GGSN est un routeur central qui gère le trafic avec les réseaux externes, il reçoit les données d’un réseau externe et l’envoie vers le SGSN qui contrôle le UE cible.
II-2.2.b Eléments de Commutation de circuit : • MSC/GMSC : Fonctions de contrôle et de mobilité ainsi que l’interaction avec les réseaux externes à travers le GMSC.
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•
MGW ou Media Gate Way : Plusieurs MGW peuvent être contrôlés par un seul MSC, il se comporte comme le CSU/DSU dans le réseau fixe et il transforme et convertit l’encodage des bits entre des réseaux différents [62], contient des éléments d’émission et de réception comme les transmetteurs et améliore le signal radio.
II-2.3 Code Division Multiple Access (CDMA): Dans le système GSM, 2 types de multiplexage sont utilisés, le multiplexage temporel TDMA et le multiplexage fréquentiel FDMA, alors une paire de fréquences dans les 2 voies Ascendante et descendante est allouée par multiplexage de fréquences à 8 stations mobiles qui seront multiplexées temporellement par des TS. Par conséquent chaque mobile sera alloué un seul intervalle de temps et une seule paire de fréquences, ce qui rend les ressources dans GSM limités. Due aux 2 types de multiplexage les ressources dans GSM sont limitées, d’autre part le facteur d’interférence présente un problème majeur ce qui force 2 cellules qui s’opèrent sur la même fréquence d’avoir un espacement de 4 cellules au moins pour lutter contre la dégradation de qualité. Dans UMTS, le type de codage utilisé est le CDMA ou Code Division Multiple Access, au contraire du cas du GSM, dans une zone définie tous les abonnées utilise la même fréquence, les équipements mobiles seront discriminés par la méthode du codage. Le codage a pour but de transformer la bande étroite du signal émis par le mobile en une bande étalée. A la réception le même code est utilisé pour régénérer la bande étroite correspondante au signal d’origine, ce code est celui qui abouti à l’élargissement de la bande dans la phase d’émission. Seul le mobile en question peut interpréter ce code pour reconstruire les données. Plusieurs fréquences sont utilisées pour augmenter la capacité dans une zone, on parle dans ce cas de plusieurs canaux dans chacune le CDMA sera utilisé, dans la mode TDD on utilise une combinaison de 3 types de multiplexage FDMA, TDMA et CDMA, la capacité de ce système n’est pas fixe et les TS seront alloués selon le besoin, mais ce type présente des restrictions surtout dans les bâtiments.
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• Etalement du spectre dans CDMA : Le code d’étalage a une bande passante beaucoup plus grande devant la bande étroite du signal d’origine qui représente la bande étroite issue de l’UE, le code d’étalage ou Spreading C ode décompose les données du signal original en des petits fragments appelés Chips, ce code est simultanément adopté par l’émetteur et le récepteur. Le facteur d’étalage ou Spreading Factor défini combien de fois la band étroite a été élargie et il est donné par la formule (SF=Chip Rate/Data Rate) c’est alors le rapport entre le débit des bits du Spread Code et celui des données utiles et varie entre 4 et 512. L’élément responsable du choix d’un codage unique pour chaque communication est le RNC.
2 types de codes sont utilisés dans CDMA :
o Orthogonal Codes. o Pseudo-Random Codes. Le codage est divisé en 2 phases principales, Spreading et Scrambling. •
La première étale la bande étroite à l’intermédiaire d’un code orthogonal OVSF ou Orthogonal V ariable Spr eading Factor, le Spreading F actor change en changeant le code ce qui peut prendre lieu durant la communication. Les codes sont générés par un arbre qui les construit d’une façon à être espacés le plus possible.
•
La 2ème méthode a pour but de discriminer les 2 bouts de communication pour que seul l’équipement en question dans la direction descendante et la station BTS puisse identifier l’appel dédié à eux, cette méthode génère un code pseudo-aléatoire appelé ainsi pseudo-noise code qui convertit la signal modulé en un signal ressemblant au bruit.[56]
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Figure II.2: Spreading & Dispreading [56/pp12]
• Caractéristiques du CDMA : La Bande étalée augmente l’énergie du signal d’origine et le codage le transforme à en une forme de bruit ce qui le rend plus sécurisé et immune contre les fraudes et les accès non autorisés, plusieurs signaux large bande peuvent se trouver sur la même fréquence mais durant le décodage ou le Dispreading, uniquement le signal modulé par le même code sera convertit de nouveau en signal bande étroite pour régénérer les informations, les autres restent étalés. Pour qu’un signal puisse être remis en forme, il faut que la capacité dans une cellule ne soit pas tellement épuisée en d’autres mots le rapport signal sur bruit S/B doit être suffisant pour que l’amplitude du signal reconstruit puisse surmonter l’amplitude du bruit total dans la zone. Alors l’augmentation considérable du nombre des utilisateurs dans la même bande de fréquence peut entrainer le masquage du signal régénéré et ce dernier ne pourra plus s’échapper dehors le niveau du bruit pour qu’il soit détecté par le récepteur.
L’avantage du CDMA est que la distance de réemploie de fréquence est égale à 1, alors plusieurs cellules adjacentes peuvent rayonner à la même 69
fréquence sans avoir le problème d’interférence, en plus chaque abonné peut profiter de la puissance rayonnée par plusieurs NodeB et venant de plusieurs voies et d’autre part le signal envoyé par le UE peut utiliser plusieurs voies pour atteindre la station TRX, ce qui donne l’avantage d’avoir un Hand Over plus optimal et réduire la puissance consommée par la batterie.[55]
• Rake Receiver : Les signaux arrivant à l’équipement d’utilisateur peuvent arriver en décalage et ce problème est l’affaiblissement multivoie. Au contraire au GSM classique dans lequel ce phénomène représente un problème sérieux, le CDMA de la 3ème génération implémente un Rake Receiver, qui est un élément corrélateur ayant pour but d’utiliser des versions retardées des codes d’élargissement de bande pour combiner les signaux intervenant de plusieurs voies pour former un signal plus puissant.[57][59][63]
Figure II.3: Rake Receiver [63]
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II-2.4 Hand Overs dans UMTS: •
Soft Hand Over: C’est quand le mobile est dans une zone d’intersection de la couverture apportée par 2 BTS, les signaux sont reçus par les 2 et combinés par un râteau ou Rake Receiver, quand le mobile entre totalement dans la zone de couverture du 2ème BTS où il reçoit une puissance maximale, la connexion avec la première cellule sera interrompue. Chaque BTS ou NodeB dans UMTS est appelé ‘’SHO Branch’’, les NodeB utilisent la même fréquence et appartiennent au même RNC. On a 3 états pour les cellules, Active quand le mobile reçoit actuellement une transmission du NodeB, Detected pour toutes les cellules visibles par l’UE et Monitored qui identifie les cellules ayant une bonne réception et qui peuvent devenir actives lorsque le mobile sera en besoin.
•
Softer Hand Over: Même situation mais c’est lorsque le mobile sera transféré d’un secteur à un autre tous les 2 appartenant au même BTS ou NodeB. Le RNC n’intervient pas dans ce type.
•
Hard Hand Over : C’est lorsque le mobile change la fréquence de la porteuse, ceci peut être perceptible ou imperceptible.
•
Inter-Mode Hand Over : C’est lorsque le mobile change de la mode FDD vers TDD ou réciproquement. [57]
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Application :
II-3.A Planification des Sites UMTS : La planification des sites UMTS a pour but de surmonter 4 problèmes essentiels : o Optimisation des antennes RF, pour une meilleure couverture des zones. o Augmentation de la fiabilité de transition entre GSM et UMTS. o Assurer une meilleure couverture radio entre les bâtiments. o Adaptation des paramètres.
Afin de bien déployer le réseau, une bonne configuration des antennes sectorielles ou antennes RF est nécessaire pour avoir une bonne performance et une bonne accommodation de la capacité. La couverture radio est un critère primordial et doit être efficace et suffisante, elle interroge alors aux besoins de capacités dans chaque région, et doit être flexible pour s’adapter à l’expansion future de la taille du PLMN et de la démographie des abonnés sans besoin de changer les sites existants. La taille des cellules dans WCDMA ne peut pas être adoptée comme une dimension fixe à cause du phénomène de respiration ou Breathing Effect dans lequel le rayon d’une cellule varie dépendamment du nombre des abonnés en service, ceci est du à la modulation d’étalement de bande. Dans la voie ascendante si le nombre d’abonnés augmente dans une zone, ceci provoque l’augmentation de la puissance du bruit dans le NodeB, pour surmonter le bruit les équipements mobiles doivent augmenter leur puissance de rayonnement pour permettre au second bout de reconstruire les données ce qui amène à une diminution de la taille de couverture. Même chose arrive dans le Downlink, et on peut estimer le taux de bruit qui pourra être généré dans une zone, en calculant l’interférence sur chaque Chip le terme est RSCP Received Signal Code Power ou bien puissance du code du signal reçu. Le cas le plus idéal représente une zone couverte par une seule cellule unique, le rapport signal sur bruit ou Ec/No devient plus optimal.
En bref les points essentiels que doivent être pris en considération durant la planification sont les suivants : 72
•
Etude de la zone d’implantation du réseau, étude de la géographie de la région le type des obstacles comme bâtiments, montagnes, falaises. Une bonne planification consiste aussi à une anticipation des variations qui peuvent avoir lieu, comme la construction des nouvelles immeubles. Ceci va recommander une couverture adéquate et un bon service pour supporter l’augmentation potentielle du trafic.
•
Définir les sites, leurs configurations, on parle principalement du nombre des antennes RF et des liens Micro onde, l’orientation verticale et horizontale de chaque antenne, ainsi que sa hauteur ainsi la distance permise entre les sites.
•
Etude anticipative des nouveaux sites dont on devient en besoin pour les années suivantes ainsi que les ajustements de la configuration pour lutter contre les interférences du Downlink.
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II-3.B Ingénierie des Sites UMTS :
Figure II.4: Site Ogero - Jdeyde
L’ingénierie des sites d’implantation de la nouvelle technologie en extension au GSM déjà existant représente par excellence le travail le plus difficile à accomplir. Contrairement à la planification qui met en jeu une étude géographique des zones et de la densité du trafic sans intervention sur site, le travail sur le site semble d’avoir plus de complexités, en faite l’installation des équipements et des câbles ainsi que la mise en place des antennes… représentent des taches dures et recommandant de la précision. En général on peut dire que pour ce qui concerne la partie pratique on peut dire que 60% est déjà vu dans la partie théorique mais dans un contexte un peu différent, ici on entre dans les détails techniques.
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II-3.1. guide sur les Antennes RF : •
Quelques types des antennes RF et leur diagramme de rayonnement : o Antenne Omni :
Figure II.5: Antenne Omni – Katherein
L’antenne dans la figure II.5 est une antenne à double bande, omnidirectionnelle pour l’utilisation à l’intérieur et à l’extérieur des bâtiments. Les fréquences d’opération sont 824/960 Mhz et 1805/2170 Mhz. La polarisation du champ E est verticale et le gain apporté par ce type ainsi le VSWR est 2 dB, ce qui est suffisant pour les petites régions à l’intérieur des bâtiments ou pour les zones rurales entre les bâtiments à dimensions et densité populaire limitées.
Figure II.6: Diagramme de rayonnement
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Le diagramme de rayonnement représente 2 lobes principaux et superposables dans le plan vertical, déviés l’un par rapport à l’autre de 180 degré, avec une ouverture de 78 degré. o Antenne Directionnelle :
Figure II.7: Antenne Directive – AGISSON
Les bandes de fréquence sur lesquelles travaille ce type sont 2300/2500 Mhz et 2500/2700 Mhz. Le gain maximal est 17 dB, ouverture du faisceau horizontal est 64/60 degré, ouverture verticale 7/6.5 degré. Le diagramme de rayonnement se présente dans la figure ci-dessous (Figure II.8), en rouge la polarisation verticale et en bleu la polarisation horizontale.
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Figure II.8: Diagramme sur H et Z
Ce type d’antennes est défini comme sectoriel, car il assure la couverture d’une zone bien définie, utilisé à l’extérieur, et généralement installé sur un MAST aux toits des immeubles ou sur un Tower. o High Broad band polarisé en croix :
Figure II.9: HighBand X-pol | Power wave
Ce type d’antennes est polarisé en croix, il travaille dans la bande 1710/2170 Mhz en bande unique, ayant une largeur du faisceau de 65 degré, le gain arrive jusqu'à 15.6 degré, sa longueur est de 0.7 m. le gain de directivité qui est techniquement défini par Electrical D own-Tilt ou 77
déviation électrique varie entre 0 et 16 dB ce qui est interprété en d’autres mots par la largeur du faisceau de l’onde sur le plan horizontale, à noter que pour un gain de 0 décibel l’ouverture du faisceau est maximale, au contraire pour un gain de 16 le faisceau devient le plus étroit.
II-3.2 Mise en place et réglage des paramètres, Antenne RF :
Figure II.10 RF pre-installation - DOWRA2 Site
L’antenne RF se fixe sur un MAST qui est un support mécanique pour l’installation des antennes sectorielles RF, et des antennes micro ondes ou IFDRUMS, le RF est composé de 2 Brackets qui seront plaqués sur le MAST et ils permettent de varier la position de l’antenne dans les 2 plans horizontal et vertical. 4 vices 2 de chaque part seront utilisés pour bien fixer le RF une fois les paramètres d’orientation sont bien calibrés.
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Nord
θ
φ
Figure II.11: réglage de la position
Les valeurs des paramètres sont indiquées sur le Site Ma p, on note que les antennes sont identifiées par un numéro qui commence par 0 pour l’antenne qui est le plus proche de la direction du Nord, ensuite on incrémente chaque antenne suivant de 1 par déplacement dans le sens de rotation des aiguilles d’une montre.
ANT-0
ANT-1
ANT-2
Figure II.12: nomenclature des Antennes RF
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o Ajustement de l’onde d’AZIMUTH ou angle Horizontal : L’angle d’AZIMUTH représente l’orientation sur le plan horizontal de l’antenne et dépend de la localisation de la zone ou secteur à assurer la couverture radio par rapport à l’antenne, c’est en d’autres termes l’angle d’écart entre l’orientation du Nord sur la boussole et l’orientation de l’antenne pour que ce dernier puisse fournir le service radio à une région bien définie, et il est calculé en degrés.
Figure II.13: Onde d'AZIMUTH (ici 100o)
o Ajustement de l’angle vertical ou Mechanical Tilt : Pour ajuster la déviation mécanique ou angle vertical (Mechanical T ilt), on utilise l’indicateur du niveau illustré dans la Figure II.14, on a 2 orientations la première est positive (+), c’est lorsque l’antenne RF penche vers le bas, l’autre est négative (-) et c’est lorsque le RF est dirigé vers le haut. On définit l’orientation et ensuite la valeur de l’angle sur cet indicateur aussi appelé en anglais Level M eter. La bulle d’air dans le
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mercure doit s’aligner au centre du verre gradué pour achever la valeur de l’angle pointé par l’aiguille, comme montre la figure ci-dessous.
Figure II.14: Mechanical Down-Tilt ou Angle Vertical
o Ajustement de l’angle d’ouverture du Faisceau ou Electrical Tilt : Ce paramètre désigne la largeur du faisceau de rayonnement ou bien l’angle de couverture radio, comme on a plusieurs fois expliqué, la largeur du faisceau dépend de la surface du secteur et de la densité estimée du trafic. La barre de réglage est graduée de 0 jusqu'à 4, ces valeurs représentent le gain de directivité multipliée par 4. Alors si on règle la barre sur 4, ca veut dire que le faisceau du RF devient fortement étroit et concentré et même chose pour l’angle d’ouverture du faisceau. Au contraire, pour une valeur 0 le faisceau garde sa largeur qui le caractérise par défaut.
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Figure II.15: Electrical Tilt ou largeur électrique
o Cable Coaxial ou Feeder des RF : Le câble coaxial correspondant aux RF, a pour diamètre total 1 Inch, dans la figure II.16, on observe que le coaxial est formé d’une gaine de protection extérieur formée du plastic dur, puis la masse qui est polarisée négativement, entre la masse et la sonde ou Probe en anglais se trouve une couche du foam qui a pour rôle d’isoler la masse de la sonde polarisée positivement. Le signal se propage à l’intérieure de cette couche isolante d’une façon analogique à la propagation d’un signal lumineux dans la fibre optique, c.-à-d. à l’intermédiaire des réflexions successives entre les parois extérieure de la sonde et intérieure de la masse.
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Sonde (Probe) Isolant (Foam) Gaine extérieure
Masse
Figure II.16: Cable Coaxial ou Feeder
Au dessous on observe la propagation du signal dans le coaxial par des réflexions successives sur les parois internes, la couche isolante doit avoir une permittivité relative assez élevée pour emmagasiner l’énergie de la densité du flux à l’intérieur du câble et lutter contre la perte d’énergie à l’extérieur par dissipation.
Figure II.17: propagation dans le câble
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II-3.3 Mise en place et réglage des paramètres, Antenne MICROWAVE, ou IF-DRUM:
Figure II.18: MICROWAVE LINK - Site Jdeydeh
Les liens Micro-ondes ou Microwave Links, sont désignés pour la connexion entre les sites mobiles et jamais pour la couverture radio des abonnés, seuls les antennes sectorielles RF et Omnidirectionnelles sont désignées pour les stations mobiles en service mais par contre les Microwaves, techniquement nommés IF-DRUMS sont les médias utilisés pour fournir l’alimentation des sites cellulaires, à partir du site essentiel Gateway ou autres sites. Les liens peuvent être établis en topologie d’une chaine, ou anneau.
Figure II.19: Topologie en Anneau - (Chain)
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L’installation des Antennes Micro ondes met en jeu d’une part l’angle d’Azimut, d’autre part une seconde procédure ayant pour but de bien aligner 2 bouts du lien. L’alignement des 2 Micro Ondes commence par une observation visuelle du second site par des binoculaires, en utilisant ces lunettes l’ingénieur doit ajuster l’orientation horizontale dans le sens du second site. Mais en réalité l’alignement visuel n’est pas suffisant parce qu’à cause de la distance même un petit décalage en quelques degrés provoque la perte d’une vision parfaite entre les 2 antennes ce qui provoque un débordement de la densité du flux rayonné. Cette atténuation de la puissance captée par le 2nd bout peut rester inaperçue si les conditions météos sont parfaits, mais lors de la première pluie le signal risque de devenir bloqué par absorption des gouttes d’eau ce qui entraine une rupture de la connexion et les zones servis par le site en question deviennent des zones mortes. Dans la Figure II.20 on observe l’effet de la pluie sur les liens.
Figure II.20: Atténuation par gouttes de pluie
Alors afin de bien aligner le lien, on a utilisé un voltmètre (ERICSSON chez ALFA utilise un détecteur de la porteuse ou Spectrum Analyzer au lieu du voltmètre), la tension qui doit être détectée est calculée durant la phase de planification, et elle dépend essentiellement de la distance vers la 85
seconde antenne. On commence à ajuster en premier lieu la position horizontal jusqu'à atteindre la tension maximale (Peak voltage), ensuite on commence de varier la déviation mécanique verticale du MICROWAVE, lorsque la tension désirée est atteinte par approximation, l’alignement peut être considéré à ce point idéal, et le technicien tourne les vices pour fixer maximalement la position.
Matériau Radome
Protection Main Antenna MAST
Figure II.21: IF-DRUM | RADY Center-Region agricultural-Jdeydeh
Dans la figure précédente on voie que le générateur de l’IF-LINK est composé de 2 parties, l’une est le Main et l’autre est Protection, la 2ème représente un Backup dans le cas où la première tombe en panne. L’IF se fixe sur un MAST comme les RF, le matériau en Radome protège l’antenne contre les corrosions, généralement sa couleur est blanche, et on distingue des types dont la couverture Radome est une demi-sphère pour minimiser l’effet de cette couche sur la transmission. La partie antérieure de l’IF-DRUM représente l’ODU, elle sera connectée à l’IDU qui est un équipement électronique responsable du traitement des signaux. L’ODU 86
comporte une plaque métallique qui est par défaut engravée d’une façon à polariser l’antenne horizontalement. Elle peut être remplacée par une autre si la polarisation désirée est verticale. Le câble du IF-LINK est beaucoup plus mince du coaxial dédié aux RF.
II-3.4 Câblage pour les Antennes RF et IF : Les câbles des antennes sectorielles RF sont relativement épais devant ceux du Microwave, ceci est dû principalement aux grandes pertes et dégradation de qualité que le RF doit surmonter sur l’interface radio Um pour amener un signal adéquat à l’équipement du NodeB. L’échauffement thermique qui provoque une perte par effet joule et une puissance du bruit due à la température du bruit dépend de la formule (R=ρ.l/S) avec Rho la résistivité dépendante du matériau, l la longueur du câble et S, la section. Les 2 premiers paramètres étant fixes à cause des conditions du prix et d’installation, alors on peut varier la section S. on remarque que la section est inversement proportionnelle à la résistance d’échauffement alors on augmente la section du câble pour réduire le bruit et aboutir à un signal meilleur. Par contre pour le câble du LINK, désigné pour l’antenne Micro-onde l’épaisseur est égale à 30% de celle du Feeder, parce que l’onde se propage librement entre les 2 points de contact, le signal est étroit et la 1ère zone de Fresnel est dégagée de tout obstacle.
• Câble coaxial pour RFet IF : On utilise 2 câbles pour chaque antenne sectoriel, chacun sera marqué par ou bien une seule ligne pour Main, ou bien par 2 lignes pour la protection ou Protection, l’un des câbles transmet le signal dans la voie descendante vers l’abonné, l’autre reçoit le signal de l’abonné et l’envoie vers le NodeB afin d’assurer la fonction de commutation pour le brancher vers sa propre destination (Figure II.22).
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Figure II.22: Feeders
Comme on remarque dans la figure ci-dessus les extrémités de chaque câble seront fermées par une protection plastic, pour éviter la contamination par les objets ambiants comme la poussière. En faite les particules dans la cavité de la sonde possèdent une sorte de conductivité qui crée des courants parasites dans le câble et se comportent comme des résistances, ceci entraine un échauffement, et une partie du signal utile sera perdue par effet du bruit. Ce phénomène sera détecté par le test du VSWR (Variable Stationary Wave Ratio) ou taux d’ondes stationnaires, qui présentera une chute de la courbe du gain sur des fréquences qui sont hors de la bande de travail.
Earth Kit
Figure II.23: Earthing
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Dans la Figure II.23, on observe une région du câble qui est plus épaisse qu’ailleurs, c’est à la cause d’un Earth Kit, c’est une connexion de la masse du câble vers un support métallique appelé Cable Tray, sur lequel tout le câblage doit forcement traverser. Ce support est chargé négativement et l’enterrage par Earth Kit est principalement pour protéger les équipements radio et les antennes contre la foudre. On installe 2 connexions sur chaque Feeder, l’un à proximité de l’antenne et à une distance de 1.5 m au maximum, l’autre sera branché à l’entrée de la cabine (Shelter), où se trouve toutes les équipements radio.
Figure II.24: Cable stripping & grounding
Même chose pour le DRUM de la micro-onde, mais la seule différence est la taille de l’Earth Kit, en plus l’antenne recommande une protection pour chaque branche de l’ODU.
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Connector Feeder Jumper Cable Tray
Cable Bending (1/4 of a Circle)
Figure II.25: Connexion du Feeder au Jumper
Les Feeders seront fixés au Cable Tray par des Clamps, qui fonctionnent comme des pinces pour maintenir une position stable du câble. Le Feeder doit être parfaitement linéaire sauf sur les coins du Cable Tray où il doit être plié en forme d’un arc équivalent à ¼ d’un cercle, il est tellement interdit de tordre en un angle de 90 degré car ceci cause une réflexion totale du signal vers l’avant et l’onde sera bloquée et n’arrive plus aux antennes (similairement au cas des Fibres Optiques). Le Feeder tellement dur et peut briser la jointure avec les connecteurs femelles du RF due à la force élastique du rappel, pour cela l’extrémité du Feeder doit être décapée par un Cable Stripper, pour relier un connecteur spécial et ce dernier sera branché à un câble plus mince et plus élastique appelé Jumper. Le Jumper luimême possède un connecteur male qui sera couplé au connecteur femelle de l’antenne. (Figure II.25)
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Connector
Feeder Jumper
II-3.5 Installation du NodeB (ou BTS dans GSM) :
Figure II.26: position du NodeB and UMTS
L’architecture est la suivante (Figure II.27), les Antennes RF et IF seront reliés au BTS3900 à l’intermédiaire des Feeders et IF Cables respectivement, à l’intérieur de la cabine un système de contrôle et de la surveillance des paramètres d’environnement comme la variation de la température sera implanté et a pour but essentiel d’envoyer des signalisations et des alarmes vers l’O&M S ystem qui est le système de maintenance et d’opération. Ce dernier à son tour envoie des signaux pour rectifier les fautes comme la mise en marche d’un climatiseur additionnel lorsque la température de la chambre 91
devient relativement élevée afin de protéger les équipements. Un autre système d’alimentation Power Suppl y formé d’un générateur ou de plusieurs, a pour but d’alimenter le système formé des climatiseurs et des autres équipements électroniques comme le NodeB. Un équipement DDF a pour but de convertir la forme des signaux de la NodeB en un encodage adaptable au RNC ou Radio Network Controler, et un équipement spécial transmet le signal encodé vers le RNC pour le routage des données vers autre client ou bien vers un réseau de données.(Figure II.27)
Figure II.27: Architecture du NodeB
Dans ce qui suit-on s’assiste d’une liste d’abréviation pour faciliter la compréhension des mots techniques (à suivre la charte (Figure II.28)).
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Figure II.28: abbreviations
Figure II.29: Cabine du NodeB
La cabine est formée principalement d’un ventilateur, 6 modules de filtrage radio de la bande étalée ou WRFU, une unité de bande de base BBU.
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II.3.5.a Caractéristiques du NodeB, BTS3900 : o Le système peut supporter de 3 jusqu'à 6 cellules. o La transmission se fait par modes E1/T1, le premier E1 est compatible avec le système américain de transmission à haute vitesse et le second T1 est compatible avec le système européen, autres modes sont FE1 (mode électrique) Fast Ethernet et l’autre mode est par impulsions lumineuses à travers une fibre optique FE (port optique). o Adaptable aux 4 topologies du réseau, étoile, anneau, arbre et hybride. o Synchronisation par un temporisateur interne, temporisateur du LubInterface reliant le NodeB avec le RNC ou bien par le GPS. o Types de Hand Overs : Soft, Softer et Hard Hand Over. o Supporte deux modes de commutation, par circuit ou CS et par paquet ou PS ou tous les 2 simultanément. o Fonctions améliorés concernant HSDPA et HSUPA.
II.3.5.b Unité de Bande de Base ou BBU :
Figure II.30: BBU
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Formée des modules suivantes : o WMPT o u U nité pr incipale de l a t ransmission e t du t raitement du Codage WCDMA : Les éléments qui composent ce module sont listés dans la Figure II.31. Indicateur de mise en Marche
Fast Ethernet Electrical IP port SFP or Optical Signals Transmission Port
Antenne GPS
E1/T1 Port Indicateurs lumineux
Lorsqu’un USB sauvegardant le logiciel de démarrage de ce module est inséré dans l’USB PORT, le logiciel s’installe automatiquement et le module démarre et sera active après un moment, cette même procédure est répétée dans le cas d’un Upgrade. D’autres fonctionnalités principales du WMPT sont:
Fonctionnalité de synchronisation par un Reference Clock.
Contrôle d’autres modules dans le système.
Assurer des fonctionnalités d’opération et de maintenance.
WMPT accommode un port relié à l’interface LUB qui en son tour envoie les données vers le RNC.
WMPT fournit aussi des fréquences pour le système d’opération et de maintenance.
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L’Interprétation des fautes se fait à l’intermédiaire des indicateurs LED :
RUN : si cet indicateur est allumé en vert ca veut dire que le module est alimenté mais il ne marche pas et présente une faute, réciproquement s’il n’est pas allumé donc pas d’alimentation, s’il s’allume et s’éteint alternativement pendant une petite fraction d’une seconde alors ou bien il est en train de démarrer ou bien il n’est pas utilisé actuellement. Finalement s’il s’allume et s’éteint durant une alternance d’une seconde alors le module a été configuré correctement.
ALM : cet indicateur est dédié pour signaler des alarmes, son indicateur est rouge et si ce dernier est allumé alors il reporte qu’il y des alarmes sinon, le système travaille proprement.
ACT : si le vert est allumé le circuit est actif sinon alors il est temporairement suspendu (Standby Mode).
Indicateurs des ports électriques et optiques FE1 et FE0 :
Vert : si le vert est allumé alors le port travaille d’une façon propre, sinon donc il présente un problème et il n’est pas actif.
Orange : si la lumière clignote ca veut dire que les données sont entrain d’être transmis ou reçus à travers ce port, s’il est éteint alors pas de transmission à ce moment.
o WBBP ou Unité de traitement en Bande de Base pour WCDMA :
Common Public Radio Interface 96
Le rôle principal de ce module est de fournir une interface entre le BBU et le WRFU, il assure aussi le traitement des signaux de bande de base dans les 2 voies montante et descendante, et supporte les fonctions du HSUPA et HSDPA. Les 3 indicateurs RUN, ACT et ALM sont interprétés analogiquement à ceux du module WMPT, pour les indicateurs des ports d’interfaces CPRI, si le rouge est éteint le fonctionnement est normal, s’il est allumé ceci indique un problème dans le lien optique du CPRI, si le vert clignote chaque demi-seconde on a un problème au niveau du matériel, si le vert clignote chaque 2 secondes on a un problème de connexion avec les antennes.
o
UBFA ou Unité de contrôle du ventilateur pour la module BBU : Les fonctions principales sont :
Signalisation de l’état de la ventilation du WMPT.
Contrôle de la vitesse de rotation du ventilateur.
Détection de la température du circuit.
Ce module possède un seul LED d’état, intitulé STATUS, si le vert clignote chaque fraction d’une seconde alors le module n’est pas enregistré, s’il s’allume et s’éteint alternativement chaque seconde alors ce module fonctionne normalement et finalement si l’indicateur est allumé en rouge le module signal des alarmes et il y a un problème de fonctionnement ou un dépassement des valeurs critiques de la température. o UPEU ou unité d e contrôle et d e l a surveillance d e l ’alimentation et de l’environnement :
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Ce module a pour rôle essentiel de convertir la tension de -48 V à +12 V, il reporte aussi les alarmes concernant la chute ou l’augmentation des valeurs critiques de tension. Il possède deux indicateurs pour les alarmes reliés à la signalisation sur les ports RJ45 et qui sont EXT-ALM0/1 et 2 pour la signalisation des alarmes reliés à l’environnement MON0/1.
II.3.5.c RF/WRFU ou Unité de filtrage Radio du Wcdma : Ce module est composé d’une interface à haute vitesse, une unité de traitement du signal, un élément de duplexage et un amplificateur de puissance, sa structure est illustrée dans le schéma II.31.
Figure II.31: WRFU
Le WRFU consiste de 2 ports ANT-RXB et ANT-TX/RXA, le premier uniquement pour la réception du signal l’autre est simultanément pour l'émission et la réception des signaux et se comporte alors comme un Transceiver, les 2 ports sont connectés aux antennes. Il comporte aussi deux interfaces pour le CPRI0/1 pour connecter le BBU situé au dessus au WRFU pour le premier et connecter le WRFU à l’élément situé au dessous, il possède aussi 2 interfaces RX-INB/OUTA respectivement pour la réception et l’émission des signaux provenant du et allant vers les liens micro-ondes et seront couplés aux IF Cables. Finalement ce module possède un Port d’alimentation PWR. Comme la plupart des modules le WRFU possède les mêmes indicateurs RUN, ALM et ACT avec même caractéristiques, 98
la seule différence est si ACT est allumé en vert le module est fonctionnel et il est bien connecté au BBU sinon le module n’est pas connecté au BBU si la lumière apparait et disparait par alternance d’une seconde le module est en état de test local. Un autre indicateur et qui est le VSWR correspond à la qualité du signal et surveille l’état du taux d’ondes stationnaire, si la lampe rouge est allumée alors le module reporte un alarme et le problème peut être une dégradation de la qualité ou une perte de la puissance du signal util par échauffement ce qui entraine une distorsion de la courbe du gain ou bien un problème dans le matériel, sinon alors la transmission se fait sans perte et le signal est en bon état. Finalement pour les indicateurs du CPRI0/1 si la lumière est verte le lien est normal si elle est rouge le lien a échoué si le rouge s’allume et s’éteint chaque une seconde la boucle d’alignement alors a été débordée. •
Spécifications du WRFU : o Supporte 4 porteuses, la puissance maximale de chacune à la sortie est 80 W. o Le gain de réception d’1 antenne est -125.8 dbm, de 2 elle est 128.6 dbm. o La portée de détection arrive jusqu'à 200 Km.
II.3.5.d FAN UNIT ou Unité de Ventilation : Cette unité encombre 4 ventilateurs, et elle assure la fonctionnalité du réglage de la température pour dissiper l’échauffement et restituer continuellement une température modéré pour un bon fonctionnement des équipements. Elle se connecte à l’extérieur à travers 3 ports, le Power P ort pour l’alimentation, le Temperature S ensing P ort qui se relie à un capteur et détecteur de la température externe et le Communication Port qui se relie aux autres modules de ventilation et à unité centrale du contrôle.
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Figure II.32: FAN UNIT
Architecture de la NodeB
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II.4 Quelques difficultés rencontrées dans ce projet : o les câbles sont relativement lourds à transporter et leur manipulation est difficile surtout qu’on doit être prudent de ne les pas plier avec un angle droit ou moins de 90 parce qu’on risque de provoquer sa déformation.
o Le travaille sur le site était dure, surtout qu’il a pris lieu durant la saison de haute température d’été.
o Le travail avec les antennes RF et IF a demandé une grande précision pour le choix des valeurs des paramètres et l’installation sur les MASTs.
o Les toits des immeubles sont relativement élevés ce qui pose des problèmes de sécurité personnelle.
o La cabine du NodeB recommande une compétence et une bonne connaissance de la théorie, de l’architecture des matériels et de leur interconnexion.
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II.5 Intégration de s Infrastructures, C onclusion et P erspectives vers l’Avenir : D’après l’étude approfondie de la théorie du réseau mobile GSM et le réseau UMTS, et grâce aux grands potentiels qu’on a remarqué et exploré dans les phases d’études pratiques et applications dans le domaine de planification et de l’ingénierie des sites mobiles, on constate que le système UMTS supporte des communications à des vitesses très élevées, et il possède déjà toutes les interfaces nécessaires pour se communiquer à n’importe quel réseau de données d’une manière transparente aux différences techniques on nomme surtout le réseau fixe qu’il peut atteindre à travers le HSDPA.
Par conséquent : o En cas de l’engorgement de capacité du NodeB lorsque la densité du trafic dépasse la limite, le FTTH et qui est l’infrastructure du réseau fixe constituée principalement des fibres optiques, peut être utilisée pour faire un Roaming des données et diriger le trafic destiné à un abonné sur le réseau fixe à haute vitesse jusqu'à ce trafic atteint un autre BTS proche de l’abonné et ce dernier établit le lien final avec le destinataire cible.
o Le trafic pourra être partagé entre lien radio directe, et un lieu circulant une partie des données sur les fibres optiques du réseau fixe, il peut utiliser un algorithme comme celui du Load Balancing comme exemple. o Le trafic peut être aussi routé à travers le RNC vers le réseau fixe, le réseau fixe et le réseau mobile doivent ensemble avoir une méthode de conversion de la modulation, du codage et un translateur des protocoles de routage pour qu’ils puissent travailler ensemble comme un réseau unique. o On note que les interfaces nécessaires pour communiquer les 2 réseaux entre eux existent déjà, des renouvellements des logiciels des équipements 102
doit avoir lieu, et on est aussi besoin d’avoir des protocoles de transition spéciaux entre les 2 infrastructures.
Finalement on laisse à ceux qui sont intéressés à ce thème de poursuivre une étude innovatrice et constructive pour trouver des nouvelles idées pour la mise en place actuelle de ce nouveau système et l’amélioration de sa performance.
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III-Références
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IV- Liste des Images Figure I.1: http://www.doc.ic.ac.uk/~nd/surprise_96/journal/vol4/fjf/report.path.jpg Figure I.2 : http://www2.rohdeschwarz.com/live/rs/mediadb/psfile/image/79/fading4bb489c01f43b.jpg Figure I.3 : http://www.stellartelecom.co.in/images/t3.gif Figure I.4 : http://www.google.com/imgres?imgurl=http://pathloss40.files.wordpress.com/2009/11/112.jpg& imgrefurl=http://pathloss40.wordpress.com/2009/11/25/gsm-chapter-2antennas/&usg=__rdrIN8LEllS5gsU_XsNk97kRmtI=&h=569&w=818&sz=50&hl=en&start=20 &zoom=1&itbs=1&tbnid=tANUEppCAjl5aM:&tbnh=100&tbnw=144&prev=/search%3Fq%3D polarization%2Bdiversity%26hl%3Den%26sa%3DN%26biw%3D1280%26bih%3D619%26gbv %3D2%26ndsp%3D20%26tbm%3Disch&ei=HYdATpauH8Xdsgay7aWzBw Figure I.5 : http://www.physics.upenn.edu/courses/gladney/phys151/lectures/images/circular_polarization.gi f Figure I.6 : http://www.vias.org/wirelessnetw/img/wndw-print_img_14.png Figure I.7 : http://res-nlp.univ-lemans.fr/NLP_C_M09_G02/res/fig_06.jpg Figure I.8 : http://www.ustudy.in/sites/default/files/images/codedivision.gif Figure I.9 : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Hard_handover.jpg Figure I.10 : http://www.eee.bham.ac.uk/webteam/mobilecomms/g4c3p5.jpg Figure I.11 : http://hartomanullang.files.wordpress.com/2010/06/2.jpg Figure I.12 : http://t1.ftcdn.net/jpg/00/07/88/30/400_F_7883072_g20v0QKRKqFKYEJxgngxmHDahLsK3D Na.jpg Figure I.13 : http://www-igm.univmlv.fr/~dr/XPOSE2006/eric_meurisse/img/hierarchie_cellules_umts.jpg Figure I.14 : [23] Figure I.15 : http://iphone5rumours.com/wp-content/uploads/2011/03/sim-card.jpg 108
Figure I.16 : http://1.bp.blogspot.com/_lO8JlbrtIaA/Scazo1gJBBI/AAAAAAAABWI/R7SdmwHAbIs/s800/ul _dtx_1+%5B%5D.bmp Figure I.17 : http://www.althos.com/Sample_Diagrams/ag_DRx_Sleep_Mode_Operation_low_res.jpg Figure I.18 : http://fourier.eng.hmc.edu/e101/lectures/sampling_theorem_t.gif Figure I.19 : http://fr.audiofanzine.com/dossiers_v3/analogique_numerique/quantificateur.gif Figure I.20 : [43] p.p. 4 Figure II.1 http://www.google.com/imgres?imgurl=http://www.tvdictionary.com/Sample_Diagrams/ag_wcd ma_system_overview_low_res.jpg&imgrefurl=http://www.althosbooks.com/intowc.html&h=30 9&w=468&sz=85&tbnid=j5JGdqVrOJxVEM:&tbnh=86&tbnw=130&prev=/search%3Fq%3Dw cdma%2Bnetwork%26tbm%3Disch%26tbo%3Du&zoom=1&q=wcdma+network&docid=Dxm C1PpEbt4YVM&hl=en&sa=X&ei=CihXTtvHMczBtAat6tGFCw&sqi=2&ved=0CHcQ9QEwCg &dur=5133 Figure II.16 : http://image.made-in-china.com/2f0j00HeLalUjBHhbV/Feeder-Cable.jpg Figure II.20 : http://actu.epfl.ch/public/upload/fckeditorimage/c2/61/microwave_link_source_1.png
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V- Résumé
Dans ce stage on a présentée une étude détaillée sur la théorie, les éléments, l’architecture et les fonctionnalités des réseaux mobiles, en partant de l’ancienne technologie vers celle qui est entrain d’être mise en place au Liban, la théorie en télécoms présente une valeur primordial et elle doit être bien étudiée avant de s’engager à l’application pratique sur les sites mobiles et dans la phase de la planification. Les démarches d’installations des divers éléments de la nouvelle technologie de l’implantation des antennes, le câblage, jusqu'à la migration du NodeB en parallèle avec l’ancien BTS ont été bien expliqués et on a essayé davantage de faire une étude d’intégration entre réseau mobile et le réseau fixe pour surmonter le problème de gaspillage des ressources en dirigeant une partie de la densité du trafic du réseau UMTS au réseau FTTH et réciproquement. On a bien expliqué quels genres de difficultés sont rencontrés et comment interpréter les indicateurs des équipements pour comprendre les fautes et les alarmes pour savoir les éliminer et pour rectifier les erreurs.
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V- Abstract ‘’During the period of this training we have issued a detailed study on the theory, the elements, the ar chitecture a nd the f unctionalities o f m obile ne tworks, s tarting f rom the a ncient G SM technology to the current one (UMTS) which is actually being implanted in Lebanon, the theory of electrical communications must not be taken in vain, for it represents a crucial value and must be carefully studied and understood before engaging in the knowledge application on the area of site e ngineering and site planning. The phases of installation of different UMTS elements from antennas i mplantation, t o cabling, t o t he migration of NodeB w ere c arefully e xplained. O ne major area is being capable of analyzing LED indicators to comprehend what type of faults or alarms correspond to which type of problems and how to rectify them. we have tried to study the feasibility of integration between UMTS and FTTH infrastructures, in order to share resources between t he t wo b ackbones s o w e c an dominate the p roblem of t raffic ov erload a nd network clogging by channeling a fraction of the traffic from UMTS to fixed line and otherwise.’’
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