MEHDI MEKNI
EVALUATION DE PERFORMANCE DE LA
METHODE D’ACCES RADIO 1xEV-DO
Memoire presentea la Faculte des etudes superieures de l’Universite Lavaldans le cadre du programme de maıtrise en informatiquepour l’obtention du grade de maıtre es sciences (M.Sc.)
FACULTE DES SCIENCES ET DE GENIEUNIVERSITE LAVAL
QUEBEC
2006
c©Mehdi MEKNI, 2006
Resume
La technologie d’acces radio 1xEV-DO, egalement connue sous le nom d’IS-856, fait
partie des alternatives potentielles d’evolution pour les systemes CDMA2000 (1x). Elle
est concue pour ameliorer le support des services de donnees, et plus precisement, pour
augmenter la capacite du debit binaire exige par les applications evoluees, comme l’ac-
ces Internet a haut debit, le traitement d’images, la video-conference, la telecopie, la
messagerie multimedia et le courrier electronique. Cette methode d’acces repose sur des
techniques evoluees, comme le codage et la modulation adaptatifs (AMC : Adaptive Mo-
dulation and Coding), les algorithmes d’ordonnancement (Scheduling Algorithm) et de
demande de retransmission automatique hybride (H-ARQ : Hybrid Automatic Repeat
reQuest). Ces techniques permettent de satisfaire les contraintes de qualite de service
qui caracterisent les futures applications a offrir aux usagers mobiles. Nos travaux de
recherche presentent une etude approfondie sur la procedure a suivre pour evaluer la
performance de la methode d’acces radio 1xEV-DO. Ils proposent, a partir d’une serie
de simulations et d’experimentations, une methodologie d’evaluation de performance
en vue de mieux presenter et d’analyser le debit binaire offert. Les resultats obtenus
illustrent la capacite de la technologie 1xEV-DO a offrir un debit binaire en fonction
de celui requis par utilisateur, par service et par secteur. Ces resultats permettent ega-
lement d’explorer les diverses strategies a adopter en vue d’ameliorer les performances
d’une telle technologie.
Abstract
Wireless operators are looking for the right choice to upgrade their 2.5G networks to
3G, 3.5 and 4G, dealing with upcoming data and non-voice related services (circuit and
packet switched) more efficiently. Today, the mobile user may set up a voice call anytime
and anywhere. Tomorrow, he will expect the same flexibility for access to Internet
and high throughput multimedia services. Mobile applications will have to evolve to
today’s realities of wired data communication (e.g high speed wired Internet access).
This research discusses the promising 3G and 4G candidates technologies from a variety
of perspectives, such as air interface performance. These investigations are conducted
according to a complete performance evaluation methodology elaborated to give an
argumented answer to the best migration strategy providing immediate and long-term
profit opportunities to operators. Based on the IMT-2000 requirements for 3G systems,
the 1xEV-DO technology which belongs to cdma2000 standards, and which is emerging
from cdmaOne and IS-95 evolution path, is adopted to achieve experimentation and
simulation processes. The aim of our works is to enhance the air interface access planning
methodology to be included in the global mobile system planning process.
Avant-propos
Ma maıtrise est le resultat de mon premier travail de recherche et n’aurait pu aboutir
sans le soutien d’un certain nombre de personnes. Je souhaite donc commencer par les
remercier chaleureusement.
En premier lieu, je remercie mon directeur de recherche, Ronald Beaubrun, pour
son temps et sa patience. Nos discussions et nos partages d’idees me permettent d’en-
visager sereinement mon avenir dans le monde de la recherche.
Hormis mon directeur de recherche, je tiens egalement a remercier Bernard Moulin
et Sebastien Roy, qui ont accepte d’evaluer ce memoire. Ils sont tous deux professeurs
au Departement d’Informatique et de Genie Logiciel de l’Universite Laval, Quebec.
Durant mon programme d’etude de maıtrise, j’ai eu le plaisir de rencontrer des
personnes merveilleuses qui se reconnaıtront ; au sein du Departement d’informatique,
je pense plus particulierement a ceux qui ont partage mon quotidien.
Il me reste a dedier ce memoire a ma famille, mes amis et tous ceux qui pensent a
moi, qui ont toujours ete presents dans mon coeur, malgre la distance. Je les remercie
de m’avoir toujours accorde leur confiance et de continuer a croire en moi.
A mes parents,
A mes soeurs,
A toute ma famille.
“L’attitude plus que l’aptitude permetde prendre de l’altitude.”
Table des matieres
Resume ii
Abstract iii
Avant-propos iv
Table des matieres vi
Liste des tableaux ix
Table des figures xi
Liste des abreviations xiii
1 Introduction 1
1.1 Concepts de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Problematique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Plan du memoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Caracterisation des reseaux mobiles 6
2.1 Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 La premiere generation (1G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 La deuxieme generation (2G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 La generation (2.5G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.4 La troisieme generation (3G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Architecture systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Sous-systeme reseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Sous-systeme radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Caracteristiques du lien radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Techniques de traitement du signal radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.1 Techniques de multiplexage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 Modulation du signal radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.3 Codage et correction d’erreur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Table des matieres vii
2.4.4 Codage et modulation adaptatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.5 Demande de retransmission automatique hybride (H-ARQ) . . . . 22
2.4.6 Entrelacement (Interleaving) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.7 Algorithmes d’ordonnancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Services et qualite de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.1 Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.2 Qualite de service (QoS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.3 Gestion de la qualite de service (QoS) . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Etude des technologies d’acces radio 32
3.1 Methodes d’acces classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.1 Acces Multiple a Repartition en Frequence . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 Acces Multiple a Repartition dans le Temps . . . . . . . . . . . . 34
3.1.3 Acces Multiple a Repartition de Code . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Techniques d’etalement de spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 Etalement de spectre avec sequence directe . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2 Etalement de spectre avec sauts de frequences . . . . . . . . . . . 37
3.2.3 Etalement de spectre avec sauts de temps . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.4 Facteur d’etalement et configuration radio . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 Evolution des systemes CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.1 La technologie IS-95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.2 Caracteristiques du lien montant (IS-95A) . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.3 Caracteristique du lien descendant (IS-95A) . . . . . . . . . . . . 46
3.3.4 La technologie IS-95B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.5 La technologie 1xMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.6 La technologie 1xEV-DV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4 La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 54
4.1 Interface radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.1 Structure des canaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.2 Modulation et codage adaptifs (AMC) . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.3 Algorithmes d’ordonnancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.4 Demande de retransmission automatique Hybride (H-ARQ) . . . 60
4.2 Methodologie suivie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Definition des parametres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.1 Configuration de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.2 Definition des Modeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.3 Definition des scenarios de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.5 Resultats obtenus et analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Table des matieres viii
5 Conclusion 84
5.1 Synthese des resultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Bibliographie 88
Index 91
Liste des tableaux
1.1 Evolution des systemes CDMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Exemples de systemes cellulaires 1G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Classes de services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Configuration radio et facteur d’etalement du lien descendant. . . . . . . 41
3.2 Configuration radio et facteur d’etalement du lien montant. . . . . . . . . 41
3.3 Caracteristiques techniques du systeme CDMA IS-95. . . . . . . . . . . . 42
3.4 Caracteristiques du canal de trafic du lien montant RS1 (IS-95A). . . . . 45
3.5 Caracteristiques du canal de trafic du lien descendant RS1 (IS-95A). . . . 47
3.6 Caracteristiques du canal de trafic du lien descendant RS2 (IS-95B). . . . 48
3.7 Caracteristiques du canal de trafic du lien montant RS2 (IS-95B). . . . . 49
4.1 Caracteristiques du lien descendant de la technologie 1xEV-DO. . . . . . 59
4.2 Caracteristiques du lien montant de la technologie 1xEV-DO. . . . . . . 59
4.3 Le debit en pic de la technologie 1xEV-DO . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4 Efficacite spectrale de la technologie (1xEV-DO). . . . . . . . . . . . . . 61
4.5 Donnees de configuration d’un site. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6 Donnees de configuration d’une antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.7 Donnees de configuration d’un transmetteur. . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.8 Donnees de configuration d’un secteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.9 Definition des parametres de mobilite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.10 Definition du modele des terminaux mobiles. . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.11 Definition du modele de services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.12 Definition du modele usager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.13 Definition du modele de trafic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.14 Parametres geographiques de simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.15 Profil utilisateur affaire (Business User). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.16 Profil utilisateur standard (Standard User). . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.17 Parametres de l’environnement de simulation. . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.18 Parametres des services offerts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.19 Exemple de definition d’un site. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.20 Exemple de definition d’un transmetteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Liste des tableaux x
4.21 Exemple de definition d’un secteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Table des figures
1.1 Evolution du nombre d’abonnes dans le monde. . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Evolution des systemes mobiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Architecture des reseaux mobiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Techniques de modulation adoptees par les futures methodes d’acces. . . 18
2.4 Schema de l’encodeur pour le codage turbo (Turbo Code). . . . . . . . . 20
2.5 Schema du decodeur pour le codage turbo (Turbo Code). . . . . . . . . . 21
2.6 Structure du systeme de Codage et de Modulation Adaptatifs (AMC). . . 22
3.1 Acces multiple a repartition en frequence (AMRF). . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Acces multiple a repartition dans le temps (AMRT). . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Etalement de spectre a sequence directe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Etalement de spectre avec sauts de frequences. . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5 Etalement de spectre avec sauts de temps. . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6 Evolution des systemes CDMA du standard cdmaOne a cdma2000. . . . 42
3.7 Spectre radio 800-1900 Mhz pour les systemes CDMA (IS-95). . . . . . . 43
3.8 Les canaux de contole (IS-95). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.9 Les canaux de trafic (IS-95). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.10 Structure du canal SCAM de la technologie IS-95B . . . . . . . . . . . . 48
3.11 Le code canal (IS-95). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.12 Planification du projet de specification de la technologie 1xEV-DV. . . . 52
3.13 Structure du lien montant (1xEV-DV). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.14 Structure du lien descendant (1xEV-DV). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1 Structure des canaux (1xEV-DO). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Structure des canaux du lien descendant de la technologie 1xEV-DO. . . 57
4.3 Structure des canaux du lien montant de la technologie 1xEV-DO. . . . . 57
4.4 Performance des algorithmes d’ordonnancement de la technologie 1xEV-
DO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5 La correction d’erreur H-ARQ au niveau du lien descendant de 1xEV-DO. 62
4.6 Carte DTM de la ville de Nice (France). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.7 Zone de calcul de la ville de Nice (France). . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.8 Implementation des donnees radio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Table des figures xii
4.9 Exemple de patron de propagation horizontal d’une antenne. . . . . . . . 72
4.10 Exemple de patron de propagation vertical d’une antenne. . . . . . . . . 73
4.11 Le modele Atoll de projet 1xEV-DO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.12 Debit en fonction de l’indice Ec/Io. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.13 Debit en fonction de l’indice C/I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.14 Debit offert en fonction du debit requis sur le lien descendant par utilisateur. 77
4.15 Debit offert en fonction du debit requis sur le lien montant par utilisateur. 78
4.16 Debit des liens montant et descendant par secteur. . . . . . . . . . . . . . 78
4.17 Debit en fonction de l’indice C/I pour le service d’acces mobile a Internet. 79
4.18 Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service d’acces mobile a Internet. 80
4.19 Debit en fonction de l’indice C/I pour le service de messagerie multimedia. 80
4.20 Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service de messagerie multi-
media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.21 Debit en fonction de l’indice C/I pour le service de visiophonie. . . . . . 81
4.22 Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service de visiophonie. . . . . 82
4.23 Debit moyen par service. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Liste des abreviations
AMRC : Acces Multiple a Repartition en Code
AMRF : Acces Multiple a Repartition en Frequence
AMRT : Acces Multiple a Repartition dans le Temps
AMPS : Advanced Mobile Phone Service
API : Application Programming Interface
BER : Bit Error Rate
BPS : Bit Per Second
BPSK : Binary Phase Shift Keying
BSC : Base Station Controller
BSS : Base Station Subsystem
BTS : Base Transceiver Station
CDMA : Code Division Multiple Access
CRC : Cyclic Redundancy check
CCCH : Common Control Channel
CCR : Commitment Concurrency and Recovery
CDG : CDMA Development Group
CDPD : Cellular Digital Packet Data
D-AMPS : Digital AMPS
DB : Decibels
DBM : Decibels with respect to 1 milliwatt
DCS1800 : DCS 1800 MHz
DCCH : Dedicated Control Channel
DQPSK : Differential Quadrature Phase Shift Keying
DS : Direct Seauence
DSSS : Direct Sequence Sprad Spectrum
EDGE : Enhanced Data for GSM Evolution
ETSI : European Telecommunications Standards Institute
FDD : Frequency Division Duplex
FDMA : Frequency Division Multiple Access
FCH : Fundamental Channel
FEC : Forward Error Correction
FER : Frame Error Rate
Liste des abreviations xiv
GGSN : Gateway GPRS Support Node
GIOP : Gateway Inter-Orb Protocol
GPRS : General Packet Radio Service
GSM : Global System for Mobile communications
HLR : Home Location Registry
IMT 2000 : International Mobile Telecommunication system 2000
ISO : International Organisation for Standardization
ITU : Internation Telecommunication Union
LAN : Local Area Network
MAN : Metropolitan Area Network
MIN : Mobile Identification Number
MN : Mobile Node
MSC : Mobile Server Switching Center
MTSO : Mobile Telephone System Center
NAMPS : Narrow band AMPS
NMT : Nordic Mobile Telephone
PACS : Personal Access Communications Systems
PC : Personal Computer
PCS : Personal Communication System
PDA : Personal Digital Assistant
PDC : Personal Digital Cellular
PDN : Public Data Network
Qos : Quality of Service
RF : Radio Frequency
RNC : Radio Network Controller
RTPC : Reseau Telephonique Public Commute
SGSN : Serving GPRS Support Node
SIG : System d’Information Geographique
SIM : Subscriber Identity Module
TACS : Total Access Communication Services
TCP : Transport Control Protocol
TD-CDMA : Time Division CDMA
TDMA : Time Division Multiple Access
TIA : Telecommunication Industry Association
TIC : Technologies de l’Information et de la communication
UHF : Ultra High Frequency
UIM : User Identity Module
UIT : Union Internationale des Telecommunications
UMTS : Universal Mobile Telecommunication System
UPT : Universal Personal Telecommunications
Liste des abreviations xv
URL : Universal Ressource Location
UTRAN : UMTS Terrestrial Radio Access Network
VHE : Virtual Home Environement
VIP : Virtual Internet Protocol
VLR : Visitor Location Register
WAN : Wide Area Network
WAP : Wireless Application Protocol
W-CDMA : Wideband CDMA
WLAN : Wireless LAN
3G : Third Generation
3GPP2 : 3rd Generation Partnership Project 2
ACK : Acknowledgment
AWGN : Additive White Gaussian Noise
ARQ : Automatic Request Control
CDM : Code Division Multiplex
CDMA2000 : 3G evolution of IS-95 standard
C/I : Carrier Signal to Interference
DRC : Data Rate Control
DTX : Discontinued
HDR : High Data Rate
IIR : Infinite Impulse Response
IR : Incremental Redundancy
IS-856 : 3GPP2 CDMA Interim Standard
PPP : Point to Point Protocol
RLP : Radio Link protocol
RRI : reverse Rate Indicator
TDM : Time Division Multiplex
Chapitre 1
Introduction
Au cours des dernieres annees, l’essor des communications cellulaires mobiles a ete
spectaculaire. Le nombre d’abonnes est passe de 11 millions en 1990 a plus de 2 mil-
liards en 20051. Cette forte croissance est due aux services attractifs proposes tels que
la video-conference, le telechargement et l’animation de donnees multimedia ou encore
les jeux electroniques interactifs. Les systemes de communications qui garantissent les
services de voix et de donnees aux usagers mobiles sont appeles reseaux mobiles. Le
moyen qui permet aux terminaux mobiles de se connecter a de pareils systemes consti-
tue le reseau d’acces. Cette panoplie de services se caracterise par la diversite de son
contenu ainsi que celle de ses exigences techniques. En effet, de tels services, gourmands
en largeur de bande radio, necessitent la mise en place d’un reseau d’acces performant.
La technologie d’acces radio 1xEV-DO (EVolution Data Only), egalement connue sous
le nom d’IS-856, est concue pour augmenter la capacite du debit binaire exige par les
applications evoluees. C’est dans ce cadre que s’inscrit l’objet de ce memoire : Eva-
luation de performance de la methode d’acces radio 1xEV-DO. Dans ce chapitre, nous
presentons d’abord les concepts de base des reseaux mobiles ; ensuite, nous soulevons
la problematique de la planification des reseaux d’acces. Enfin, nous definissons les ob-
jectifs vises par notre travail ainsi que la methodologie appliquee pour les atteindre.
1Source : ITU (International Telecommunication Union) - Rapport des statistiques publie le 15mars 2005.
Chapitre 1. Introduction 2
0
500
1000
1500
2000
2500
300019
8019
8419
8819
9219
9620
0020
04
Mobile
Fixe
Fig. 1.1 – Evolution du nombre d’abonnes dans le monde.
1.1 Concepts de base
Un reseau mobile est un reseau qui permet aux abonnes de communiquer pendant leurs
deplacements. Les futurs reseaux mobiles visent a regrouper les systemes actuels (tele-
phone fixe et sans fil, tele-avertisseur, cellulaire, communications via satellites) en une
infrastructure unique, capable d’offrir un large eventail de services (acces Internet a
haut debit, traitement d’images, video-conference, telecopie, courrier electronique), a la
fois aux abonnes mobiles (pietons, en vehicule) et aux abonnes fixes. De tels reseaux
concretiseront ainsi le principe d’offrir un service accessible en tout temps, en tout lieu,
pour tout le monde (Anytime, anywhere, anyone) [35]. Cette communication est de-
sormais possible grace a la technique d’acces qui permet a ces usagers mobiles de se
connecter au systeme. Cet acces radio est base sur un spectre radio divise en canaux
discrets [32]. L’evaluation de performance d’une methode d’acces radio permet alors
d’analyser la capacite de cette technologie a garantir le support de ces services et appli-
cations evolues. Comme la technologie 1xEV-DO se positionne comme une perspective
potentielle en vue d’equiper les futurs reseaux mobiles, l’etude de sa performance, et
plus precisement de sa capacite en terme de debit binaire offert, s’impose.
1.2 Problematique
Les operateurs ainsi que les fournisseurs de services sont actuellement confrontes a
une problematique quant aux orientations technologiques a suivre pour ameliorer les
Chapitre 1. Introduction 3
performances de leurs systemes. Cette problematique pourrait etre formulee a travers
l’interrogation suivante : Comment doit-on planifier les methodes d’acces des futurs
reseaux mobiles pour garantir le support des applications avancees ? Les technologies
d’acces reposent sur divers elements techniques tels que la modulation, le codage, la
correction d’erreur et l’ordonnancement [21] [31] [10]. La multitude des choix de chacun
de ces elements ainsi que la complexite due a la combinaison de l’ensemble de ces
parametres constituent une problematique. Quelle methodologie doit-on suivre en vue de
supporter les services qui marquent deja les generations futures des systemes mobiles ?
Cette maximisation de performance, combinee a la minimisation du cout d’exploitation,
conduit a des objectifs conflictuels qui requierent un certain compromis entre la qualite
de service a offrir et le cout de deploiement [32]. Dans ce contexte, plusieurs technologies,
basees sur l’acces multiple a repartition de codes (CDMA : Code Division Multiple
Access), ont vu le jour, mais ne permettent pas encore d’atteindre le debit requis par
le trafic multimedia [11] [33] [34].
Plus recemment, les recherches se sont dirigees vers de nouvelles technologies d’ac-
ces [26]. Ces technologies visent a satisfaire les besoins des futurs services multimedias
et a garantir une parfaite compatibilite avec les technologies en cours d’utilisation. Les
familles de standards cdmaOne (IS-95A et IS-95B) et cdma2000 (1xMC, 1xEV-DO et
1xEV-DV (Enhanced Version Data and Voice)), s’inscrivent dans ce cas de figure. Mais,
il n’a pas encore ete demontre que ces technologies, telles que presentees au tableau 1.1,
permettent d’atteindre le debit escompte, en respectant les contraintes de qualite de
service et de cout. D’ou l’interet d’evaluer les performances de telles technologies et
particulierement de la technologie 1xEV-DO. Cette future methode d’acces radio porte
les espoirs des operateurs et des fournisseurs de services pour garantir le support des
applications evoluees.
Systeme CDMA Canal Capacite Maximale Capacite Reelle
cdmaOne IS-95B 1.25 Mhz 115.2 kbps 20 kbps
cdma2000 1xMC 1.25 Mhz 384 kbps 64 kbps
cdma2000 1xEV-DO 1.25 Mhz 2.4 Mbps 384 kbps
cdma2000 1xEV-DV 1.25 Mhz 3.2 Mbps Inconnue
cdma2000 3xMC 3.75 Mhz 4 Mbps Inconnue
Tab. 1.1 – Evolution des systemes CDMA.
Chapitre 1. Introduction 4
1.3 Objectifs
L’objectif de notre recherche est de proposer, a partir d’une serie de simulations
et d’experimentations, une methodologie d’evaluation de performance de la methode
d’acces radio 1xEV-DO. Cette methodologie est basee sur des techniques de modulation,
de codage et de correction d’erreur, en vue d’analyser et d’ameliorer des parametres de
performance tels que le debit binaire. L’idee est alors d’etudier la relation entre le debit
binaire offert et la fiabilite du lien radio a travers les indices d’interference C/I et de
qualite de signal Ec/Io [43]. Plus specifiquement, nous visons les objectifs suivants :
– Explorer les reseaux mobiles a travers leur evolution et leur architecture de base ;
– Caracteriser les parametres fondamentaux des technologies d’acces, comme le
schema de codage et de modulation (AMC ), les algorithmes d’ordonnancement
(Scheduling), le mecanisme de controle d’erreur (H-ARQ) ;
– Etudier d’abord les methodes d’acces radio en s’attardant sur celles qui se basent
sur les techniques d’etalement de spectre, ensuite l’evolution des standards cd-
maOne et cdma2000 qui constituent la base de la technologie 1xEV-DO ;
– Deduire les modeles d’evaluation des performances (modele de mobilite, modele de
trafic, modele de service) qui s’appliquent aux techniques d’etalement de spectre ;
– Implementer les modeles et experimenter la methodologie sur la base d’un en-
semble de scenarios pour valider la fiabilite de l’approche proposee.
Les resultats vises permettront de justifier le choix de la technologie d’acces a adopter
par un operateur telephonique ou un fournisseur de services, lors de la planification du
reseau d’acces. Un tel choix garantit le support des services exigeants, en termes de
largeur de bande et de qualite de service. Ainsi, l’exploitation de tels resultats constitue
un apport significatif dans le domaine des reseaux mobiles. Il en resulte que l’amelio-
ration des performances des technologies d’acces permettra certainement de propulser
ce domaine dans une dimension innovatrice qui ne se soucie plus des limites techniques
qu’il connaıt actuellement.
1.4 Plan du memoire
La suite du memoire est organisee de la maniere suivante. Le chapitre 2 est consacre
a l’etat de l’art du domaine. Nous nous interesserons aux fondements de l’architecture
d’un systeme de communications mobiles, et plus particulierement, aux caracteristiques
du sous systeme radio et des methodes d’acces radio. Des techniques qui caracterisent le
domaine des reseaux mobiles, tels que le codage et la modulation, la correction d’erreur
et l’ordonnancement, seront alors introduites pour permettre une meilleure comprehen-
Chapitre 1. Introduction 5
sion du reste du memoire.
Le chapitre 3 sera une etude complete des diverses methodes d’acces radio ainsi
qu’une analyse des techniques d’etalement de spectre a travers l’evolution des stan-
dards cdmaOne et cdma2000. Cette etude permettra de s’arreter sur les caracteristiques
fondamentales et communes de ces normes.
Le chapitre 4 traitera de l’evaluation de performance de la methode d’acces ra-
dio 1xEV-DO. Dans ce chapitre, nous definirons d’abord notre approche d’evaluation
et les composantes qui la constituent. Ensuite, nous developperons l’implementation
de cette methodologie a travers l’utilisation de l’outil de planification et de simulation
radio AtollTM
. Finalement, l’ensemble des resultats obtenus sera analyse et interprete.
Le present memoire se terminera par le chapitre 5 qui synthetisera les resultats
obtenus et presentera les limitations de notre recherche. Cette conclusion s’achevera par
des perspectives ou nous discuterons des parametres a considerer pour l’amelioration
des performances de la technologie d’acces 1xEV-DO.
Chapitre 2
Caracterisation des reseaux mobiles
L’architecture d’un systeme mobile repose sur une infrastructure materielle et lo-
gicielle dont les composantes assurent les fonctionnalites de base, comme le controle
d’acces, la gestion et l’optimisation des ressources du reseau. L’objectif de ce chapitre
est de presenter les entites de base de cette architecture, en insistant particulierement
sur leur aspect fonctionnel. Le chapitre est organise de la maniere suivante. D’abord,
nous retracerons l’evolution des reseaux mobiles. Ensuite, nous presenterons les sous-
systemes radio et reseau de l’architecture typique des reseaux mobiles de la prochaine
generation. Nous terminerons par une etude detaillee des caracteristiques radio, ainsi
que les services a offrir aux usagers.
2.1 Evolution
Les systemes mobiles comptent deja un certain nombre d’evolutions qui ont ete mar-
quees par la progression des techniques d’acces adoptees tel que illustre a la figure 2.1.
Dans cette section, nous presentons succinctement les differentes generations de reseaux
mobiles ainsi que les methodes d’acces adoptees.
2.1.1 La premiere generation (1G)
Apparue au debut des annees 1970, la premiere generation operait dans la bande de
frequence 890− 915 MHz et 935− 960 MHz. Cette generation comprenait des systemes
et des plates-formes de communications analogiques essentiellement dedies a la trans-
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 7
mission de la voix [32]. Le qualificatif analogique caracterise la methode utilisee pour
vehiculer l’information sur ces systemes. Les concepts cles de cette generation sont la
reutilisation de frequence, a travers l’utilisation de la technique d’acces reseau AMRF
(Acces Multiple a Repartition en Frequence) [17] [36]. Dans le cas de cette technique
d’acces, les terminaux mobiles partagent la bande de frequences disponible en allouant
une partie de cette bande, appelee canal de trafic, a chaque unite mobile. Des limites de
capacite et de fiabilite ont caracterise cette premiere generation. Certains systemes qui
ont marque la premiere generation sont presentes au niveau du tableau 2.1 a travers la
specification des bandes de frequences allouees sur les liens montant et descendant ainsi
que la largeur du canal de transmission et la zone geographique de deploiement.
IS-95A IS-95B
HDR
1XEV-DV
3XMC
1XMC
cdma2000
AMPS / D-AMPS D-AMPS+
GSM
PDC
HSCSDGPRS EDGE
W-CDMA
2000
JP
EU
USA
2001 2002 2003
2G
3G
Évolution totalement compatibleÉvolution partiellement compatibleRefonte complète du système
Fig. 2.1 – Evolution des systemes mobiles.
2.1.2 La deuxieme generation (2G)
Apparue au debut des annees 90, elle caracterise, de facon generale, les systemes
mobiles numeriques [32] [13]. L’usage de la technologie numerique a en effet, permis
de resoudre les problemes de capacite et de securite inherents aux systemes 1G. Les
performances affichees permettent de supporter certains services mais demeurent insuf-
fisantes quant aux applications avancees. Nous ne retiendrons ici que les trois instances
qui connaissent le plus de succes :
– IS-136 et le GSM : fondes sur la technique d’acces AMRT (Acces Multiple a repar-
tition dans le Temps) qui consiste a diviser la bande de frequence disponible en
canaux. Ces canaux sont repartis en un certain nombre de tranches de temps [25].
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 8
Systeme Bande Dsc Bande Mnt Canal Region
AMPS 824-849 869-894 30 US
TACS 890-915 935-960 25 EU
E-TACS 872-905 917-950 25 UK
NMT-450 453-457.5 463-467.5 25 EU
NMT-900 890-915 935-960 12.5 EU
C-450 450-455.74 460-465.74 10 Allemagne, Portugal
RMTS 450-455 460-465 25 Italie
Radiocom2000
192.5-199.5
215.5-233.5
165.2-168.4
414.8-418
200.5-2007.5
207.5-215.7
169.8-173
424.8-428
12.5 France
NTT
925-940
915-918.5
922-925
870-885
860-863.5
867-870
25/6.25
6.25
6.25
Japan
JTACS/NTACS
915-925
898-901
918.5-922
860-870
843-846
863.5-867
25/12.5
25/12.5
12.5
Japan
Tab. 2.1 – Exemples de systemes cellulaires 1G.
On attribue ainsi a chaque utilisateur une tranche de temps qui permet l’acces au
canal pour la duree de cette tranche de temps.
– IS-95 CDMA : basee sur la technique d’acces CDMA [34] [13] ou encore AMRC
(Acces Multiple a repartition de Code) qui consiste a attribuer a chaque terminal
mobile un identifiant unique qui lui permet d’acceder au systeme.
2.1.3 La generation (2.5G)
La rencontre des deux domaines, Internet et les systemes de communication, a permis
d’etendre leurs perspectives conjointement. D’une part, les terminaux mobiles peuvent
se doter de la capacite de se connecter a la toile sans restriction de debit, de temps
ou de lieu. D’autre part, Internet et ses services derives peuvent etre exploites par des
usagers mobiles. Cette generation n’est donc que le fruit de l’evolution de la deuxieme
generation et le GPRS (General Packet Radio Service) constitue un exemple typique
de l’evolution du GSM en adoptant des methodes de modulation de haut niveau et des
techniques de codage efficaces dans le cadre de la methode d’acces AMRT pour offrir
des debits nettement plus interessants [39].
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 9
2.1.4 La troisieme generation (3G)
Cette generation a ete concue dans l’objectif de mettre les systemes mobiles de
deuxieme generation en phase avec le marche en vue de faire face a l’emergence de
l’internet a haute vitesse et du multimedia, en passant par l’amelioration des methodes
d’acces radio [32] [43]. Les reseaux appartenant a cette generation sont supposes etre
capables d’offrir un large eventail de services (donnees haute vitesse et multimedia) et
opereront dans la bande de frequence de 2 GHz. L’organisme de standardisation IMT-
2000 est destine a former la base des systemes mobiles de 3G qui consolidera les envi-
ronnements mobiles incompatibles d’aujourd’hui en une infrastructure reseau et radio
continue [2]. La version europeenne de l’IMT-2000 s’appelle UMTS (Universal Mobile
Telecommunication System). Aux Etats-Unis, le standard est plutot connu sous l’appel-
lation de CDMA-2000. Les systemes 3G sont caracterises par les proprietes suivantes :
– Une grande souplesse pour integrer les services et les applications evoluees ;
– Une performance de debit offert atteignant 144 kbps et meme 384 kbps.
L’evolution des systemes mobiles a introduit de multiples modifications a l’architecture
de base. La section suivante presente l’architecture typique des reseaux mobiles 3G a
travers une description des elements qui la constituent en insistant sur leurs fonctions.
2.2 Architecture systeme
Comme illustre a la figure 2.2, un reseau mobile est constitue de deux sous-systemes :
le sous-systeme radio, dit l’interface radio, et le sous-systeme reseau, dit le noyau du
reseau.
2.2.1 Sous-systeme reseau
Le sous-systeme reseau est constitue de commutateurs ou MSC (Mobile Switching
Center) installes a l’interieur de quelques-unes des cellules, choisies de maniere stra-
tegique. Ces commutateurs interconnectent les differentes stations de base entre elles
et avec d’autres elements fixes du reseau : relies entre eux, ils constituent la partie
fixe de l’infrastructure reseau souvent appelee reseau central ou reseau coeur (core net-
work) [32]. Le sous-systeme reseau integre aussi deux bases de donnees de localisation :
– Une base de donnees nominale HLR (Home Location Register) qui sauvegarde les
informations relatives aux abonnes :
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 10
VLR3
MSC 1 MSC 2 MSC 3
BSC 1 BSC 2 BSC 3 BSC 4 BSC 5 BSC 6
BS
BS
SousSystème
Radio
SousSystèmeRéseau
Réseau fixe
ou RTCPHLR
VLR2
VLR1
Fig. 2.2 – Architecture des reseaux mobiles.
– Donnees statiques : l’ensemble des donnees identifiant l’abonne tels que son
nom, prenom, adresse ;
– Donnees dynamiques : l’ensemble des donnees variables tels que la position de
l’abonnee, la duree des appels.
– Une base de donnees des visiteurs VLR (Visitor Location Register) qui sert a
localiser les unites mobiles en transit dans la zone controlee par le MSC.
2.2.2 Sous-systeme radio
L’etude du systeme radio s’attache directement au sujet traite par le present me-
moire, puisque c’est au niveau de ce sous-systeme que la technologie d’acces est im-
plementee pour assurer le lien entre les abonnes mobiles et le systeme de communica-
tion [32]. Dans un reseau mobile, le territoire couvert, ou zone de couverture dans la
terminologie des systemes mobiles, est generalement decoupe en petites surfaces geo-
graphiquement limitees et communement appelees cellules. Elles sont representees par
des hexagones, On peut alors definir en general trois categories de cellules qui sont :
– Macros-cellules : disposent d’un large rayon de couverture qui peut atteindre les
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 11
30 000 m.
– Micros-cellules : ont un rayon de couverture compris entre 100 et 300 m.
– Picos-cellules : ont un rayon de couverture compris entre 10 et 100 m.
Au niveau du sous-systeme radio, on denombre des entites fondamentales qui sont :
– Une station de base (BTS : Base Transceiver Station) qui dessert une centaine
d’utilisateurs mobiles dans une region donnee, en allouant les ressources permet-
tant de lancer de nouveaux appels et de completer des appels en cours lors de
deplacements a l’interieur des cellules.
– Un controleur de station de base (BSC : Base Station Controller) qui fournit
un support de commutation a plusieurs stations de base voisines, desservant des
milliers d’utilisateurs (les BSC et les BTS sont d’habitude relies par cable ou par
fibre optique, mais ils peuvent aussi etre relies par des liaisons micro-ondes)[32].
Chaque cellule est associee a une station de base ou a un BTS qui integre une antenne
assurant la transmission radio et la signalisation a l’interieur de la cellule. En effet,
integres a la station de base, les canaux de signalisation permettent aux unites mobiles
de communiquer avec le BTS et vice versa. Les stations de base sont a leur tour reliees
a des controleurs de station de base ou des BSC qui gerent les ressources radio ou
les bandes passantes des stations de base associees. Au cours de leur deplacement, les
unites mobiles communiquent par l’intermediaire de l’interface radio avec la station de
base. Cette station de base (BTS ) joue alors le role d’emetteur recepteur de la cellule.
En effet, l’interface radio assure le partage des bandes de frequences entre les diverses
unites mobiles [32]. Si deux unites mobiles emettent au meme moment sur une meme
frequence, en l’absence d’une politique efficace de controle d’acces, une collision des
signaux se produira et la qualite de la transmission se deteriorera, ce qui empechera de
rencontrer les performances necessaires pour supporter les services a offrir.
2.3 Caracteristiques du lien radio
Les gammes de frequences des differents messages transmis sur un lien radio sont
tres diverses : voix humaine pour le telephone (300 Hz a 3000 Hz), musique pour la
haute fidelite (HiFi : Hight Fidelity)(16 Hz a 20 KHz), signal de television (30 Hz a 6
MHz). La transmission a travers le lien radio est sujette aux aleas du parcours. En plus,
un message ne peut etre directement envoye sur le canal de transmission car, d’une
part, les frequences des canaux et des messages ne coıncident pas forcement (il faut
adapter la frequence du signal au mode de transmission) et d’autre part, il s’agit sur-
tout de pouvoir transmettre plusieurs messages sur un meme reseau. D’ou la necessite
de moduler le message a l’aide d’une porteuse afin de l’adapter au canal. A la reception,
il faut effectuer l’operation inverse : la demodulation. Deux types principaux de mo-
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 12
dulation ont ete developpes pour la transmission analogique : modulation d’amplitude
(AM) et modulation de frequence (FM). Ils ont ete etendus a la transmission numerique.
Cette section insiste sur les phenomenes physiques qui affectent les caracteristiques de
l’onde radio lors de sa transmission. Elle permet ainsi d’introduire la presentation des
techniques de traitement du signal radio adoptees par les methodes d’acces des futurs
reseaux mobiles [32] [13].
Il est essentiel de comprendre les principes de la propagation des ondes pour pouvoir pre-
dire les chances et les conditions d’etablissement d’une liaison radio entre deux points :
emetteur et recepteur. Cela permet, par exemple, de definir des parametres tels que :
– Le calcul de la puissance minimale d’un emetteur de radiodiffusion afin d’assurer
une reception confortable sur une zone determinee ;
– la determination de la position d’une station de base pour la radio-telephonie
mobile ;
– l’estimation des chances d’etablissement d’une liaison radio sur ondes courtes ;
– l’etude des phenomenes d’interference entre emetteurs ;
– le calcul du champ electromagnetique a proximite d’un equipement d’emission (ra-
dar, relais, emetteur de television, autre terminal mobile, etc...) pour determiner
les risques encourus par la population se trouvant a proximite.
Selon la frequence, la puissance, la topologie du terrain dans lequel se propage l’onde
radio, la direction et la distance entre l’emetteur et la station receptrice, etc... le niveau
du signal recu a l’extremite du parcours sera plus ou moins eleve, donc plus ou moins
exploitable.
Plus on s’eloigne de l’antenne, plus l’intensite du champ electromagnetique rayonne est
faible. Cette variation est reguliere dans un espace homogene, dans le vide, par exemple.
A la surface de la terre, de nombreux phenomenes viennent contredire cette regle : il
est frequent que l’onde recue directement, interfere avec une reflexion de cette meme
onde sur le sol, sur un obstacle ou sur une couche de l’ionosphere. Dans la pratique, il
est frequent que deux ou plusieurs phenomenes s’appliquent simultanement au trajet
d’une onde : reflexion et diffusion, diffusion et refraction... Ces phenomenes appliques
aux ondes radioelectriques permettent souvent d’etablir des liaisons entre des points
qui ne sont pas en vue directe [32]. Afin de mieux comprendre les caracteristiques de la
propagation de l’onde radio, nous presentons les phenomenes qu’elle est susceptible de
rencontrer dans l’espace. Ces phenomenes sont : la reflexion, la refraction, la diffusion
et l’interference des ondes radio.
Le phenomene de reflexion peut se produire quand une onde se reflechit sur une surface
comme le sol, la surface de l’eau, un mur ou une voiture. On parle de reflexion speculaire
lorsque l’onde se reflechit comme un rayon lumineux le ferait sur un miroir. Une onde
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 13
dont la frequence est de l’ordre de quelques megahertz peut se reflechir sur une des
couches ionisees de la haute atmosphere. La reflexion d’une onde est plus generalement
diffuse, l’onde se reflechissant dans plusieurs directions ainsi qu’un rayon lumineux frap-
pant une surface mate. Une antenne ou un miroir paraboliques fonctionnent de facon
similaire [32].
Le phenomene de refraction peut etre presente par analogie au rayon lumineux qui
est devie lorsqu’il passe d’un milieu d’indice de refraction n1 a un autre d’indice n2.
Ainsi, une onde radio peut subir un changement de direction dependant a la fois de
sa frequence et de la variation de l’indice de refraction. Ce phenomene est particulie-
rement important dans le cas de la propagation ionospherique, la reflexion que subit
une onde decametrique dans l’ionosphere est en fait une suite continue de refractions. Il
est possible de reproduire avec une onde radio dont la longueur d’onde est de quelques
centimetres a quelques decimetres le phenomene observe avec une lentille ou un prisme
en optique classique [32].
Le phenomene de diffusion peut se produire quand une onde rencontre un obstacle
dont la surface n’est pas parfaitement plane et lisse. C’est le cas des couches ionisees,
de la surface du sol dans les regions vallonnees (pour les longueurs d’ondes les plus
grandes) ou de la surface des obstacles (falaises, forets, constructions...) pour les ondes
ultra-courtes (au-dessus de quelques centaines de megahertz). Comme en optique, la
diffusion depend du rapport entre la longueur d’onde et les dimensions des obstacles ou
des irregularites a la surface des obstacles reflechissants. Ces derniers peuvent etre aussi
varies que des rideaux de pluie (en hyperfrequences) ou les zones ionisees de la haute
atmosphere lors des aurores polaires [32].
La definition de l’interference des ondes radio passe par la distinction entre deux phe-
nomenes semblables qui sont : le brouillage occasionne par deux signaux independants,
mais possedant des frequences tres proches, et l’interference apparaissant lorsque l’onde
directe diffusee par un emetteur est recue en meme temps qu’une onde reflechie. Dans
ce dernier cas, les temps de parcours des deux ondes sont differents et les deux signaux
recus sont dephases. Plusieurs cas peuvent alors se presenter :
– dephasage egal a un multiple de la periode : les signaux sont en phase et se
renforcent mutuellement. Leurs amplitudes s’ajoutent ;
– dephasage d’un multiple d’une demi-periode : les signaux sont en opposition de
phase et l’amplitude du plus faible se deduit de celle du plus fort. Si les deux
signaux ont la meme amplitude, le niveau du signal resultant est nul ;
– dephasage quelconque : l’amplitude du signal resultant est intermediaire entre ces
deux valeurs extremes.
Les phenomenes d’interferences peuvent etre tres genants lorsque le temps de parcours
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 14
de l’onde indirecte varie : l’amplitude du signal recu varie alors a un rythme plus ou
moins rapide [32]. Le phenomene d’interference est utilise dans des applications couvrant
de nombreux domaines : mesure de vitesse, radiogoniometrie, etc...
2.4 Techniques de traitement du signal radio
L’expression codage canal et modulation est souvent utilisee pour designer un en-
semble de techniques de traitement du signal appliquees a un signal numerique dans le
but d’optimiser sa transmission au sein des systemes de communications numeriques.
Ces techniques comprennent, entre autres, les codes de correction d’erreurs, l’entrelace-
ment, la modulation codee et non codee, les techniques de demodulation et de decodage,
l’egalisation du canal de transmission, la diversite temporelle, frequentielle ou spatiale,
etc...
2.4.1 Techniques de multiplexage
L’interface radio est composee de deux canaux, l’un montant et l’autre descendant,
asymetriques et independants [40]. On appelle multiplexage, la capacite a transmettre
sur un seul support physique (la bande de frequence), des donnees provenant de plusieurs
intervenants (terminaux mobiles). On distingue trois techniques de multiplexage qui ont
marque le domaine des reseaux mobiles :
– Le multiplexage frequentiel, appele aussi MRF (Multiplexage par Repartition de
Frequence) ou en anglais FDM (Frequency Division Multiplexing) [40]. Il consiste
a partager la bande de frequence disponible en un certain nombre de canaux ou
sous-bandes plus etroits et a affecter en permanence chacun de ces canaux a un
utilisateur ou a un usage exclusif ;
– Le multiplexage TDM (Time Division Multiplexing) ou MRT (Multiplexage a
Repartition dans le Temps) consiste a affecter a un utilisateur unique la totalite
de la bande passante pendant un court instant et a tour de role pour chaque
utilisateur [37].
– Le multiplexage CDM (Code Division Multiplexing) appele aussi MRC (Multi-
plexage par Repartition en Code) dans lequel chaque signal est caracterise par
une sequence codee qui permet de le restituer a partir du signal composite [42].
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 15
2.4.2 Modulation du signal radio
La modulation peut etre definie comme un processus par lequel le message est trans-
forme de sa forme originale en une forme adaptee a la transmission. Ce processus peut
etre realise en utilisant une porteuse a haute frequence, dont les parametres varient en
fonction du message a transmettre [13]. Nous presentons d’abord la modulation analo-
gique. Ensuite, nous developpons la modulation numerique avec les techniques les plus
frequemment utilisees dans les technologies d’acces radio.
Au niveau de la modulation analogique, on distingue trois principales techniques de
modulation du signal radio : modulation d’amplitude, modulation de frequence et mo-
dulation de phase. A partir de ces modes, d’autres variantes ont egalement vu le jour
pour repondre a un besoin technique et une exigence d’adoption et d’utilisation propre
au domaine d’application. Les reseaux mobiles, et plus precisement la couche physique
qui s’interesse au traitement du signal en vue d’offrir des performances de transmission
elevees constitue un des champs ou l’application de ces techniques de modulation affecte
directement la capacite du systeme [13].
La modulation d’amplitude correspond a la valeur de l’amplitude de la porteuse qui
est modulee. On parle alors de modulation AM. Cette modulation correspond a une
operation de multiplication du signal d’origine par la porteuse. Pour demoduler ce
signal a la reception, il faut effectuer le produit du signal recu par une porteuse locale
et filtrer le signal avec un filtre passe bas. Les domaines d’utilisation de la modulation
AM sont frequents tels que la radio et la television hertzienne [14] [24].
La modulation de frequence se base sur la variation de la frequence de la porteuse en
fonction du signal a moduler. On parle alors de modulation FM. Les appareils necessaires
pour la modulation et la demodulation FM sont plus sophistiques, mais le rapport
signal/bruit demeure important. Les domaines d’utilisation de la modulation FM sont
nombreux tels que :
– Radio FM ;
– Television par satellite.
La modulation de phase est fondee sur la variation de la phase de la porteuse. On parle
alors de modulation PM, bien que cette appellation soit rarement utilisee. Cette tech-
nique de modulation est compliquee a mettre en oeuvre car le demodulateur necessite
l’utilisation d’un oscillateur de reference pour detecter les variations de phase. Son in-
teret est qu’elle peut etre utilisee en conjonction avec la modulation d’amplitude sans
que les deux signaux aient a subir de grandes interferences [32]. Les techniques qui ont
ete introduites jusque la ont constitue la base pour diverses techniques derivees de mo-
dulation qui sont plus efficaces et mieux appropriees aux besoins des methodes d’acces
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 16
radio. Les techniques qui vont suivre constituent la base des techniques de modulation
adoptees par de pareils methodes [13].
Au niveau de la modulation numerique, on distingue, parmi les techniques de mo-
dulation les plus repandues, la modulation PSK (Phase Shift Keying). Cette technique
de modulation numerique qui est a l’origine de nombreuses variantes consiste a faire
varier la phase de la porteuse en fonction du signal. Si on a une porteuse A. cos (ω0t),
le signal module est :
m(t) = A. cos (ω0t + φk) (2.1)
L’ensemble des phases φk possibles est donne par :
φk = φ0 + (2k + 1)π
Mavec 0 < k < M (2.2)
La valeur M = 2n est le nombre de symboles pouvant etre distingues. L’expression 2.1
peut encore s’ecrire :
m(t) = A. cos (ω0t). cos (φk) − A. sin (ω0t). sin (φk) (2.3)
C’est la somme de 2 porteuses en quadrature, modulees en amplitude.
La modulation BPSK (Binary Phase Shift Keying) est une modulation a 2 etats de
phase, correspondant a φ0 = 0 et M = 2 dans l’equation 2.2. Les deux etats de phase
sont 0 et π et le signal module est :
m(t) = k. cos (ω0t) avec k ± 1 (2.4)
Il s’agit d’une modulation binaire puisqu’on n’a que 2 symboles : +1 et −1.
La modulation par sauts de phase, en quadrature QPSK (Quadrature Phase Shift
Keying) est une forme de modulation dans laquelle une porteuse est transmise selon
quatre phases, de 45, 135, 225, et 315 . La modification de la phase, d’un symbole au
suivant, encode deux bits par symbole. En QPSK, les quatre angles sont habituelle-
ment en decalage de phase de 90 . C’est l’avantage qu’apporte le QPSK par rapport
au PSK normal, a travers l’encodage deux valeurs pour doubler effectivement la bande
passante. La modulation QPSK est ainsi une modulation a 4 etats de phase, corres-
pondant a φ0 = 0 et M = 4 dans l’equation 2.2. Les 4 etats de phase sont donnes par :
φk = (2K + 1)π
4avec 0 ≤ k < 4 (2.5)
On peut donc coder des symboles de 2 bits. La phase du signal module change de 0,±π2
ou π en passant d’un symbole a l’autre. La modulation QPSK s’obtient par une double
modulation de 2 porteuses en quadrature par un groupe de 2 bits. Elle permet donc
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 17
de transmettre, dans une bande passante donnee, 2 fois plus d’information que ce que
permet la technique de modulation BPSK [13].
La modulation de type 8PSK (Phase Shift Keying), est une modulation par sauts de
phase a 8 etats. A chaque changement d’etat, la phase varie de n fois 45 en plus ou
en moins, chacune de ces variations permet d’identifier la transmission d’un nouveau
triplet de bits. Le debit est ainsi multiplie par trois par rapport a la modulation GMSK
(Gaussian Multiple Shift Keying) a seulement deux etats [21] [14].
La modulation d’amplitude en quadrature, soit QAM (Quadrature Amplitude Modula-
tion) est une forme de modulation d’une porteuse par modification de l’amplitude de
la porteuse elle-meme et d’une onde en quadrature (une onde en decalage de phase de
90 avec la porteuse) selon l’information transportee par deux signaux d’entree. Autre-
ment dit, cela peut etre considere (utilisant une notation en nombre complexe) comme
une simple modulation d’amplitude d’une onde, exprimee en complexe. Ce que cela
signifie est que l’amplitude et la phase de la porteuse sont simultanement modifiees en
fonction de l’information a transmettre. La modulation de phase peut egalement etre
consideree comme un cas particulier de la modulation d’amplitude en quadrature, ou
seule la phase varie. Cette remarque peut egalement etre etendu a la modulation de
frequence car cette derniere peut etre vue comme un cas particulier de la modulation
de phase. QAM est utilisee dans les systemes de television PAL et NTSC, ou les signaux
en phase et a 90 transportent les composantes des informations de couleur (chroma).
Cette modulation est largement utilisee dans les modems, et dans d’autres formes de
communications numeriques sur des canaux de transport analogiques.
Dans les applications numeriques, le signal modulant est generalement quantifie selon
ses composantes en phase et a 90 . L’ensemble des combinaisons d’amplitudes, vue sur
un diagramme en (x, y), est un ensemble de points appele constellation QAM. Cette
constellation, et en consequence le nombre de bits pouvant etre transmis en une fois,
peut etre augmentee pour un meilleur debit binaire, ou diminuee pour ameliorer la
fiabilite de la transmission en generant moins d’erreurs binaires. Le nombre de points
de la constellation est indiquee avant le type de modulation QAM. C’est un nombre
entier, puissance de 2 allant de 21 (2QAM) a 212 (4096QAM). La modulation 256QAM
est frequemment utilisee pour la television numerique par cable et dans le modem par
cable [15] [24].
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 18
1 0
01 00
1011
Q BPSK Q QPSK
Q 8-PSK
C
S
-C
-S
-C -S S C
011 001
000010
100
101111
110
Q 16-QAM0010 0011
01110110
0001 0000
0010 0100
11001101
10001001
11111110
10111010
-3A 3A
3A
-3A
-A
-A
A
Fig. 2.3 – Techniques de modulation adoptees par les futures methodes d’acces.
2.4.3 Codage et correction d’erreur
Le codage de canaux est une technique de controle d’erreur adoptee afin d’assurer
une transmission de donnees a travers des medias qui manquent de fiabilite, et ce en
apportant une certaine forme de redondance au niveau des donnees. Trois classes fon-
damentales de codage sont les plus frequemment utilisees : codage par bloc, codage
convolutionnel, et codage turbo. Dans cette section, on s’interesse aux techniques de
codage par bloc lineaires, pour illustrer leur efficacite quant a la detection ainsi que la
correction d’erreurs. Le FEC (Forward Error Correction) est l’appellation attribuee a
l’equipement receveur quand il est responsable du traitement d’erreurs. En effet, cet
equipement se charge de la recherche des erreurs lors du processus de decodage. Une
fois detectees, il corrige ces erreurs conformement a la capacite de la technique de co-
dage adoptee pour cette transmission de donnees. Le traitement d’erreurs a travers les
diverses techniques de codage, est desormais une etape fondamentale du cycle de traite-
ment du signal dans les systemes modernes de telecommunication [9]. Nous presentons
les techniques fondamentales de codage et de correction d’erreur qui sont : le codage
par bloc, le codage convolutionnel et le codage turbo.
Un codage par bloc encode un bloc de k symboles d’entree en n symboles codes, sachant
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 19
que n est superieur a k. L’objectif d’ajouter les n − k symboles est d’augmenter la
distance minimale de Hamming (MHD : Minimum Hamming Distance). Cette distance
correspond en fait au nombre minimum de symboles differents entres deux mots codes.
pour une distance minimale de Hamming dmin, le codage peut corriger t erreurs sachant
que t peut s’ecrire sous la forme :
t ≤ floor(dmin − 1
2) (2.6)
Notons au passage que la fonction floor(x) denote la fonction arithmetique qui permet
de determiner le plus grand entier inferieur a x. La distance minimale de Hamming
atteint des limites superieures avec une frequence de n − k symboles de la maniere
suivante :
dmin ≤ n − k + 1 (2.7)
Pour les codes binaires, seuls les codes de repetition et les codes de parite unique at-
teignent ces limites superieures. La classe des codes qui depassent cette limite superieure
sont appeles RSC (Reed Solomon Codes). Grace a leur propriete de preserver une bonne
distance entre symboles, les codes RSC sont souvent les blocs de code les plus frequem-
ment utilises par les algorithmes de codage et de decodage. En effet, cette classe de
codes est definie sur un bloc de symboles ou chaque symbole s’etale sur m bits, et ou
un code de longueur n est exprime en fonction de m comme suit :
n = 2m − 1 (2.8)
Le nombre de symboles d’entree k est relie aux parametres deja introduits m et dmin
par :
k = 2m − dmin (2.9)
Une flexibilite que presente encore les codes Reed Solomon est de personnaliser la lon-
gueur desiree du code, et ce en completant le code (le restant de la taille) par des bits
zero. Ainsi, d’apres les formules presentees precedement, le code Reed Solomon est ca-
pable de corriger des symboles errones au dela de ((n−k)/2). Chaque symbole contient
m bits, un total de m((n − k)/2) symboles peuvent etre corriges [13].
Le codage convolutionnel est une operation qui fait correspondre a une suite de k bits
continus d’entree et une suite de n bits de sortie. L’encodage conventionnel peut etre as-
sure grace a un simple decalage binaire modulo−2 du registre de donnees d’entree. Cette
technique repose sur le principe d’une entree unique de donnees et deux sorties de don-
nees Ai et Bi, dont l’imbrication de ces derniers delivre la sequence {A1B1A2B2A3B3...}.Chaque paire de bits de sortie {AiBi} depend de sept bits d’entree qui sont sauvegar-
des dans un registre memoire. La taille de ce registre est appelee longueur de contrainte
(Constraint length). Le decodage des codes conventionnels est une tache qui est sou-
vent deleguee au soft decision Viterbi decoding, une description plus complete de cette
technique est disponible a la reference [2].
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 20
Encodeur 1
Entrelaceur Encodeur 2
Perforage et Multiplexage
Bits en entrée
Bits en sortie
Fig. 2.4 – Schema de l’encodeur pour le codage turbo (Turbo Code).
En 1993, Claude Berrou et al. ont presente une classe de nouveaux codes convolutionels,
enchaınes et paralleles connue sous le nom des codes turbo [38]. Son execution, qui etait
seulement 0.7 dB de la limite de Shannon, constituait une grande amelioration par
rapport a d’autres methodes de codage. L’autre grand avantage des codes turbo est
qu’ils maintiennent la linearite de la complexite globale du systeme de codage.
La figure 2.4 montre le schema fonctionnel d’un encodeur de codage turbo compose deux
encodeurs convolutionnaires systematiques recursifs dits RSC (Recursive Systematic
Convolutional) et un entrelaceur, ou dk est le bit systematique, et c1k et c2
k sont les bits
de controle de parite. Le poids du code est egal a la somme des poids dk, c1k et c2
k au
sein du bloc. L’existence des deux composantes encodeur permet de garantir une grande
distance de Hamming, qui repond le mieux aux exigences du processus de correction
d’erreur FEC (Forward Error Code).
En raison de la presence de l’entrelaceur, il n’est pas possible de presenter la structure
complete des codes turbo par un diagramme d’etat avec une complexite raisonnable.
Ceci signifie que l’approche standard de programmation dynamique (utilisant l’algo-
rithme de Viterbi) ne peut pas etre appliquee pour les codes turbo. Le concept principal
repose sur le principe de fonctionnement d’un groupe de decodeur fonctionnant sur la
base du compte rendu de la connexion LLR (LikeLihood Ratio) pour effectuer l’estima-
tion propre de cette connexion et ameliorer ainsi avec une agregation de l’ensemble de
ces estimations l’evaluation globale de celle-ci. LLR est une mesure d’evaluation totale
d’information. Une partie de cette information sur laquelle se base cette estimation vient
du bit information appele bit intrinseque. L’autre partie de cette information vient de
l’autre decodeur et s’appelle l’information extrinseque. Cette operation est alors iteree
en boucle retroactive pour aboutir a une decision pour chaque bit [32]. La figure 2.5
represente le schema du decodeur pour le codage turbo.
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 21
+RSC Decodeur 1
Entrelaceur
Bits En Entrée
RSC Decodeur 2
Entrelaceur
De-Entrelaceur+
-
-
Systèmatique
Partie 1
Partie 2
-
-
Fig. 2.5 – Schema du decodeur pour le codage turbo (Turbo Code).
2.4.4 Codage et modulation adaptatifs
L’utilisation de la modulation et du codage adaptatifs (AMC : Adaptive Modulation
and Coding) est une des techniques clefs permettant aux systemes sans fil de futures
generations de garantir une efficacite spectrale elevee [26][15]. L’idee de base de l’AMC
est de changer dynamiquement les schemas de modulation et de codage (MCS : Mo-
dulation and Coding Schema) en fonction de l’etat du canal dans l’objectif d’optimiser
l’efficacite spectrale globale. La decision au sujet de choisir le schema de modulation et
de codage approprie est effectuee du cote du recepteur selon l’etat observe de canal avec
l’information vehiculee par l’emetteur dans chaque flux transmis. De nombreuses tech-
niques d’AMC ont ete presentees dans la litterature. Dans ce qui suit, une description
est fournie sur certains de ces articles qui sont les plus appropries au travail de recherche
presente dans ce memoire. Une etude plus approfondie de la matiere est disponible a
la reference [21]. Dans [16] et [14], divers taux et schemas d’adaptation de puissance
sont etudies. La politique d’adaptation de puissance trouvee est essentiellement une for-
mule water-filling temporelle. Dans [15] et [3], une modulation a variation de taux et de
puissance utilisant une modulation MQAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation)
est presentee dont les resultats degages montrent que la technique fournit 5 a 10 dB de
gain de plus que ce que propose la modulation a taux et puissance fixes, et plus de 20
dB de gain de plus par rapport aux techniques de modulation non adaptative.
Dans [3], la capacite du canal est examinee a travers l’application de diverses techniques
adaptatives de transmission. L’adoption de ces techniques montre que l’efficacite spec-
trale pour un canal peut etre amelioree par des techniques adaptatives de transmission
combinee avec la diversite spatiale. Dans [15], on propose un schema d’AMC base sur
la technique de variation du taux et de la puissance du signal [14]. Cette technique
superpose un Codage de Treillis (Trellis Code) sur une modulation non codee. Les re-
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 22
RSC Encodeur
EntrelaceurRestrictif
RSC Encodeur
SBTCDecodeur
EstimateurCannal
PunctureurEntrelaceur
Modulation
Adaptative
Adaptative Encodeur
+ +
L[k] N[k]
Canal
Récepteur
Canal de compte rendu
Emetteur
Fig. 2.6 – Structure du systeme de Codage et de Modulation Adaptatifs (AMC).
sultats de simulation prouvent qu’avec un code simple de treillis de quatre etats, un
gain efficace de codage de 3 dB peut etre realise. Dans [24], une technique adaptative
a taux variable avec une modulation QAM et un codage treillis est discutee. Cette
technique permet d’offrir un taux d’erreurs moyen BER (Bit Error Rate) inferieur aux
techniques avec schema a taux fixe. Dans [14], on propose une autre technique d’AMC
en utilisant la modulation MPSK (M-ary Phase Shift Keying), qui offre un gain de 3
a 20 dB au niveau du taux d’erreurs BER. Dans [15], on propose un schema d’AMC,
qui utilise un ensemble de codes treillis specialement concu pour les canaux gaussiens
AWGN (Additive White Gaussian Noise). Ce schema est applique a un modele de re-
seau micro cellulaire en vue d’etudier l’efficacite spectrale offerte en la comparant a celle
de la technique de modulation codee non adaptative. Les resultats obtenus prouvent
que les schemas d’AMC fournissent des avantages significatifs par rapport a une mo-
dulation non adaptative traditionnel en termes d’efficacite spectrale et de latence de
transmission.
2.4.5 Demande de retransmission automatique hybride (H-
ARQ)
L’Hybride-ARQ est un schema de correction d’erreur ou les blocs d’informations
sont codes pour mieux servir le FEC (Forward Error Correction) lors de la procedure
de retransmission requise par le recepteur en vue de remedier aux erreurs qui ont affecte
la transmission initiale. L’hybride-ARQ est utilise au niveau des canaux de trafic sur le
lien descendant pour adapter les taux de codage de l’emetteur par rapport aux taux de
donnees du recepteur (terminal mobile). Le canal de trafic du lien descendant adapte
un code FEC (Turbo code et code a repetition) et un schema de modulation decide sur
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 23
la base de l’indicateur de qualite du signal (DRI : Data Rate Indicator). Cet indicateur
est fixe suite aux mesures du signal sur bruit (SNIR) faites au niveau du canal pilote.
Une strategie a deux etapes est alors a envisager pour assurer les caracteristiques de
transmission des donnees en terme de taux de codage et de debit assures ; la premiere
etape consiste en un controle de puissance et de taux de codage fonde sur l’interpretation
des conditions du lien. La deuxieme etape implique le H-ARQ pour permettre une
adaptation des taux de codage et ceux des donnees basee sur une prediction de la
qualite du lien. Dans des contextes de transmission a faibles delais et ne presentant pas
de phenomenes d’attenuations excessives (channel fading), l’ecart entre les decisions
prises sur l’interpretation du DRI a priori ou a posteriori est negligeable. Cependant
dans le cas contraire, la strategie de controle de puissance est privilegiee [27].
2.4.6 Entrelacement (Interleaving)
Il figure parmi les mecanismes mis en place pour pallier a une attenuation profonde
de la puissance du signal (Deep Fading) due aux conditions de propagation de l’onde
radio. C’est l’entrelacement temporel (Time Interleaving) qui consiste a combiner sur
un certain intervalle de temps les donnees de telle maniere qu’une attenuation du si-
gnal soit caracterisee par peu d’erreurs sur une longue duree plutot que des erreurs
frequentes sur une courte duree. En effet, les mecanismes de correction d’erreurs sont
plus efficaces a corriger des erreurs dispersees plutot qu’une longue suite d’erreurs (une
disparition aleatoire du signal). En effet, deux temps d’entrelacement sont possibles :
400 millisecondes ou 2 secondes. A noter que plus le temps d’entrelacement est long,
plus le recepteur mettra de temps a recevoir le signal lorsque l’on change de frequence.
2.4.7 Algorithmes d’ordonnancement
L’algorithme d’ordonnancement est un concept qui permet de repondre a la ques-
tion suivante : ”En presence de plusieurs demandes d’acces, laquelle le controleur d’acces
devra-t-il servir en premier ?” Dans ce paragraphe, nous presentons les principaux algo-
rithmes d’ordonnancement qui ont ete implementes au niveau des commutateurs [10].
En effet, ces algorithmes sont decomposes en 4 familles :
– L’ordonnanceur a priorite absolue ;
– Les ordonnanceurs derives de GPS (Generalized Processor Sharing) ;
– Les ordonnanceurs derives du RR (Round Robin) ;
– Les ordonnanceurs temporels.
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 24
Bien que nous ayons decompose les algorithmes en 4 familles, toute combinaison entre
ces familles est permise. Cependant, des proprietes communes sont tout de meme veri-
fiees independamment de la decomposition a savoir [4] :
– Isolation des flux : quelque soit le debit des flux sources, la portion de service
allouee aux differents flux doit etre la plus proche de celle requise [4]. En presence
de flux a debit eleve, les flux a faible debit ne doivent pas etre penalises ;
– Delai : le retard introduit par le traitement de l’algorithme doit etre acceptable
pour la QoS du systeme ;
– Efficacite d’utilisation : la bande passante du systeme doit etre efficacement ex-
ploitee ;
– L’equite : la bande passante du reseau doit etre partagee equitablement entre les
differents usagers mobiles actifs de la meme classe ;
– Simplicite : l’algorithme d’ordonnancement doit etre facile a implementer et simple
a gerer ;
– Facteur d’echelle : l’algorithme devra gerer un grand nombre de connexions et
devra supporter une variation du debit offert par le lien [22].
Nous presentons les algorithmes d’ordonnancement qui ont caracterise les methodes
d’acces radio afin d’offrir une meilleure capacite et un meilleur partage de la ressource
radio. Ces algorithmes sont : First In First Out (FIFO), Head Of the Line (HOL),
Generalised Processor Sharing (GPS), Weighted Fair Queuing (WFQ), Worst-case Fair
Weighted Fair Queuing (WF2Q), Round Robin (RR), Weighted Round Robin (WRR)
et Deficit Round Robin (DRR).
L’algorithme First In First Out est l’algorithme d’ordonnancement le plus simple :
l’ordre de service des paquets est l’ordre chronologique de leur arrivee dans la file.
L’avantage d’un tel algorithme est sa simplicite absolue (pas de puissance du processeur
utilise ni de memoire supplementaire). Bien sur, ce schema ne permet de differencier
aucune classe de trafic.
L’algorithme Head Of the Line est un algorithme assez simple : a l’entree de l’ordon-
nanceur, les paquets sont classifies et mis dans des files. La priorite de chaque paquet
correspond a la priorite de sa file. Les files sont servies de la file la plus prioritaire a
la file la moins prioritaire. Cet algorithme ne garantit la performance que pour les pa-
quets de plus haute priorite. Nous savons aussi d’apres la theorie des files d’attentes que
le temps d’attente moyen de la file d’attente la plus prioritaire depend aussi du taux
d’arrivee et du temps de service moyen de toutes les files [22].
L’algorithme Generalised Processor Sharing garantit une borne au delai de traversee
du reseau. Pour chaque acces i, un poids φi est associe [4]. En consequence, la capacite
du lien sera partagee entre les differentes connexions en fonctions du poids associe a
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 25
chacune d’elles. Si C designe la capacite du lien, alors le debit minimum garanti pour
l’acces i en presence de N − 1 autres classes de poids Φj , j ∈ 1..N − 1 sera :
mdi=
Φi∑Nj=1 Φj
.C (2.10)
Lorsqu’une ou plusieurs connexions n’emettent pas de paquets, leur(s) part(s) seront
reparties sur les autres connexions actives en fonction du poids respectif de chacune
d’elles. Donc nous pouvons ecrire :
Di =
⎧⎨⎩
Φi�j∈B(t) Φj
.C , i ∈ B(t)
0 autrement(2.11)
Ou :
Di(t) : debit( alloue a la connexion i a l’instant t.
C : debit total du lien.
B(t) : l’ensemble des connexions actives a l’instant t.
Cependant l’algorithme GPS considere que le controleur d’acces peut traiter plusieurs
files simultanement et que le trafic est divisible indefiniment.
L’algorithme Weighted Fair Queuing est derive de GPS et de PGPS (Packet per pa-
quet Generalised Processor Sharing) connu aussi sous le nom de WFQ (Weighted Fair
Queuing) [4] . A l’instant τ de l’emission d’un paquet, WFQ choisit le premier paquet,
parmi ceux de la file WFQ et sa transmission en GPS est toujours inferieure au temps
de transmission d’un paquet de taille maximale. De meme, en terme de quantite de bits
servie pour chaque session i, la file GPS peut, au maximum, envoyer la taille maximale
d’un paquet de plus que la file WFQ correspondante. Le debit garanti pour la connexion
i s’exprime par :
Di(t) =Φi∑j Φj
.C (2.12)
L’algorithme Worst-case Fair Weighted Fair Queuing est equitable meme avec le cas le
plus penalisant. A l’instant τ , quand le serveur WF 2Q entreprend le processus de choix
du paquet emis, il ne considere que les paquets qui ont deja entame leur service dans le
systeme GPS correspondant.
L’algorithme Round Robin consiste a scruter les files les unes a la suite des autres. Si la
file contient un paquet, ce dernier sera servi. Par contre, si aucun paquet ne se trouve a
ce moment, l’ordonnanceur passe directement a la file suivante. Plusieurs methodes de
services existent :
– Le serveur reste dans une file tant que des paquets sont a traiter ;
– Un nombre limite de paquets peut etre servi pour chaque file.
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 26
Cet algorithme est simple. Il est equitable si les paquets des differentes files sont de la
meme longueur. Dans le cas contraire, les files avec les paquets les plus longs seront les
mieux servies .
Au niveau de l’algorithme Weighted Round Robin, l’ordonnanceur parcourt les diffe-
rentes files et les sert en fonction du poids associe a chacune d’elles. Cet ordonnanceur
reste simple. l’equite est verifiee si les paquets des differentes files ont la meme longueur.
Dans le cas contraire, ce sont les files avec les paquets de plus grandes tailles qui seront
favorisees .
Les concepteurs de l’algorithme Deficit Round Robin voulaient resoudre le probleme
de l’equite de WRR. Ils ont alors introduit un compteur de deficit lie a chaque file. A
chaque tour, ce compteur est incremente d’un quantum qi pour la classe i. Si la valeur
du compteur devient plus grand que la taille du premier paquet dans la file, alors ce
paquet sera envoye au reseau et le compteur de la file sera reduit de la valeur de la
taille du paquet. Cette valeur sera sauvegardee pour le prochain tour. Dans le cas ou
la somme du deficit et du quantum est inferieure a la taille du paquet, le deficit est
incremente du quantum sauvegarde, mais le paquet ne sera pas emis. L’ordonnanceur
passera ensuite a la prochaine file. Quand l’ordonnanceur se presente devant une file
vide, le deficit de cette derniere est initialise a zero afin de preserver l’equite. Ainsi
l’ordonnanceur devient independant de la taille des paquets de chaque classe. Par le
choix du quantum de chaque file, la bande passante allouee a chaque classe sera fixee .
Les ordonnanceurs temporels constituent une famille qui traite les paquets en fonc-
tion de leur ordre temporel d’emission. Chaque paquet admet un certain temps limite
d’envoi en fonction de sa classe. Nous presentons les algorithmes qui caracterisent cette
famille d’ordonnanceurs temporels : Earliest Deadline First (EDF) et Earliest Due Date
(EDD).
L’algorithme Earliest Deadline First associe a chaque paquet un delai maximum d’at-
tente i.e. deadline. A l’entree de l’ordonnanceur, ce dernier fixe pour chaque paquet un
temps au bout duquel il doit etre servi. Ainsi, les paquets sont tries et donc en fonction
de la valeur croissante du delai permis. Le probleme qui existe avec cette technique est
relatif au cas de surcharge de la station de base, les performances en terme de garantie
de delai d’attente ne seront plus respectees. Pour resoudre ce probleme, il faudra un
systeme preemptif qui decide d’arreter l’emission d’un paquet dans les instants de sur-
charge. Plusieurs articles ont propose des methodes pour ameliorer les performances de
l’EDF pendant les surcharges. Les options etaient les suivantes :
– La preemption : arreter le traitement d’un paquet, traiter un autre, puis revenir
au premier et continuer son traitement ;
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 27
– L’elimination des paquets dont le delai maximal est depasse.
L’algorithme Delay Earliest Due Date (Delay EDD) fixe sur chaque station de base
le seuil du delai de tel sorte que si toutes les connexions sont a un debit maximal, le
delai subit reste inferieur a la limite imposee par le flux. Avant d’accepter un flux, ce
mecanisme effectue un controle d’admission afin de s’assurer que les performances des
flux deja presents dans le reseau ne seront pas deteriorees.
2.5 Services et qualite de service
Dans cette section, nous commencons d’abord par caracteriser les services offerts.
Ensuite, nous developpons la qualite de service qui constitue un parametre determinant
de ces services. Enfin, nous presentons la gestion de cette qualite de service.
2.5.1 Services
La fonction principale des technologies d’acces est d’offrir un lien radio performant
afin de supporter les futurs services a offrir aux usagers. Les espoirs qui reposent sur
ces services et ces applications evoluees futures ainsi que leur impact sur les revenus de
ses operateurs et fournisseurs de services incite a analyser les exigences de chacune de
ces categories en terme de qualites de service a garantir. Une classification basee sur les
exigences techniques en matiere d’interactivite et de debit binaire de chaque classe de
service est disponible au tableau 2.2 [8].
Classe de services Delai (s) Debit Exemple
Conversationnel << 1 32 − 384 kbps Conference video
Streaming < 1 32 − 128 kbps Audio, Video
Interactif ≈ 1 5 kbps Navigation web
Arriere-plan > 1 1 kbps Telecopieur
Tab. 2.2 – Classes de services.
Une illustration avec des applications reelles permet de mieux s’arreter sur la nature
de la qualite de service exigee ainsi que l’origine du besoin :
1. Classe Conversationnelle : La sensibilite au faible debit, au delai et aux erreurs
caracterisent cette classe d’applications. En effet, a cause des fluctuations et des
retards, la qualite du service risque de se degrader rapidement d’ou la necessite
du maintien d’une bonne coherence du flux de donnees supporte. L’aspect temps
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 28
reel impose un indice d’erreur extremement bas pour eviter des procedures de
correction a travers des re-envois de paquets.
– Telephonie ;
– VoIP : Voie sur IP ;
– Videoconference ;
– Jeux interactifs.
2. Classe Lecture : Cette classe se caracterise par son aspect unidirectionnel (re-
ception exclusive), ainsi le debit, les delais et les erreurs demeurent les indices
cles qui definissent la qualite de service mais avec plus de flexibilite que la classe
conversationnelle.
– Lecture de fichiers audio ou video compresses.
3. Classe interactive : L’aspect interactif entre les entites qui sont impliques (client,
serveur(s)) ainsi que l’echange de donnees qui s’etablit le long de la duree de
connexion, exige un respect aussi bien du debit pour mettre l’accent sur la fre-
quence des scenarios d’envoi reception que du delai dit Round-trip pour garder la
coherence du contenu de cette echange.
– Navigation sur Internet ;
– Acces distant ;
– E-Commerce : Commerce Electronique ;
4. Classe arriere-plan : Particulierement reservee aux services qui se declenchent en
arriere-plan avec une strategie de meilleur effort (Best effort), seul le respect de
l’indice d’erreur peut caracteriser les applications de cette classe.
– Telechargement ;
– Mise a jour d’applications embarquees ;
– Courrier electronique.
2.5.2 Qualite de service (QoS)
La qualite de service est une mesure de la satisfaction des usagers d’un systeme.
Les parametres qui definissent la qualite de service sont etroitement lies a la nature
meme des applications supportees. Dans le cadre de cette recherche, nous pouvons citer
certaines specifications particulieres qui touchent directement les performances affichees
par les techniques d’acces tels que :
– La specification des performances du flux : la capacite de garantir les exigences des
flux supportes. Des parametres tels que : le debit binaire, les delais, la gigue, et le
taux de perte sont determinants pour le bon fonctionnement des futurs services
multimedias. Ces specifications permettent de definir les besoins ainsi que les
exigences avec une approche metrique quantitative ;
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 29
Nous presentons les parametres fondamentaux qui caracterisent les services et les ap-
plications evoluees : le debit, la fiabilite et le delai.
Le debit exprime le taux binaire de reception de donnees lors d’une connexion. L’exi-
gence en terme de debit dans le contexte d’une qualite de service est definie par l’ex-
pression 2.13
W ≥ Wmin (2.13)
ou W correspond au debit assure par le service, alors que Wmin est la limite inferieure
du debit specifie par le client.
La fiabilite decoule du rapport des trames erronees par l’ensemble des trames emises.
Ce rapport est appele FER1= taux de frames erronees. Ce taux est defini comme le
demontre l’equation 2.14.
FER = totTrames−Err/totTrames−Rec (2.14)
avec totTrames−Err = Nombre total des trames erronees et totTrame−Rec = Nombre total
des trames recues.
FER ≤ FERmax (2.15)
La fiabilite est souvent synonyme de BER2 qui correspond au taux de bits errones
lorsqu’on restreint l’etude de la transmission a la couche physique. En effet, le sujet
traite par notre recherche couvre les performances des techniques d’acces radio. Ces
methodes d’acces operent exclusivement au niveau de la couche physique d’ou la perti-
nence d’introduire cet indice comme parametre determinant pour la gestion de la qualite
de service.
Le delai est une contrainte specifiee par le client, c’est-a-dire le temps entre le debut de
transmission d’une trame et la fin de sa reception par le meme niveau de couche. La
limite de delai toleree peut etre exprimee par :
Di ≤ Dmax, ∀i. (2.16)
ou Di est le delai correspondant a toute Tramei et Dmax sa limite superieure. Le delai
de bout en bout regroupe les aspects suivants :
– Delai de traitement ;
– Delai de transmission ;
– Delai d’attente ;
– Delai de propagation.
1FER = Frame Error Rate2BER = Bit Error Rate
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 30
2.5.3 Gestion de la qualite de service (QoS)
Dans un reseau mobile, la qualite de service [8] fait l’objet d’une attention particu-
liere. En effet, dans le but d’optimiser l’utilisation des ressources radio, les differents
services ont ete classes en fonction de leur sensibilite a la degradation de certains para-
metres et, pour chacun d’entre eux, la transmission s’effectue en optimisant ces differents
parametres. Il s’agit d’une veritable gestion de la qualite de service. Cinq parametres
ont ete identifies, qui concourent aux performances du systeme :
– disponibilite du reseau ;
– debit reel de transmission des donnees ;
– taux de perte des paquets ;
– retard de transmission ;
– gigue, ou variation du delai de transmission.
La gestion de la qualite de service s’interesse aux quatre derniers, la disponibilite du
reseau devant, dans tous les cas, etre aussi proche que possible de 100%. Pour obtenir
la qualite de service prevue, un reseau mobile s’appuie sur des mecanismes de gestion
du trafic. Celui-ci est classe en niveaux de service en fonction des applications. Le
systeme mobile fonctionne selon le principe de la non-reservation de ressources, une
negociation permanente du niveau de qualite de service etant effectuee, en fonction des
ressources disponibles et des besoins des usagers a un moment donne. Cette negociation
est effectuee a travers une interaction entre les composantes du systeme.
L’information echangee entre les composantes du systeme mobile et relative a la qualite
de service est stockee dans un profil QoS. Ainsi pour permettre une distinction et
un traitement specifique de chaque profil, on definit l’ensemble des classes de QoS
suivantes :
– Classes de priorite : elles correspondent a l’importance de conserver les don-
nees en toutes circonstances (trois classes : haute priorite, priorite normale, basse
priorite) ;
– Classes de retard : quatre classes de delai de transmission d’un point d’acces a
un autre, independamment de l’influence des reseaux exterieurs, ont ete definies.
La quatrieme classe correspond seulement a un « meilleur effort », alors que pour
un paquet de 128 octets, le temps de propagation moyen dans le reseau GPRS est
fixe a 0, 5 s en classe 1 et jusqu’a 50 s en classe 3 ;
– Classes de fiabilite : pour des transmissions de donnees, la perte de donnees ou
la transmission de donnees erronees sont critiques. On s’interesse donc a la proba-
bilite de perdre des donnees, de les delivrer dans un ordre errone, de les acheminer
plusieurs fois ou de transmettre des donnees fausses. Pour chaque service, un ni-
veau de fiabilite est requis. Il y a cinq classes, correspondant a des combinaisons
de sensibilite aux parametres telles que la transmission en temps reel, les erreurs
Chapitre 2. Caracterisation des reseaux mobiles 31
de transmission, les pertes d’information ;
– Classes de debit maximal : neuf classes de debit maximal, allant de 8 kbits
a 2048 kbits, ont ete definies. Ces debits de transmission peuvent etre atteints a
certains moments de la transmission mais ne sont pas garantis de maniere conti-
nue, dependant en fait des ressources disponibles dans le reseau. Ils peuvent aussi
etre limites par l’operateur pour des raisons purement commerciales ;
– Classes de debit moyen : dix-huit classes, correspondant au debit reellement
transmis sur une duree moyenne de communication en mode paquet, ont ete defi-
nies. Elles varient de 0,22 bit/s a 44 kbits/s. Une dix-neuvieme classe (numerotee
« 31 », en prevision de l’introduction future de debits moyens intermediaires)
correspond a 111 kbits/s, en « meilleur effort ».
Par ailleurs, quatre classes de trafic, ayant chacune ses parametres de qualite de service
definis, ont ete introduites :
– Conversational (mode conversation) : ce mode correspond essentiellement a
la telephonie. Le debit varie de 4 a 25 kbits et le delai de transmission est inferieur
a 150ms.
– Streaming (mode flux de donnees) : il s’agit de la transmission unidirection-
nelle de sons et d’images vers le mobile, a un debit variant de 32 kbits a 128 kbits
pour le son, 32 kbits a 384 kbits pour l’image, avec un retard inferieur a 10 s.
– Interactive (mode interactif) : ce mode correspond essentiellement a la consul-
tation de pages sur l’Internet. Le temps de reponse additionnel du a la traversee
du reseau doit etre inferieur a 4 s par page.
– Background (mode tache de fond) : les transmissions en mode tache de fond
sont celles qui n’ont pas d’exigence de qualite relative aux parametres des prece-
dentes classes de service et peuvent s’effectuer en simultaneite avec des transmis-
sions plus prioritaires. Seul l’integrite de la transmission doit etre assuree, mais
sans souci du delai de transmission, lequel n’est pas precise et peut atteindre
plusieurs dizaines de secondes, voire de minutes.
Chapitre 3
Etude des technologies d’acces radio
Les technologies d’acces jouent un role preponderant dans la qualite de service a
offrir dans un reseau mobile. Cette qualite de service s’exprime par la capacite a trans-
mettre beaucoup d’informations par unite de temps. L’amelioration de cette capacite se
refletera sur la capacite globale du reseau. Dans ce chapitre, nous presenterons la tech-
nologie d’acces multiple comme une approche optimisee pour l’exploitation du spectre
radio qui constitue une ressource rare dans les reseaux mobiles. Nous commencerons
dans la premiere partie par faire le tour des methodes d’acces radio qui ont marque les
systemes mobiles. Dans la deuxieme section, nous nous attarderons sur les techniques
d’etalement de spectre. Ces techniques constituent la base des systemes CDMA (Code
Division Multiple Access) que nous developperons dans la troisieme et derniere section
de ce chapitre.
3.1 Methodes d’acces classiques
Dans un reseau mobile, la bande de frequences disponibles est divisee en canaux
discrets affectes en groupes a des cellules couvrant une region geographique. Le spectre
radio constitue une ressource tellement rare et precieuse, qu’on ne permet pas de garder
une connexion permanente entre le terminal mobile et la station de base. Cela nous
amene a penser a une strategie de partager cette ressource entre les divers usagers.
Ce partage doit etre optimise en vue de maximiser la capacite des usagers supportes.
Des techniques d’acces multiple sont alors mises en place pour permettre a plusieurs
utilisateurs de partager efficacement la bande radio disponible. Ces techniques sont
divisees en :
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 33
– Acces Multiple a Repartition en Frequence AMRF (FDMA : Frequency Division
Multiple Access) [36] ;
– Acces Multiple a Repartition dans le Temps AMRT (TDMA : Time Division
Multiple Access) [25] [39] ;
– Acces Multiple a Repartition de Code AMRC (CDMA : Code Division Multiple
Access [39].
Presentons ces methodes d’acces radio.
3.1.1 Acces Multiple a Repartition en Frequence
La technologie AMRF permet de diviser la bande radio en sous-canaux de largeur
etroite. Des bandes de garde sont alors utilisees pour separer les canaux adjacents et
minimiser les interferences [17]. Le systeme de communication AMPS qui etait implante
aux Etats-Unis, et qui operait sur les bandes de frequences [824−849] Mhz et [869−894]
Mhz avec une largeur de canal de 30 Khz, constitue un exemple de systeme ayant adopte
cette technique d’acces multiple. Le tableau 2.1 comporte encore plus d’exemples de
systemes 1G. Cette technologie d’acces multiple presente plusieurs avantages [36] :
– L’augmentation de la capacite offerte peut etre assuree grace a la reduction du
debit supporte et a l’utilisation des techniques de codage efficaces ;
– La conception technologique AMRF est relativement simple. Son implementation
peut etre pensee autour d’une gestion de la ressource pour satisfaire les exigences
de la qualite de service de la voix.
Toutefois, la technologie AMRF presente certaines limites :
– La technologie AMRF ne presente pas de difference significative par rapport aux
systemes analogiques, puisque l’augmentation de la capacite est tributaire de la
reduction des facteurs signal/interference et signal/bruit ;
– Le debit maximum supporte par un canal est fixe et limite, ce qui restreint les
perspectives des services qui peuvent etre offerts en adoptant cette technologie
d’acces, particulierement ceux des futurs systemes mobiles qui sont exigeants en
debit binaire.
La figure 3.1 presente les caracteristiques de la technique d’acces AMRF. Nous distin-
guons, au niveau de cette figure, un decoupage principal de la bande radio en deux
parties pour couvrir les liens montant et descendant. Ensuite, un decoupage secondaire
de ces deux bandes radio en canaux separes par des bandes de garde.
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 34
Lien Montant
Circuit ...Fréquence 1
Fréquence 2
Fréquence n
Circuit ...
Circuit ...
.
.
.
.
.
.
Circuit ...Fréquence 1
Fréquence 2
Fréquence n
Circuit ...
Circuit ...
.
.
.
.
.
.
Lien Descendant
Temps
Fréquence
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
Fig. 3.1 – Acces multiple a repartition en frequence (AMRF).
3.1.2 Acces Multiple a Repartition dans le Temps
Alors que la technique d’acces multiple AMRF permet le partage du spectre radio
entre les usagers grace a une division de la bande de frequences. La technique AMRT
se base sur le principe de l’allocation temporelle de cette ressource radio. En effet,
l’information de chaque usager est acheminee durant un intervalle de temps appele slot.
Une trame de messages est alors composee d’un nombre de slots. Chaque slot comporte
un preambule servant de delimiteur et d’identificateur de la trame, ce qui permettra une
meilleure synchronisation lors de la reception, en plus d’une suite de bits qui represente
le message a transmettre [25] [39]. Un temps de garde est requis entre les usagers
afin d’eviter le chevauchement des messages. Le systeme de communication GSM fait
partie des systemes fondes sur AMRF. Cette technique d’acces presente de nombreux
avantages :
– L’offre d’une certaine flexibilite quant aux debits supportes, non seulement a tra-
vers l’allocation multiple des canaux, mais aussi par rapport aux usagers qui
sollicitent le systeme ;
– La distinction des bandes etroites grace a la synchronisation temporelle qui evite
d’augmenter le cout des terminaux mobiles ;
– Le decoupage du message en trames, ce qui offre a la fois une meilleure gestion et
un meilleur controle de debit et d’erreur ;
– L’utilisation optimisee et efficace du spectre radio : plus besoin de bandes de garde
entre les sous-canaux ;
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 35
Lien Montant
Lien Descendant
Temps
FréquenceSlot 1 Slot 2 Slot 3 Slot m
CircuitFréquence 1
Fréquence 2
Fréquence n
.
.
.
.
.
.
Circuit Circuit … Circuit
Circuit Circuit Circuit … Circuit
Circuit Circuit Circuit … Circuit
CircuitFréquence 1
Fréquence 2
Fréquence n
.
.
.
.
.
.
Circuit Circuit … Circuit
Circuit Circuit Circuit … Circuit
Circuit Circuit Circuit … Circuit
Fig. 3.2 – Acces multiple a repartition dans le temps (AMRT).
– La transmission de chaque signal avec un temps de garde approprie pour garantir
la synchronisation.
La technologie AMRT presente toutefois certaines limites [39] :
– Elle exige un pic en puissance lors de la transmission sur le lien montant, ce qui
reduit considerablement son autonomie ;
– Elle necessite la synchronisation du signal a la reception pour delimiter les trames
et extraire les messages.
La figure 3.2 illustre la repartition des frequences ainsi que leur utilisation a travers
le temps. Le slot constitue une unite d’allocation exclusive de la bande de frequence
a un usager durant un intervalle de temps. Cette allocation temporelle du canal de
communication est effectuee de facon identique sur les liens montant et descendant.
3.1.3 Acces Multiple a Repartition de Code
Conformement aux standards IS-95A/J-STD-008 [34], les principales caracteris-
tiques d’un systeme CDMA s’articulent non seulement autour d’aspects techniques re-
latifs a la capacite et la qualite de service, mais aussi autour des aspects economiques
relatifs aux couts d’etablissement et d’exploitation d’un systeme. En effet, la capacite
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 36
projetee par un systeme CDMA est plus importante que celle offerte par d’autres sys-
temes analogiques ou numeriques [11] [33]. Cette capacite releve des techniques et des
schemas de codage et de modulation adoptes, du facteur d’activite de la voix, de la
sectorisation radio ainsi que de la reutilisation entiere du spectre radio dans chaque
cellule ou dans chaque secteur.
Dans le meme ordre d’idees, un systeme CDMA fournit une qualite de service qui ga-
rantit une robustesse qui corrige le defaut de fiabilite qui caracterise le lien radio [13].
Grace a cette methode d’acces radio, les defauts du lien radio qui limitent les perfor-
mances des systemes a bandes etroites sont exploites pour offrir une meilleure capacite
au systeme. En fait, des phenomenes tels que l’attenuation, la degradation de la qualite
du signal, les procedures de releve repetitives sont geres efficacement au sein de la tech-
nique CDMA [33]. D’abord, au niveau de la releve, l’elimination de l’effet Ping-Pong
est assuree par une procedure propre a CDMA [11]. Cette procedure permet de main-
tenir une double connexion entre le terminal mobile et la cellule cible d’une part, et
l’ancienne cellule d’autre part. De ce fait, elle est capable d’assurer une fine transition
entre les cellules conformement au patron de mobilite du terminal et d’eviter ainsi les
blocages d’appels qui constituent un facteur determinant pour la qualite de service. De
plus, cette technologie exploite l’attenuation du signal ainsi que la multiplication des
chemins de propagation de l’onde radio pour ameliorer la qualite des services qu’elle
offre. Ainsi, a travers l’utilisation de diverses techniques de traitement du signal, chaque
terminal mobile selectionne les trois signaux les plus forts et les combine d’une facon
coherente pour en extraire un signal qui est encore plus puissant.
Par ailleurs, le CDMA se distingue par son cout effectif reduit. D’abord, pour assurer la
couverture radio, il n’a plus besoin d’adopter des patrons de reutilisation de frequences
au sein des cellules [13]. Ensuite, les terminaux mobiles compatibles avec la technologie
CDMA transmettent avec une puissance moyenne de l’ordre de 6 a 7 mW, ce qui
est significativement inferieure aux puissances de transmission moyennes requises par
d’autres technologies, tels que le FDMA et le TDMA. Une transmission avec une faible
puissance assure une plus grande autonomie des batteries au sein des terminaux mobiles.
3.2 Techniques d’etalement de spectre
La technique d’etalement de spectre, reservee au depart aux applications militaires
grace a son immunite contre les interferences et les blocages pour garantir une transmis-
sion meme en presence de bruit, est actuellement adoptee pour des applications civiles,
tels que les systemes mobiles. Trois approches sont denombrees pour implementer les
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 37
systemes a etalement de spectre :
– Etalement de spectre avec sequence directe (DSSS : Direct Sequence Spread Spec-
trum ;
– Etalement de spectre avec saut de frequence (FHSS : Frequency Hopping Spread
Spectrum ;
– Etalement de spectre avec saut de temps (THSS : Time Hopping Spread Spec-
trum).
Presentons ces techniques d’etalement de spectre.
3.2.1 Etalement de spectre avec sequence directe
Au sein de la technique d’etalement de spectre avec sequence directe, les canaux
sont modules avec un code numerique ou le taux du code est superieur au taux du
signal d’information. La figure 3.3 presente cette technique d’etalement de spectre, ou
la periode de sortie du signal To est superieure a la periode Tc du signal qui comporte la
donnee a transmettre. La relation To = (2n − 1)Tc montre la relation entre les periodes
To et Tc ainsi que le facteur d’etalement n. De pareils systemes sont aussi appeles des
systemes Pseudo Noise (PN).
+1
-1
Tc = Période de temps
t
To = Période de sortie du signal
To = (2n-1)Tc
Fig. 3.3 – Etalement de spectre a sequence directe.
3.2.2 Etalement de spectre avec sauts de frequences
Au niveau de cette technique d’etalement de spectre, les sauts de frequences pour
la selection des canaux de transmission obeissent a un modele genere par un code
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 38
sequentiel. Cette generation veille a proteger les transmissions des autres systemes non
fondes sur l’etalement de spectre. Au sein d’un systeme FHSS, la frequence du signal
demeure constante pour une duree temporelle specifique Tc. Un systeme FHSS peut
s’appuyer sur un saut de frequence rapide ou lent. En effet, pour les systemes FHSS bases
sur un saut de frequence rapide, l’occurrence des sauts est plus frequente que le debit du
message, alors que pour les systemes bases sur un saut de frequence lent, cette occurrence
est plus basse que celle du debit du message. Une situation intermediaire serait alors
de garantir une meme frequence entre le debit du message et le saut de frequence. La
figure 3.4 illustre une pareille technique d’etalement de spectre. On distingue alors les
sauts de frequences fi durant une periode de temps Tc.
0
t
f1
f2
f3
f4
fn-2
fn-1
fn
Fréquence
Tc 2Tc
Fig. 3.4 – Etalement de spectre avec sauts de frequences.
3.2.3 Etalement de spectre avec sauts de temps
Le temps de transmission, au sein de cette technique d’etalement de spectre, est
divise en plusieurs intervalles de temps appele Trame. Chaque trame est subdivisee a son
tour en fentes (slots). Durant le temps d’une trame, un et un seul slot est module avec le
message. Une fois l’ensemble des trames accumulant le contenu binaire du message est
constitue, la transmission est effectuee. La figure 3.5 represente la technique d’etalement
de spectre avec sauts de temps. Une fenetre de transmission est composee de M periodes
de transmission unitaires Tt appelees slots.
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 39
t
UneFenêtre
Tt 2Tt 3Tt0
Temps de transmissionde slots (K bits)
M = Nombre de slots danschaque fenêtre ; M= (Tt / t)
t
Fig. 3.5 – Etalement de spectre avec sauts de temps.
La capacite theorique d’un canal, telle que definie par la formule de Shannon, est donnee
par [13] :
C = Bwlog2
[1 +
S
N
](3.1)
ou Bw est la largeur de bande du canal en Hertz, S la puissance du signal, et N est la
puissance du bruit.
L’equation 3.1 illustre la relation entre la capacite theorique d’un canal a transmettre
des donnees sans erreur pour un rapport de signal sur bruit et une largeur de bande
donnes. Cette capacite est susceptible d’etre amelioree par l’augmentation de la largeur
de bande, ou la puissance de transmission, ou une combinaison des deux. Un systeme
classique de transmission analogique est concu pour respecter la contrainte de signal
sur bruit qui est de l’ordre de 17 decibels (dB)1 ou plus. Toutefois, les systemes mobiles
fondes sur la technologie CDMA tolerent des seuils de signal sur bruit (SNR) beaucoup
plus faibles, etant donne la faible interference entre les canaux. Ainsi, l’equation 3.1
devient :C
Bw= 1.44loge
[1 +
S
N
](3.2)
puisque
loge
(1 +
S
N
)=
S
N− 1
2
(S
N
)2
+1
3
(S
N
)3
− 1
4
(S
N
)4
+ ...
1Cette valeur est relative a un environnement presentant des contraintes de propagation radio, etce pour des systemes analogiques adoptant la modulation de frequence. Pour de meilleurs conditionsde transmission radio, la valeur de l’indice signal sur bruit (SNR) peut etre plus basse.
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 40
Etant donne les valeurs negligeables de S/N ≤ 0.1, les equations 3.1 et 3.2 donnent
alors :
Bw ≈ C
1.44
N
S(3.3)
3.2.4 Facteur d’etalement et configuration radio
Les specifications des standards cdmaOne et cdma2000 qui reposent sur la methode
d’acces multiple a repartition de codes AMRC definissent un ensemble de configurations
radio pour les technologies d’acces 1xMC et 3xMC. Cet ensemble est compose de [6] :
– 6 configurations radio RC (Radio Configuration) pour le lien descendant ;
– 9 configurations radio RC pour le lien montant.
Ces specifications definissent egalement deux facteurs d’etalement (Spreading Rate)
designes par [6] :
– SR1 (Spreading Rate 1 ) qui a une valeur de 1.2288 Mcps et est destine aux sys-
temes IS-95A/B, 1xRTT ;
– SR3 (Spreading Rate 3 ) qui a une valeur de 3.6864 Mcps (3 * 1.2288 Mcps) et est
reserve aux systemes 3xMC.
Les tableaux 3.1 et 3.2 illustrent les variations des debits supportes en fonction des
combinaisons des configurations radio et des taux d’etalement. Le tableau 3.1 presente
ces caracteristiques sur le lien descendant, alors que le tableau 3.2 les presente sur
le lien montant. Les differents debits supportes pour chaque combinaison de facteur
d’etalement de spectre et de configuration radio (SR, RC) garantissent une flexibilite
lors de la negociation du debit final de transmission. Cette negociation est faite entre
la station de base et le terminal mobile. Elle est tributaire de la qualite de reception du
signal radio. Cette qualite de reception est evaluee par le terminal mobile.
L’etalement de spectre a sequence directe figure parmi les variantes les plus repan-
dues dans les travaux de recherche qui traitent de l’innovation des technologies d’acces.
Cette technique d’etalement offre une orthogonalite qui garantit une meilleure effica-
cite spectrale, permettant de resoudre theoriquement des problemes de perturbations
et d’interferences de frequences voisines. Mais, en pratique, a partir d’un certain seuil,
des interferences sont detectees et font degrader la performance du systeme. L’objectif
est maintenant d’ameliorer les performances que l’etalement de spectre peut offrir a
travers des techniques de codage, de modulation, d’entrelacement et enfin d’ordonnan-
cement. Dans la suite de ce memoire, on s’interesse a la famille des standards cdmaOne
et cdma2000 qui sont fondes sur la technique d’acces a etalement de spectre.
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 41
RC SR Debit (kbps) Taux de codage
1 1 1.2, 2.4, 4.8, 9.6 R = 1/2
2 1 1.8, 3.6, 7.2, 14.4 R = 1/2
3 1 1.5, 2.7, 4.8, 9.6, 38.4, 30.72 R = 1/4
4 1 1.5, 2.7, 4.8, 9.6, 38.4, 76.8 R = 1/2
5 1 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 28.8, 115.2, 230.4 R = 1/4
6 3 1.5, 2.7, 9.6, 76.8, 153.6, 307.2 R = 1/6
7 3 1.5, 4.8, 9.6, 76.8, 153.6, 614.4 R = 1/3
8 3 1.8, 3.6, 14.4, 115.2, 230.4, 460.8 R = 1/4
9 3 1.8,3.6, 14.4, 57.6, 115.2, 230.4, 460.8 R = 1/2
Tab. 3.1 – Configuration radio et facteur d’etalement du lien descendant.
RC SR Debit (kbps) Taux de codage
1 1 1.2, 2.4, 4.8, 9.6 R = 1/2
2 1 1.8, 3.6, 7.2, 14.4 R = 1/2
3 1 1.2, 1.35, 2.4, 19.2, 38.4, 153.6, 307.2 R = 1/4
4 1 1.8, 3.6, 14.4, 28.8, 57.6, 115.2, 230.4 R = 1/4
5 3 1.2, 1.35, 2.4, 2.7, 9.6, 19.2, 76.8, 153.6, 307.2 R = 1/4
6 3 1.8, 3.6, 14.4, 57.6, 115.2, 460.8 , 614.4 R = 1/4
Tab. 3.2 – Configuration radio et facteur d’etalement du lien montant.
3.3 Evolution des systemes CDMA
Les standards cdmaOne et cdma2000 constituent des normes de communication pro-
posees par la 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2 ) [35]. Le cdmaOne decrit
un systeme sans fil complet, base sur la norme de TIA/EIA IS-95 CDMA, comprenant
les revisions A et B. Le cdma2000, quant a lui, constitue l’evolution du cdmaOne et
englobe, comme le montre la figure 3.6, les technologies suivantes [35] :
– 1xMC ;
– 1xEV-DO ;
– 1xEV-DV.
Presentons ces technologies.
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 42
cdmaOne IS-95A
cdmaOneIS-95B
cdma2000 1X(1XMC)
cdma2000 3X (3XMC) 1XEV-DV
1XEV-DO
3GPP2
Fig. 3.6 – Evolution des systemes CDMA du standard cdmaOne a cdma2000.
3.3.1 La technologie IS-95
La premiere revision de la technologie IS-95 porte le nom de IS-95A. Les perfor-
mances affichees par cette technologie assuraient des debits de l’ordre de 14.4 kbps. Les
specifications des technologies IS-95 et JSTD008 sont tres similaires a l’exception de
certaines particularites relatives a l’allocation spectrale. Le tableau 3.3 resume les ca-
racteristiques generales de la technologie IS-95, alors que la figure 3.7 illustre l’allocation
des spectres radio pour chacune de ces deux technologies [33].
Modulation QPSK
Debit de chip (d’etalement) 1.2288 Mcps
Longueur de trame 10 ms
Debit nominal (RS1) 9600 bps
Largeur de la bande 1.25 Mhz
Codage Convolution avec codage Viterbi
Tab. 3.3 – Caracteristiques techniques du systeme CDMA IS-95.
La technologie d’acces IS-95 est fonctionnelle sur deux plages de frequences radio :
– Bande de frequences cellulaires : le domaine de frequence [824 - 894 Mhz] est celui
du standard IS-95A. Une bande de frequences de 45 Mhz separe le lien montant
du lien descendant. La largeur d’un canal est de 30 Khz ;
– Bande de frequences PCS : le domaine de frequence [1850 - 1990 Mhz] est celui du
standard JSTD-008. Une bande de frequences de 80 Mhz separe le lien montant
du lien descendant. La largeur d’un canal est de 50 Khz.
Au sein de la technologie CDMA, chaque terminal mobile detient un code unique. Ce
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 43
A B Paging ESMR , etc. A B
824 Mhz 835 845 849
846.5 869
870
891.5
880 890 894
825
800 MHZ. Spectre Cellulaire (IS-95)
A B C Data
1850 Mhz
845 849
1910 Mhz
1900 MHZ. Spectre PCS (JSTD008)
D FE Voice A B C
1930 Mhz
D FE1990 Mhz
Fig. 3.7 – Spectre radio 800-1900 Mhz pour les systemes CDMA (IS-95).
code permet l’identification des usagers lors de la transmission. Ainsi, le code au sein
de la technique CDMA est equivalent a la frequence au niveau de la technique FDMA
(Frequency Division Multiple Access), et au temps au niveau de la technique TDMA
(Time Division Multiple Access) [13]. Les paragraphes suivants decrivent respectivement
ces codes qui se composent de : le code Walsh, le code PN court et PN long.
Le code Walsh est un identifiant de la diffusion spectrale. Cette unicite de la diffusion est
une caracteristique fondamentale au sein de la technologie CDMA. Dans chaque cellule,
le terminal mobile detient un code unique. Ce code garantit la propriete d’orthogonalite
des vecteurs de donnees transmis. En effet, l’auto-correlation d’un code Walsh est egale
a 1, et sa correlation avec n’importe quel autre code est egal a 0. Dans le cadre de
la famille cdmaOne, les standards IS-95A et IS-95B utilisent 64 codes orthogonaux.
Ces codes sont a la base de la diffusion spectrale sur le lien montant. Ainsi le lien
montant est subdivise en canaux dont le nombre est egal au nombre de codes Walsh.
Ces canaux sont appeles les canaux codes. Contrairement au lien montant ou les codes
Walsh servent a identifier les usagers, au niveau du lien descendant, les codes Walsh
servent plutot a elaborer un schema de modulation [13]. Dans le meme ordre d’idees,
le code PN court est un code de 16 bits utilise pour identifier les stations de base. La
differenciation entre les stations de base est faite grace a l’affectation d’un excentrage
(Offset) de ce code a un temps de reference commun a l’ensemble des stations de base.
Au niveau du lien descendant, le terminal mobile utilise ce code pour renforcer le signal
radio, mais sans pour autant affecter d’excentrage [13].
Un des concepts importants des systemes bases sur la technologie IS-95 est l’orthogona-
lite de la diffusion spectrale. Une definition complete de la diffusion spectrale est fournie
par Haykins [13]. Cette definition s’articule autour de deux concepts fondamentaux :
– La diffusion spectrale est un mode de transmission dans lequel les sequences de
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 44
Canaux de Contrôle
Lien Descendant Lien Montant
AccèsPilote Synchronisation Pagination
Fig. 3.8 – Les canaux de contole (IS-95).
donnees occupent une largeur de bande qui depasse le minimum de largeur de
bande necessaire pour leur acheminement ;
– La diffusion spectrale est accomplie avant la transmission effective, grace a l’uti-
lisation d’un code genere independamment des donnees. Le meme code est utilise
a la reception pour reconstruire la sequence des donnees d’origine.
La diffusion spectrale fonctionne de la maniere suivante. La sequence de donnees est
multipliee par un code PN pour aboutir a la modulation desiree. Ainsi, la multiplication
des informations de canaux etroits par ceux des canaux a large bande avec sequence de
codes conduit a la diffusion spectrale. Les avantages de cette technique sont multiples :
– Communication securisee grace au code PN ;
– Elimination des effets dus aux trajets multiples ;
– Acces multiple : plusieurs utilisateurs exploitent les memes canaux de communi-
cation.
Pour permettre la reconstitution du message d’origine lors de la reception, une procedure
de synchronisation en deux temps se met en boucle :
– Phase d’acquisition : cette etape, dite de large synchronisation, assure le groupe-
ment et la collecte des signaux percus par le code identificateur ;
– Phase de suivi : cette etape, dite de fine synchronisation, permet de mettre le code
recu en synchronisation avec le code transmis.
3.3.2 Caracteristiques du lien montant (IS-95A)
Le lien montant de la technologie IS-95A comporte 64 canaux logiques (canaux
codes). Un canal code fait partie d’un groupe de 64 bits de Walsh. Cette fonction de
Walsh garantit que les canaux soient completement separes et distingues a la reception.
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 45
Debit (bps)Parametre
9600 bps 4800 bps 2400 bps 1200 bps
Debit d’etalement 1.2288 1.2288 1.2288 1.2288
Taux de codage 1/3 1/3 1/3 1/3
Tab. 3.4 – Caracteristiques du canal de trafic du lien montant RS1 (IS-95A).
Chaque canal code transmet des signaux avec un code PN court, moyennant la tech-
nique de modulation QPSK, superposee a la technique de modulation BPSK [43]. Nous
presentons les canaux qui composent le lien montant de la technologie IS-95A a savoir :
le canal pilote, le canal de synchronisation, le canal de radio recherche (pagination) et le
canal de trafic. La figure 3.8 presente la structure de l’ensemble des canaux de controle
de la technologie IS-95 [13].
Le canal pilote n’est pas destine a l’acheminement des donnees. En effet, ce canal opere
comme une balise pour definir l’etendue des cellules. C’est pourquoi il est transmis avec
une puissance maximale. Ce canal est egalement adopte pour mesurer le temps lors de la
phase d’acquisition, au cours d’une procedure de releve. L’appellation technique de canal
pilote est Wo. La periode du code court au sein de ce canal est de 215 = 26.67 ms sur le
debit d’etalement 1.2288 Mhz. Les codes accordees aux stations sont des multiples de
64, donnant un total de 215/64 = 512 affectations possibles. Par consequent, 9 bits sont
utilises pour couvrir ces 512 possibilites. L’operation d’identification et d’affectation de
la station de base est appelee excentrage du pilote (Pilot Offset).
D’autre part, le canal de synchronisation est utilise par le terminal mobile lors de la
phase d’acquisition du signal, et ce, en vue d’obtenir les informations suivantes :
– l’heure du systeme ;
– l’identification du systeme ;
– l’etat du code PN long.
Le canal de synchronisation porte l’appellation technique de W32 et opere avec un debit
de 1200 bps.
Quant au canal de radio recherche (pagination), il diffuse les messages et les informations
relatives a l’etablissement de l’appel. Le debit utilise, qui est de l’ordre de 4800 ou 9600
bps, est preleve du debit alloue au canal de synchronisation. Les codes Walsh W1-W7
sont assignes a ce canal de radio recherche (pagination). En effet, W1 qui est appele
canal de radio recherche primaire, opere en un mode particulier appele mode encoche,
c’est-a-dire le terminal mobile passe du mode inactif au mode actif au moment ou il se
met a l’ecoute [13].
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 46
Par ailleurs, le canal de trafic est affecte aux usagers en vue de supporter leurs appels.
Ce canal exploite le reste des codes Walsh disponibles pour constituer ainsi la capacite
du systeme en terme de nombre d’usagers supporte simultanement. Pour terminer, un
canal du lien montant est identifie par les elements suivants [13] :
– la frequence radio assignee ;
– le code court unique de l’excentrage du pilote par cellule ;
– le code Walsh unique de chaque usager.
Le canal de trafic sur le lien montant RS1 permet des transmissions pouvant atteindre
9600 bps, comme indique a la table 3.5. Le canal de trafic disponible sur le lien montant
RS2 supporte des debits de l’ordre de 14.4 kbps, 7.2 kbps, 3.6 kbps et 1.8 kbps, comme
indique au tableau 3.6 [13].
3.3.3 Caracteristique du lien descendant (IS-95A)
Le lien descendant de la technologie IS-95A consiste en un ensemble de 242 − 1
canaux logiques [13]. Chaque terminal mobile possede parmi cet ensemble un canal
qui lui est propre. Ce canal demeure affecte a ce terminal meme apres une releve. Le
lien descendant ne suit pas la restriction d’orthogonalite des vecteurs de diffusion radio
imposee au lien montant. En effet, la correlation entre les codes des terminaux mobiles
est differente de zero ( �= 0), mais demeure acceptable. Dans la partie suivante, nous
presentons le canal d’acces et le canal de trafic.
Le canal d’acces qui opere avec un debit de 4800 bps, est utilise par le terminal mobile
pour effectuer une des actions suivantes [13] :
– Transmettre une requete d’enregistrement (Registration request) ;
– Transmettre une requete d’etablissement d’appel (Call setup request) ;
– Transmettre le temps d’une radio recherche (Page Response Time) ;
– Transmettre une reponse relative a un ordre (Order Response) ;
– Transmettre des informations de signalisation (Signaling Information).
Le canal de trafic est utilise pour acheminer les appels entre le terminal mobile et la
station de base BS. Lors de l’etablissement d’un appel, un couple de canaux de trafic
(lien montant et lien descendant) est alors alloue au terminal mobile. Le canal de trafic
peut etre reduit a la definition d’un code propre associe au terminal mobile dont les
details sont presentes dans la figure 3.11 [43]. La figure 3.9 presente la structure de
l’ensemble des canaux de trafic de la technologie IS-95. Cette figure comporte les deux
types de canaux de trafic : canaux de signalisation et canaux de voix et de donnees. Les
canaux de signalisation supportent le flux des donnees de controle (controle de puis-
sance, controle de diffusion en rafale). Les canaux de donnees sont caracterises par le
taux de codage adopte qui determine le debit binaire de la transmission.
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 47
Debit (bps)Parametre
9600 bps 4800 bps 2400 bps 1200 bps
Debit d’etalement 1.2288 1.2288 1.2288 1.2288
Taux de codage 1/2 1/2 1/2 1/2
Bits par solt 128 256 512 1024
Tab. 3.5 – Caracteristiques du canal de trafic du lien descendant RS1 (IS-95A).
Canaux de Trafic
Voix/Données Signalisation
1Blanc et Éclat
(Blank and burst)
Obscure et Éclat(Dim and Bust)
Contrôle de puissance (lien
descendant)
1/2 1/4 1/8
Fig. 3.9 – Les canaux de trafic (IS-95).
Pour conclure, un canal du lien descendant est caracterise par les elements suivants :
– la frequence radio assignee ;
– le code PN long, associe individuellement a chaque terminal mobile.
3.3.4 La technologie IS-95B
La technologie IS-95B repose sur une architecture de canaux logiques semblable a
celle de IS-95A, en suivant toutefois un modele de fonctionnement relativement different.
En effet, IS-95B permet d’atteindre des debits de l’ordre de 115.2 kbps, grace a la
technique d’allocation de canaux multiples. Cette technique est implementee de maniere
distincte sur les liens montant et descendant [13].
Au niveau du lien montant, le terminal mobile detient le code du canal fondamental
FCC (Fundamental Channel Code) extrait de son masque de code long. La constitution
d’un tel code est decrite a la figure 3.11 a travers la construction du code du canal
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 48
Active Slot
Data304
Chips
Data160
Chips
Data304
Chips
Data304
Chips
Data160
Chips
Data304
Chips
Idle Slot
½ Slot 768 Chips½ Slot 768 Chips
Fig. 3.10 – Structure du canal SCAM de la technologie IS-95B
Debit (bps)Parametre
14400 bps 7200 bps 3600 bps 1800bps
Debit d’etalement 1.2288 1.2288 1.2288 1.2288
Taux de codage 1/2 1/2 1/2 1/2
Bits par solt 85.33 170.67 341.33 682.67
Tab. 3.6 – Caracteristiques du canal de trafic du lien descendant RS2 (IS-95B).
d’acces ainsi que celui du canal de trafic. Pour transmettre des donnees, le terminal
mobile doit le signaler a la station de base a travers un message SCRM (Supplemen-
tal Channel Request Message), en utilisant son code de canal fondamental. La station
de base consulte alors le MSC auquel elle est rattachee pour coordonner l’acces de ce
terminal mobile en plus de celui des autres terminaux actifs. Le MSC peut alors accor-
der l’acces a ce terminal mobile a travers l’envoi d’un message SCAM (Supplemental
Channel Assignement Message), dont la structure est presentee a la figure 3.10. Cette
figure illustre la structure du slot qui comporte 2 ∗ 768 chips. Ce message alloue plus de
7 codes de canaux supplementaires (en plus du code du canal fondamental). Les codes
des canaux supplementaires sont derives a partir d’un decalage sur la base du code du
canal fondamental [43].
Au niveau du lien descendant, c’est le MSC qui annonce au terminal mobile la recep-
tion de donnees, en utilisant un message SCAM (Supplemental Channel Assignment
Message). Il indique ainsi les codes des canaux a utiliser (au dela de 8) ainsi que le
code Wlash qui sera adopte pour l’envoi des donnees sur chaque canal. Dans les pe-
riodes de fortes demandes, cette technologie est en mesure d’allouer des canaux supple-
mentaires a partir d’autres stations de base. De cette facon, la technologie IS-95B est
capable d’atteindre des debits eleves tout en assurant une compatibilite complete a la
technologie IS-95A [13].
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 49
Debit (bps)Parametre
14400 bps 7200 bps 3600 bps 1800 bps
Debit d’etalement 1.2288 1.2288 1.2288 1.2288
Taux de codage 1/2 1/2 1/2 1/2
Tab. 3.7 – Caracteristiques du canal de trafic du lien montant RS2 (IS-95B).
1100011000 (10 bits ) Code ESN permuté (32 bits )
Le code du canal de trafic
ESN = (E32,E30,E29,E28,E27,E26,E25,...E2,E1,E0)ESN Permuté = (E0,E31,E22,E13,E4,E26,E17,E8,E30,E21E12,E3,E25,E16,E7,E29,E20,E11,E2,E24,E15,E6,E28,E19,E10,E1,E23,E14,E5,E27,E18,E9)
ESN est un code unique sur 32 bits affecté au terminal mobile par son constructeur .
110001111(9 bits )
Numéro du canal d’accès(5 bits )
Numéro du canal de radio recherche
(pagination )(3 bits )
Identifiant Station de Base
(16 bits )
Excentrage pilote du lien montant
(9bits )
Le code du canal d’accès
Fig. 3.11 – Le code canal (IS-95).
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 50
La migration vers IS-95B etait attractive a la fois pour les operateurs et les fournisseurs
de services qui voient dans cette operation l’occasion de developper des services a valeur
ajoutee. La critique qui peut etre portee a ce niveau d’analyse est relative aux besoins
et aux caracteristiques des services supportes. Comment peut-on assurer le service de la
voix, tout en garantissant le support des services promis par les futurs reseaux mobiles,
sachant que ces applications evoluees ont de fortes contraintes de qualite de service liees
a l’interactivite, le temps reel et les hauts debits ?
3.3.5 La technologie 1xMC
La capacite de supporter des services de voix et de donnees sur la meme porteuse
rend la technologie 1xMC particulierement rentable pour les operateurs sans fil. En effet,
la bande radio constitue une ressource rare et couteuse pour les reseaux mobiles. Grace
a cette optimisation du spectre radio, 1xMC permet aux operateurs de mieux orienter
les investissements lors de l’octroi des licences radio, de la selection des infrastructures
radio et reseau, pour un meilleur deploiement.
Cette technologie peut etre deployee dans tout le spectre cellulaire et de PCS : 450
Mhz, 800 Mhz, 1700 Mhz, 1900 Mhz et 2100 Mhz. Elle peut egalement etre mise en
application dans d’autres frequences telles que 900 Mhz, 1800 Mhz et 2100 Mhz. Son
efficacite spectrale permet de supporter efficacement des trafics eleves et diversifies en
fonction des services sollicites, sur n’importe quel canal de 1, 25 Mhz de spectre [43].
Les reseaux 1xMC, jusqu’a la phase de specification 1, offrent un debit maximal de
153, 6 kbps [43]. Cette technologie d’acces soutient 35 canaux de trafic par secteur par
frequence radio (FR) (26 Erlangs/secteur/FR) [43]. L’amelioration de la capacite du
lien descendant est attribuee a des taux de codage faibles de l’ordre de (1/4), et a une
diversite de transmission [43].
La technologie 1xMC ameliore de maniere significative la gestion de l’energie et la duree
de vie de la charge des batteries. Dans les paragraphes suivants, nous presentons les
aspects de synchronisation ainsi que la structure radio de la couche physique de la tech-
nologie 1xMC. Le concept de synchronisation au sein des reseaux mobiles comportent
des avantages qui sont :
– La reference commune du temps ameliore l’acquisition des canaux et des proce-
dures de releve puisqu’il n’y a aucune ambiguıte de temps en recherchant ou en
integrant une nouvelle cellule dans le reseau ;
– Elle permet egalement au systeme d’exploiter certains canaux communs pour as-
surer une releve transparente (soft handoff ) qui ameliore l’efficacite du reseau. La
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 51
transmission est synchronisee a travers un processus appele Universal Coordi-
nated Time (UCT). La synchronisation de la transmission sur le lien descendant
de toutes les stations de base est faite durant quelques micro-secondes. Elle peut
etre realisee par plusieurs techniques comprenant la synchronisation individuelle,
la signalisation par radio recherche, ou par les systemes satellitaires tels que le
GPS, GALILEE, ou le GLONASS [13].
La structure du canal de trafic du lien descendant de la technologie 1xMC peut inclure
plusieurs canaux physiques [35] :
– Le canal fondamental F-FCH (Fundamental Channel) est equivalent au canal de
trafic de la technologie IS-95. Ce canal permet de supporter des signaux de voix,
de donnees et de signalisation dans l’intervalle de debit binaire [750 bps a 14, 4
kbps] ;
– Le canal supplementaire (Supplemental Channel F-SCH) supporte des services de
donnees a haut debit. Le reseau peut ainsi ordonnancer une transmission orientee
paquet sur le canal F-SCH ;
– Le canal de controle dedie (Dedicated Control Channel F-dcch) est utilise pour la
signalisation ou encore pour les sessions de trafic en rafales.
Le SCH (Supplemental Channel) a l’avantage de regler le schema de modulation, de
codage et de controle de puissance, en fonction des conditions de transmission du lien
radio. Ceci permet a un canal supplementaire SCH d’offrir un debit jusqu’a 16 fois
plus eleve que celui d’un canal fondamental FCH (Fundamental Channel), de l’ordre
de 153.6 kbps a 307.2 kbps pour les revisions 0 et A [43].
3.3.6 La technologie 1xEV-DV
L’elaboration des specifications de la technologie1xEV-DV a ete etabli en deux re-
visions : Revision C et Revision D. Alors que la Revision C a mis les bases de la
technologie dans sa version initiale, la Revision D a apporte des ameliorations du de-
bit offert sur le lien montant. La figure 3.12 illustre le cheminement chronologique de
l’elaboration de la technologie.
La technologie 1xEV-DV a incorpore une serie d’elements qui, une fois combines, per-
mettent d’augmenter le debit offert pour atteindre un maximum theorique de 3.1 Mbps
et une moyenne par secteur de plus de 1 Mbps. Ces elements incluent d’abord des
techniques telles que : le codage et la modulation adaptatifs (AMC : Adaptive Modu-
lation and Coding) et le controle d’erreur par reponse automatique hybride (H-ARQ :
Hybrid-Automatic Repeat reQuest). En effet, la technologie 1xEV-DV a defini, en plus
de ces techniques adoptees, un nouveau canal de trafic supplementaire appele F-PDCH
(Forward Packet Data CHannel), supportant aussi bien un multiplexage a division de
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 52
2001 200301/01/2002
avril 2002Rédaction des
spécifications REV C
janvier 2003Approbation du IOS pour
IS2000 REV C
octobre 2001Choix du Framework
pour 1xEV-DV (IS2000 REV C)
juillet 02Approbation de IS2000 REV C
pour publication
octobre 2002Format de base de IOS pour supporter REV C
août 2002Approbation de ITU de IS2000 REV C
Comme un standard 3G
Fig. 3.12 – Planification du projet de specification de la technologie 1xEV-DV.
temps TDM que celui a division de codes CDM . Les details des structures des canaux
logiques de la technologie 1xEV-DV sur les liens montant et descendant sont presentes
aux figures 3.13 et 3.14 [5]. Ces figurent illustrent les canaux qui ont ete ajoutes grace
a la revision D sur les liens montant et descendant. Ainsi, l’interface radio de 1xEV-DV
supporte a la fois les services de voix et de donnees qui partagent en mode concurrentiel
des canaux de 1.25Mhz du lien radio.
De plus, cette technologie d’acces offre une flexibilite quant aux techniques de multi-
plexage en alternant le TDM et le CDM selon les contraintes de qualite de service. En
effet, la technique TDM est adoptee dans un contexte du meilleur effort (Best Effort),
tel que le service FTP (File Transfert Protocol), alors que la technique CDM est adop-
tee pour des services plus contraignants en terme de qualite de service tels que le WAP
(Wireless Application Protocol), V oIP (Voice over Internet Protocol) et la lecture des
fichiers multimedia.
Chapitre 3. Etude des technologies d’acces radio 53
Reverse CDMA ChannelFor spreading rates 1 and 2 (SR1 and SR3)
AccessChannel
ReverseTraffic channel
(RC 1 or 2)
Enhanced access channel operation
Reverse common control channel
operation
Reverse traffic channel operation
(RC 3 or 6)
Reverse traffic channel operation
(RC 7)
Reverse fundamental channel
Reverse supplemental code channel
Reverse pilot channel
Enhanced accesschannel
Reverse pilot channel
Reverse commonControl channel
Reverse pilot channel
Reverse dedicatedControl channel
Reverse fundamental channel
Reverse supplementalchannel
Reverse power control subchannel
Reverse channel quality indicator
channelReverse
acknowledgementchannels
Reverse pilot channel
Reverse secondary pilot
channel
Reverse packet data channel
Reverse packet data control
channel
Reverse request channel
Reverse power dontrol subchannel
Reverse channel quality indicator
channelReverse
acknowledgementchannel
Revision C
Revision D
Fig. 3.13 – Structure du lien montant (1xEV-DV).
Forward CDMA ChannelFor spreading rates 1 and 3
(SR1 and SR3)
Revision C
Revision D
Common assignement
channels
Forward indicator conrtrol
channels
Forward acknowl- dgement channel (SR1)
Forward grant
channels (SR1)
Pilot channels
Forward common control
channels
Sync channels
Traffic channels
Broadcast control
channels
Paging channels
(SR1)
Quick paging
channels
Forward packet data
control channels
(SR1)
Forward pilot
channel
Forward pilot
channel
Transmit diversity
pilot channel
Forward packet data channels (SR1, RC 10)
Forward dedicated control channels
(RC 3-5)
Forward fundamental
channels (RC 1-9)
Power control
subchannels
Forward supplemental
code channels (RC
1-2)
Forward supplemental channels (RC
3-9)
Auxiliary transmit diversity
pilot channels
Auxiliary pilot
channels
Transmit diversity
pilot channel
Fig. 3.14 – Structure du lien descendant (1xEV-DV).
Chapitre 4
La future technologie 1xEV-DO :
analyse et performances
La technologie 1xEV-DO (Evolution Data Only), connue aussi sous le nom de HDR
(High Data Rate), constitue une version evoluee du standard CDMA2000 et plus preci-
sement de sa variante 1xRTT (Single carrier 1x Radio Transmission Technology) [45].
La technologie 1xEV-DO est fondee sur les memes caracteristiques de base de la couche
physique des standards cdmaOne, ce qui fait d’elle une version completement compatible
avec les standards anterieurs des systemes a base d’etalement de spectre. Cette methode
d’acces radio se distingue par ses deux modes inter-operables de fonctionnement :
– Un mode 1x integre et optimise pour la voix et le trafic de donnees a debit modere ;
– Un mode 1xEV optimise pour l’acces Internet et le trafic de donnees a haut debit.
Dans ce chapitre, nous commencons par etudier les caracteristiques radio (structure des
canaux) et techniques (codage et modulation adaptatifs et correction d’erreur) de la
methode d’acces 1xEV-DO. Ensuite nous presentons notre methodologie d’evaluation de
performance des techniques d’acces a base d’etalement de spectre. L’implementation de
notre methodologie se base sur la technologie 1xEV-DO afin d’analyser sa performance.
Les resultats obtenus suite a nos simulations sont alors interpretes.
4.1 Interface radio
L’interface radio de la technologie 1xEV-DO est planifiee pour optimiser la gestion
du trafic. Son efficacite spectrale est justifiee par le debit binaire supporte sur la meme
largeur de bande (1.25 Mhz), tel que illustre au tableau 4.3. Afin de pouvoir traiter les
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 55
ReverseActivity
1 XEV - DO
Forward Reverse
PilotMediumAccessControl
Traffic Control
ReversePowerControl
Traffic
Data Ack
Access
PilotMediumAccessControl
Pilot Data
ReverseData
Indicator
DataRate
Control
Fig. 4.1 – Structure des canaux (1xEV-DO).
deux types de trafic (la voix et les donnees), une structure de canaux est mise en place
afin d’optimiser le support de ces trafics. Nous presentons ainsi cette structure succinc-
tement sur les liens descendant et montant en mettant l’accent sur chaque composante
et la fonctionnalite qu’elle remplit [5].
4.1.1 Structure des canaux
La communication entre un terminal mobile et une station de base est assuree par
des canaux physiques et logiques. Ces canaux sont en mesure de vehiculer des donnees
utiles ou des informations de controle. Une agregation de l’ensemble de ces canaux est
communement appelee canaux CDMA. Ces canaux sont regroupes en des canaux de
lien montant et d’autres de lien descendant comme l’illustre la figure 4.1. Afin de mieux
analyser les performances offertes par la methode d’acces 1xEV-DO, il est imperatif
d’etudier les caracteristiques de la couche physique de cette technologie a travers les
structures des liens montant et descendant [23].
Les canaux du lien descendant contiennent un ou plusieurs canaux d’etalement de
spectre appeles code channels qui sont codes avec un pilot offset [35]. Ces canaux pi-
lote permettent a une ou plusieurs stations mobiles de communiquer simultanement
avec la meme station de base a travers une allocation commune, partagee ou dediee.
L’usage de cette ressource radio est diversifie au niveau de la technologie 1xEV-DO. En
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 56
effet, un groupe de canaux pilote sert a l’allocation des canaux de trafic aux stations
mobiles. Cette allocation specifie le nombre de ces canaux, la phase du signal radio
pour le processus de demodulation et identifie les criteres d’evaluation de la qualite de
transmission. Lors d’une transmission radio quatre canaux pilote sont disponibles :
– Le canal F-PICH (Forward Pilot Channel) est omnipresent pour toute connexion
au systeme ;
– Le canal F-TDPICH (Forward Transmission Diversity Pilot Channel) est alloue
si la diversite de transmission est presente ;
– Les deux autres canaux pilote supplementaires F-APICH (Forward Auxiliary Pilot
Channel) et F-ATD-PICH (Auxiliary Transmit Diversity Pilot Channels) sont
dedies aux antennes intelligentes (Smart Antenna).
Les canaux communs incluent aussi le canal F-SYNCH (Forward Synchronization Chan-
nel) qui est utilise par le terminal mobile pour acquerir les informations systemes et
un groupe de canaux de diffusion et de radio recherche d’information de controle. Ce
groupe comporte aussi bien le canal F-PCH (Forward Paging Channel) qui assure la
compatibilite avec la structure de canaux des systemes IS-95 du standard cdmaOne,
que les canaux F-BCCH (Forward Broadcast Control Channel) et F-CCCH (Forward
Common Control Channel) qui remplissent la meme fonction de radio recherche (pagi-
nation). La structure du lien descendant est illustree a la figure 4.2. Ainsi la station de
base transmet le signal radio a travers de multiples canaux communs et d’autres dedies
pour les usagers de sa zone de couverture. Il faut noter que les canaux fondamentaux
(F-FCHs) sont dedies pour le support de la voix alors que les canaux supplementaires
(F-SCHs) sont reserves au transfert de donnees [1]. La technologie 1xEV-DO alloue a
chaque abonne un canal de trafic compose des canaux suivants :
– 1 Forward Fundamental Channel (F-FCH) ;
– 0-7 Forward Supplemental Code Channels (F-SCHs) pour RC1 et RC2 comme
decrit dans la section 3.2.4 ;
– 0-2 Forward Supplemental Code Channels (F-SCHs) pour RC3 et RC9 comme
decrit dans la section 3.2.4.
Par analogie a la diffusion de la station de base du signal radio, les terminaux mo-
biles transmettent leurs signaux respectifs vers la station de base. La transmission de
chaque terminal mobile est identifiee par un code unique d’etalement de spectre. Cette
distinction permet a la station de base d’interagir, sans confusion, avec l’ensemble des
terminaux mobiles qui se trouvent dans sa zone de couverture.
La technologie 1xEV-DO garantit une gestion efficace de la puissance de transmission.
Le terminal mobile communique a la station de base les debits qu’il est en mesure de
supporter en fonction de sa condition de reception. Cette capacite de controler le debit
permet aux points d’acces de diffuser en permanence avec un maximum de puissance et
assure ainsi des debits importants pour les usagers qui disposent des meilleures condi-
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 57
Forward Channels
Common Assignement Channels
Common Power Control Channels
Common Control Channels
Pilot Channels
Synch Channel
Traffic Channels
Broadcast Control Channels
Paging Channels
Quick Paging Channels
Packet Data Control Channels
Pilot Channel
Transmit DiversityPilot Channel
Auxiliary Pilot Channel
Auxiliary Transmit Diversity Pilot Channels
Packet Data Channels
Dedicated Control Channels
Fundamental Channel
Power Control Subchannel
Supplemental Channels
Fig. 4.2 – Structure des canaux du lien descendant de la technologie 1xEV-DO.
Reverse Channels
Access Channel
Enhanced Access Channel operation
Reverse Common Control Channel Operation
Reverse Traffic Channel
Operation
R - PICH
R - EACH
R - PICH
R - CCCH
R - PICH
0 or & R - DCCH
0 or & R - FCH
0 or & R - SCH
0 or & R - PCSCH
0 or & R - ACKCH
0 or & R - CQICH
Fig. 4.3 – Structure des canaux du lien montant de la technologie 1xEV-DO.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 58
tions de reception. La definition des attributs de la transmission sur les liens montant et
descendant est etablie conjointement entre le point d’acces (station de base) et le termi-
nal d’acces (terminal mobile). Le terminal mobile mesure la puissance du canal pilote, et
a travers un processus continu, il ajuste le debit en fonction des conditions de ce canal.
En effet, le terminal mobile evalue la qualite du signal percu a travers l’indice (Ec/Io).
Cet indice reflete la condition de transmission ainsi que sa qualite. Le terminal analyse
en plus, les contraintes en terme de qualite de service (QoS), et plus particulierement,
le debit binaire exige par le service sollicite par l’utilisateur. L’evaluation de l’indice
(Ec/Io) combinee a la qualite de service exigee definit le taux de codage, necessaire au
terminal mobile, pour supporter le service dans ces conditions de transmission. Ce taux
de codage, tel que presente aux tableaux 3.1 et 3.2, est alors achemine a la station de
base a travers le canal RDI (Reverse Data Indicator). La station de base, en fonction
des ressources radio dont elle dispose, s’assure de satisfaire le taux de codage exige par
le terminal mobile et la reponse est vehiculee sous forme d’information de controle sur
le canal DRC (Data Rate Control) [1]. La structure des canaux du lien montant est
illustree a la figure 4.3.
4.1.2 Modulation et codage adaptifs (AMC)
Le flux de donnees echange dans un systeme mobile ne differe en rien de celui d’In-
ternet. La reception et l’envoi des donnees sont toujours disproportionnes. C’est pour
quoi l’attention est portee beaucoup plus au debit du lien descendant qu’a celui du lien
montant. L’integration de nouvelles techniques de codage et de modulation 2.4.3, pour
une gestion plus efficace des ressources radio en fonction des conditions de transmission,
ont permis a la technologie 1xEV-DO d’offrir des debits binaires exemplaires sur le lien
descendant mais aussi sur le lien montant malgre la limite du controle de puissance im-
posee aux terminaux mobiles [7]. La particularite de 1xEV-DO est le changement des
schemas de codage et de modulation pour permettre la transmission de donnees avec des
donnees au-dela de 2.5 Mbps. Cette technologie dispose aussi d’une structure de canaux
de trafic de donnees et de controle evoluee, ce qui lui permet de supporter aussi bien
les transmissions en rafale (brust) que les transmissions en mode continu des donnees.
La caracteristique des transmissions a travers le lien radio est le manque de fiabilite.
Les conditions de transmission fluctuent en fonction des obstacles et des perturbations
observes. Dans un cas favorable, presentant de bonnes conditions de transmission, un
taux de codage relativement grand (R = 1/3) et un schema de modulation a grande
constellation (16-QAM ) sont adoptes. Les classes des taux de codages (au nombre de
13, de 0 a 12) sont indiquees au niveau des specifications de la revision 0 de la techno-
logie 1xEV-DO. Pour chaque classe, le debit binaire offert, le nombre de slots utilisees,
le nombre de bits par trame (BpP : Bits per Packet), le taux de codage et le schema
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 59
de modulation sont attribues. Les tableaux 4.1 et 4.2 presentent les differentes classes
de taux de codage. Le terminal mobile assure le choix de la classe de taux de codage
a adopter en fonction de son evaluation de la condition de transmission. La compatibi-
lite de l’architecture systeme de la technologie 1xEV-DO avec les standards anterieurs
de la famille cdmaOne, fait d’elle une alternative solide sur le marche, qui permet de
conjuguer des atouts tels que l’evolution technologique, l’optimisation de la capacite du
reseau et le cout effectif de deploiement [31].
La technologie 1xEV-DO profite de la puissance des aspects de codage parallele et de
decodage turbo. Puisque les Trames utilisees au sein de cette technologie sont plus
larges que celles du standard IS-95 et 1xMC, les taux de codage (R = 1/4 et 1/2) sont
utilises sur le lien montant et les taux de codage (R = 1/5 et 1/3) sont utilises sur le
lien descendant comme decrit dans la section 3.2.4 [38].
Debit(kbps) Modulation Type Bits per Packet Code Rate Slots
38.4 QPSK 1024 1/5 16
76.8 QPSK 1024 1/5 8
153.6 QPSK 1024 1/5 4
307.2 QPSK 1024 1/3 2
614.4 QPSK 2048 1/3 4
614.4 QPSK 1024 1/3 1
921.6 8PSK 2048 1/3 2
921.6 QPSK 2048 1/5 2
1228.8 16QAM 4096 1/3 1
1228.8 8PSK 3072 1/5 2
2457.6 16QAM 4096 1/5 1
Tab. 4.1 – Caracteristiques du lien descendant de la technologie 1xEV-DO.
Physical Layer Parameters
Data Rates (kbps) 9.6 19.6 38.4 76.8 153.6
Modulation Type BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK
Bit per Packet 256 512 1024 2048 4096
Code Rate 1/4 1/4 1/4 1/4 1/2
Number of Slots 16 16 16 16 16
Tab. 4.2 – Caracteristiques du lien montant de la technologie 1xEV-DO.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 60
Lien Debit
Lien Descendant 2.457Mbps/secteur
Lien Montant 153.6Kbps/secteur
Tab. 4.3 – Le debit en pic de la technologie 1xEV-DO
4.1.3 Algorithmes d’ordonnancement
L’algorithme Ordonnanceur a equite proportionnelle adopte une notion differente
de l’equite connue sous le nom d’equite proportionnelle. L’algorithme proportionnel
d’equite Proportional Fair Algorithm optimise le debit offert aux usagers mobiles, qui
disposent des meilleures conditions de transmission. L’algorithme employe par l’ordon-
nanceur a equite proportionnelle, tire profit du debit binaire variable et du 1.67 ms
de temps de transmission (Largeur d’un slot) qu’offre 1xEV-DO. L’algorithme main-
tient une diffusion sur le lien radio conditionnee par les taux supportes. Ces taux qui
traduisent la qualite du signal du canal pilote recu, sont communiques par le terminal
mobile. Evitant de continuer une transmission avec les memes parametres si les condi-
tions se degradent. Grace a l’algorithme d’ordonnancement, une meilleure gestion des
ressources et une adaptation aux conditions de transmission sont alors garanties pour
assurer l’optimisation de l’efficacite spectrale [19]. Les usagers presentant les meilleures
conditions de transmission radio sont alors favorises tout en preservant le phenomene de
famine (l’algorithme garantit l’allocation de temps de transmission moins avantageux
aux usagers qui presentent une qualite degradee de transmission radio). La figure 4.4
resume la gestion des parametres de transmission et des priorites a travers une compa-
raison entre la capacite qu’offre cet algorithme par rapport a celle de l’algorithme PFS
(Proportional Fair Scheduler).
4.1.4 Demande de retransmission automatique Hybride (H-
ARQ)
Parmi les methodes de controle et de correction d’erreur sur un lien radio lors d’une
transmission de donnees, on peut citer : d’abord le FEC ( Forward Error Correction),
ensuite, de la demande de retransmission automatique ARQ : Automatic Repeat Re-
quest. Finalement, la combinaison de ces deux techniques designee par H-ARQ : Hybrid
Automatic Repeat Request. Dans ARQ et HARQ, la presence des erreurs est verifiee
grace a l’adoption d’un code de detection d’erreur Error Detecting Code. Dans le cas
de l’ARQ, lors de la detection des erreurs, une demande de retransmission ou un ac-
quittement negatif Negative Acknowledgment (NAck) est renvoyee a l’emetteur. Dans
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 61
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
38,4 76,8 153,6 307,2 614,4 921,6 1229 1843 2458
Débit (kbps)
Pro
bab
ilité
Equal Time Round Robin Scheduler
Proportional Fair Scheduler
Fig. 4.4 – Performance des algorithmes d’ordonnancement de la technologie 1xEV-DO.
le type H-ARQ, un NAck implique une demande des bits de controle de parite Error
Correction Parity Bits pour la correction d’erreurs. Un preambule de parite, nomme
CRC (Cyclic Redundancy Code) sur une taille de 16 bits, est alors ajoute aux trames
de donnees, bien que des preambules de 24 ou 32 bits sont parfois exiges, pour garantir
la qualite necessaire de certains services. Cette technique hybride, illustree a travers
l’exemple de la figure 4.5, assure une gestion optimale du controle et de la correction
d’erreur de la technologie [27] [44].
Taille Trame(bit) Preambule(chips) Donnee(chips) Efficacite Spectrale(bit/chip)
1024 1024 24576 1/24
1024 512 12288 1/12
1024 256 6144 1/6
1024 128 3072 1/3
2048 128 6272 16/49
1024 64 1536 2/3
2048 64 3136 32/49
3072 64 3136 48/49
2048 64 1536 4/3
4096 64 3136 64/49
3072 64 1536 2
4096 64 1536 8/3
Tab. 4.4 – Efficacite spectrale de la technologie (1xEV-DO).
Le flux de donnees echange dans un systeme mobile ne differe en rien de celui d’Inter-
net. La reception et l’envoi des donnees sont toujours disproportionnes. C’est la raison
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 62
Transmit slot 1
Transmit slot 1
Transmit slot 3
Transmit slot 2
n n +1 n +2 n +3 n +4 n +5 n +6 n +7 n +8 n +9 n +10 n +11 n +12
First slot for the Next Physical layer Packet
Transmission
Forward Traffic ChannelPhysical Layer Packet
Transmission with 153.6 kbps
DRC ChannelTransmission
requesting 153.6 kbps
Half Slot Offset
NAK NAK ACKOne Slot
DRCRequest for 153.6 kbps
ACK Channel
Half SlotTransmission
ACK : AcknowledgmentARQ : Automatic Request ControlDRC : Data Rate ControlNAK : Negative acknowledgment
Fig. 4.5 – La correction d’erreur H-ARQ au niveau du lien descendant de 1xEV-DO.
pour laquelle l’attention est portee beaucoup plus au debit du lien descendant qu’a
celui du lien montant. L’integration de nouvelles techniques de codage 2.4.3 et d’al-
gorithme d’ordonnancement pour une gestion plus efficace des ressources ont permis
a la technologie d’offrir des debits de donnees exemplaires sur le lien descendant mais
aussi sur le lien montant malgre la limite du controle de puissance imposee aux termi-
naux mobiles [44]. La technologie se presente comme une evolution des standards IS-95
et 1xMC qui ont deja introduit le concept d’offrir le transfert de donnees en plus de
la voix. Par contre, avec son canal partage sur le lien descendant, la technologie offre
des debits nettement plus importants profitant des techniques de codage 2.4.4 et d’al-
gorithme d’ordonnancement 4.1.3 qui garantissent de meilleures capacites reseau. Une
multitude de techniques de modulation (sur le lien descendant) assurent la diversite des
debits qui peuvent etre offerts a l’usager en fonction de la qualite du lien percu comme
l’illustrent les tableaux 4.1 et 4.2. Cette adaptation du debit aux conditions de trans-
mission vient appuyer l’efficacite spectrale et l’optimisation de la gestion des ressources.
Finalement, la technologie 1xEV-DO se positionne comme une alternative potentielle
pour prendre la releve des standards IS-95 et 1xMC, et meme si cette methode d’acces
fait partie de la famille cdma2000 qui est supposee repondre aux attentes de l’ITU
des systemes 3G, 1xEV-DO avec les performances qu’elle affiche, depasse largement les
objectifs techniques definis au depart pour de pareils systemes.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 63
4.2 Methodologie suivie
L’evaluation de la performance des reseaux de prochaines generations constitue un
defi scientifique a forte repercussion economique. En effet, l’evaluation des capacites et
des limites d’un systeme de communication permet de mieux orienter les choix tech-
nologiques et strategiques des operateurs telephoniques et des fournisseurs de services.
Une evaluation des performances d’un reseau mobile passe obligatoirement par l’eva-
luation des performances de la technologie d’acces sur laquelle il est fonde. Dans le
cadre de ce memoire, nous nous interessons a l’etude des systemes mobiles bases sur la
technique d’etalement de spectre CDMA, et plus precisement la technologie 1xEV-DO.
Nous presenterons au depart la complexite du processus d’evaluation de performance
dans les reseaux mobiles. Ensuite, nous definirons notre methodologie d’evaluation des
performances de la methode d’acces 1xEV-DO qui est le fruit de l’analyse et des stan-
dards cdmaOne et cdma2000 faite au chapitre 4 et que nous finirons par l’implementer
en adoptant l’outil AtollTM
.
La performance d’un reseau mobile a toujours ete traduite par des mesures prelevees
sur le terrain et qui refletent aussi bien les capacites assurees que les limites observees
en phase d’exploitation. L’interpretation de ces resultats permet d’ajuster le systeme
et d’asservir son comportement a travers des interventions sur le systeme deja en place
en vue d’ameliorer ses performances. Ces interventions sont souvent decidees en te-
nant compte des contraintes de conception et de planification d’origine du systeme. Ces
contraintes limitent l’efficacite de ces contre-mesures en vue d’atteindre l’objectif de de-
part, a savoir ameliorer les performances du systeme de communication. L’idee consiste
alors a elaborer une approche qui soit capable de simuler le comportement d’un reseau
mobile a partir d’un ensemble de modeles. Ces modeles refletent d’une maniere plausible
les conditions reelles d’exploitation en vue de rapprocher les resultats degages grace a
ce processus de simulations aux valeurs mesurees par la suite sur le terrain.
Notre methodologie d’evaluation des performances de la methode d’acces 1xEV-DO
s’appuie d’abord sur une configuration de base qui est composee de :
– Specification des parametres radio ;
– Specification des donnees geographiques ;
Ensuite un groupe de modeles qui traduit le caractere dynamique de l’exploitation d’un
systeme de communication est determine a travers les elements suivants :
– Modelisation du trafic de communication ;
– Modelisation du profil utilisateur ;
– Modelisation de la mobilite ;
– Modelisation des services offerts ;
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 64
– Modelisation des terminaux mobiles ;
Finalement, l’implementation de cette methodologie passe par l’utilisation de l’outil de
simulation radio AtollTM
. Cet outil est capable de simuler un contexte d’exploitation
du reseau 1xEV-DO ainsi defini proche de la realite. Nous dressons alors la liste des
etapes suivantes :
– Definition des scenarios de simulation ;
– Execution des scenarios de simulation ;
– Interpretation et analyse des resultats degages.
Afin de mieux etaler notre approche, nous commencons par definir la configuration de
base de notre methodologie.
4.3 Definition des parametres
4.3.1 Configuration de base
La configuration de base de notre methodologie consiste en un ensemble de donnees
fondamentales pour definir les composantes du systeme mobile 1xEV-DO. On peut dis-
tinguer deux groupes de donnees : les donnees radio et les donnees geographiques. Les
donnees radio comportent la description des equipements qui vont constituer le systeme
mobile. Ces equipements sont constitues de sites, d’antennes, de transmetteurs et de
secteurs. Le site presente le support sur lequel sera monte les transmetteurs. Il est ca-
racterise par une position geographique specifique comme le montre le tableau 4.5. Le
tableau presente les positions geographiques (x et y), l’altitude du site ainsi que l’equi-
pement qu’il supporte. L’antenne est un equipement qui permet la diffusion de l’onde
radio. L’ensemble de ces caracteristiques techniques est disponible au tableau 4.6. Ce
tableau illustre les caracteristiques de la diffusion de l’onde radio a partir de l’antenne.
Cette propagation est dictee par les deux patrons de propagation horizontal et vertical.
Les transmetteurs constituent une technique de couverture radio basee sur le concept de
sectorisation et qui caracterise les futurs systemes mobiles. Ainsi, au niveau du site, on
implante un groupe de transmetteurs qui permettent de faire la couverture requise. Seul
l’angle de couverture de l’antenne et l’angle d’ouverture de la zone a couvrir permettent
de determiner le nombre requis de transmetteurs par site. Dans notre methodologie, le
choix est fixe a une triple sectorisation de 120 pour garantir une couverture optimale
par site de 360 . Le tableau 4.7 illustre les parametres de definition des transmetteurs.
D’apres ce tableau, un transmetteur est caracterise d’abord par les pertes dues a la
transmission et a la reception du signal radio, ensuite par son rayon de propagation et
de couverture radio, sa position angulaire dans l’espace et finalement par son modele
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 65
de propagation. Le tableau 4.8 presente les parametres definissant un secteur. Ces pa-
rametres sont constitues d’abord de la puissance maximale de diffusion ainsi que des
puissances des canaux d’en-tete (pilote, radio recherche et synchronisation), ensuite des
facteurs de charges supportees sur les liens montant et descendant.
Parametre Description
Equipement Constructeur ou manufacturier
Position (x) Coordonnees geographiques
Position (y) Coordonnees geographiques
Altitude (m) Hauteur par rapport au sol
Tab. 4.5 – Donnees de configuration d’un site.
Parametre Description
Equipement Constructeur ou manufacturier
Patron horizontal Propagation horizontale du signal
Patron vertical Propagation verticale du signal
Angle ( ) Angle de couverture
Tab. 4.6 – Donnees de configuration d’une antenne.
Parametre Description
Antenne Equipement de base
Pertes de transmission (dBm) Pertes de puissance
Pertes de reception (dBm) Pertes de puissance
Bruits divers (dBm) pertes dues au bruit
Rayon de calcul propagation (m) Angle de couverture
Modele de propagation Modele formel de propagation
Position angulaire ( ) -
Tab. 4.7 – Donnees de configuration d’un transmetteur.
Dans la perspective d’une simulation qui se veut proche de la realite, notre methodologie
integre l’aspect geographique a travers des donnees qui permettent de definir la zone
geographique sur laquelle va s’implanter le systeme mobile. Cette zone geographique est
representee par une carte geographique de modele numerique de terrain (DTM : Digital
Terrain Model) qui encapsule de l’information sur 16 bits/pixel comme presente a la
figure 4.6. Au niveau de cette zone geographique ainsi definie, on peut restreindre notre
etude sur une section particuliere qui correspondrait par exemple a une zone urbaine
dense. Cette zone restreinte, appelee zone de calcul, utilise la meme metrique qu’une
zone geographique. Cette metrique peut etre exprimee en coordonnees cartographiques
(abscisse, ordonnee) ou encore geographiques (latitude, longitude). La figure 4.7 presente
un exemple de zone de calcul au sein d’une zone geographique.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 66
Fig. 4.6 – Carte DTM de la ville de Nice (France).
Fig. 4.7 – Zone de calcul de la ville de Nice (France).
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 67
Parametre Description
Transmetteur Equipement de base
Puissance maximale (dBm) Puissance de diffusion
Puissance Pilote(dBm) Puissance du canal pilote
Puissance Radio recherche (dBm) Puissance du canal radio recherche
Puissance synchronisation (dBm) Puissance du canal synchronisation
Facteur de charge UL (%) Charge supportee par le lien montant
Facteur de charge DL (%) Charge supportee par le lien descendant
Tab. 4.8 – Donnees de configuration d’un secteur.
4.3.2 Definition des Modeles
La reconstitution du contexte reel de l’exploitation d’un systeme mobile passe par
un ensemble de modeles qui sont :
– Modele de mobilite ;
– Modele de terminaux mobiles ;
– Modele de services ;
– Modele utilisateur ;
– Modele de trafic.
La mobilite des usagers lors de la communication decoule directement de la definition
meme des reseaux mobiles. Ainsi, la representation de cette donnee est fondamentale
pour distinguer les usagers en fonction de leur vitesse de deplacement. Le debit que
peut supporter un terminal mobile en mouvement decroıt en fonction de la vitesse. Le
concept active-set est une caracteristique qui permet de definir l’ensemble des stations
de base auxquelles le terminal d’un usager mobile peut etre connecte a un instant donne.
En effet, le terminal etablit une connexion principale avec la station de base en charge
de couvrir la zone ou se trouve l’utilisateur. Cependant, d’autres connexions secondaires
alternatives sont etablies. Grace a l’active-set, des connexions presentant une meilleure
qualite de signal s’offrent au terminal mobile dans le cas ou la qualite du signal en cours
se degrade lors du deplacement de l’usager. Les criteres qui regissent la constitution de
l’actif-set sont relatifs a l’indice de qualite de signal (Ec/Io). Le tableau 4.9 illustre la
definition du modele de mobilite.
Les usagers des futurs systemes mobiles seront dotes d’equipements dedies pour sup-
porter les services et les applications offertes. La representation des terminaux mobiles
a travers un modele propre au sein de notre methodologie est justifiee par le role actif
que joue un terminal dans l’analyse de la qualite du signal percu. Ce modele, a travers
les parametres relatifs aux pertes et aux puissances minimales et maximales suppor-
tees, permet aussi de definir le schema de codage et de modulation (AMC) a adopter
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 68
Parametre Description
Ec/Io-Supp (dB) Indice min pour quitter un active-set
Ec/Io-Ajout (dB) Indice min pour integrer un active-set
Ec/Io (dB) Puissance de diffusion
C/I requis = f(debit) Puissance du canal pilote
Vitesse Vitesse de deplacement
Tab. 4.9 – Definition des parametres de mobilite.
pour une transmission optimale. Le tableau 4.10 presente les donnees qui identifient le
modele de terminaux mobiles.
Parametre Description
Pertes totales (dBm) Pertes dues aux bruits et interferences
Puissance max (dBm) Puissance maximale de diffusion
Puissance min (dBm) Puissance minimale de diffusion
Tab. 4.10 – Definition du modele des terminaux mobiles.
Les futurs reseaux mobiles seront amenes a offrir une panoplie de services evolues bases
sur le concept de transfert de donnees. La modelisation de ces services permet de simuler
le comportement du reseau par rapport a leurs exigences en terme de qualite de service
(QoS). Le tableau 4.11 illustre les caracteristiques du modele de services.
Parametre Description
Facteur de codage UL Le facteur de codage a adopter sur le lien montant
Facteur de codage DL Le facteur de codage a adopter sur le lien descendant
Priorite Priorite du service
Probabilite de garantir le debit Ponderation des debits supportes
Tab. 4.11 – Definition du modele de services.
La modelisation du profil des usagers permet de refleter une categorisation selon des
criteres sociaux ou encore economiques de la population des utilisateurs. En effet, la
distribution des usagers n’est pas uniforme dans un reseau mobile. Le modele profil
utilisateur peut refleter une classification. Les frequences d’utilisation, les durees d’ex-
ploitation ainsi que les services sollicites varient en fonction du profil de l’usager. Le
tableau 4.12 illustre la definition du modele usager.
Le modele de trafic permet de representer le flux de donnees generees par les usagers
du reseau. Ainsi, la densite d’un profil particulier d’usagers dans une zone geographique
permet de creer un flux de donnees fonde sur les divers parametres de ce profil d’usagers.
Le tableau 4.13 represente les parametres qui caracterisent le modele de trafic.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 69
Parametre Description
Classe de Terminal Modele du Terminal Mobile
Activation du service/Hr Frequence d’utilisation par heure
Duree (sec) Duree d’utilisation du service
Tab. 4.12 – Definition du modele usager.
Parametre Description
Zone Zone geographique
Profil usager Classe d’usagers
Type de Mobilite Vitesse de deplacement
Densite Usager/Km2
Tab. 4.13 – Definition du modele de trafic.
4.3.3 Definition des scenarios de simulation
Un scenario est un cas d’utilisation de l’ensemble des parametres qu’on vient de
definir dans le cadre de notre methodologie d’evaluation de performance. Ce cas d’uti-
lisation vise a reconstituer une situation reelle et simuler le comportement du systeme
pour nous delivrer les resultats qui traduisent ce comportement. L’elaboration d’un
scenario passe imperativement par l’etude et l’analyse des valeurs a attribuer a chaque
parametre. Dans le cadre de nos travaux de recherches, les scenarios sont definis a par-
tir de la synthese des chapitres 2 et 3. En effet, cette synthese nous a permis tout
d’abord d’argumenter nos choix de valeurs pour chaque parametre de notre methodolo-
gie. Ensuite, elle nous a guide afin d’aboutir a nos objectifs, qui s’articulent autour de
l’evaluation de la performance de la technologie 1xEV-DO et particulierement le debit
binaire offert ainsi que ces caracteristiques.
4.4 Implementation
L’implementation de la methodologie proposee se fait a travers la creation d’un pro-
jet concret, capable de supporter les donnees de base, de representer les modeles definis
et d’iterer les scenarios de simulation en vue d’aboutir aux resultats escomptes. Afin
de reussir cette implementation, la selection de la solution adequate qui nous permet
d’atteindre nos objectifs s’impose. Le choix de l’outil AtollTM
de Forsk R© est le fruit
d’une analyse qualitative des solutions disponibles dans le domaine des reseaux mobiles.
AtollTM
est un environnement de conception, de planification et d’etude de performance
des reseaux mobiles. Elaboree autour d’une plate-forme flexible et extensible, cette solu-
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 70
tion permet de repondre aux besoins de nos travaux de recherche pour illustrer de facon
tangible les resultats obtenus grace a l’implementation de notre methodologie d’evalua-
tion de performance de la technologie 1xEV-DO. Les tableaux 4.14, 4.17 et 4.18 illustrent
la creation des scenarios a travers l’affectation des valeurs relatives aux parametres de-
finis dans notre methodologie d’evaluation de performance. Cette implementation est
basee sur une etude de la zone de Nice (France) ; elle decrit le systeme 1xEV-DO a
travers les donnees radio, geographiques ainsi que l’environnement d’exploitation qui
regroupe les donnees relatives au profil des usagers et leurs types de mobilite.
Parametre Valeurs Commentaire
Systeme de projection NTF (Paris)/ France Etendue gestion des coordonnees
Ville/Region etudiee Nice (France) zone geographique
Nombre de stations de base 42
Coordonnees des sites Nice-Sites.xls fichier de donnees
Zone de calcul Nice-Zone-Calcul.xls fichier de donnees
Tab. 4.14 – Parametres geographiques de simulation.
Service Terminal mobile usage/heure Duree (s)
Voix Terminal 1x1EV-DO 0,25 240
Acces Mobile a Internet Terminal 1x1EV-DO 0,25 150
Visiophonie Terminal 1x1EV-DO 0,25 240
Service de Messagerie Multimedia Terminal 1x1EV-DO 0,10 60
Tab. 4.15 – Profil utilisateur affaire (Business User).
Service Terminal mobile usage/heure Duree (s)
Voix Terminal 1x1EV-DO 0,25 210
Acces Mobile a Internet Terminal 1x1EV-DO 0,25 120
Service de Messagerie Multimedia Terminal 1x1EV-DO 0,10 50
Tab. 4.16 – Profil utilisateur standard (Standard User).
Le tableau 4.19 presente l’exemple d’un site avec ses coordonnees geographiques qui
identifient son emplacement. L’altitude est une donnee determinante pour le calcul de la
propagation de l’onde radio lors du processus de simulation. De facon similaire, le reste
des entites qui constituent le systeme 1xEV-DO tels que les antennes, les emetteurs
et les secteurs sont alors definis. Une illustration graphique de l’ensemble des sites,
antennes, emetteurs et secteurs implantes au sein de la zone de calcul est presentee a
la figure 4.8. Les tableaux 4.15 et 4.16 presentent les caracteristiques des deux profils
utilisateurs qui sont :
– utilisateur standard (standard user) ;
– utilisateur affaire (business user).
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 71
Environnement Profil d’usager Type de mobilite Densite (usager/km2)
Urbain dense Affaire Pieton 800
Urbain dense Standard Pieton 600
Urbain Affaire Pieton 300
Urbain Standard Pieton 400
Banlieue Affaire 50km/h 150
Banlieue Standard 50km/h 200
Rural Standard 90km/h 50
Tab. 4.17 – Parametres de l’environnement de simulation.
Service UL debit nominal DL debit nominal
Acces a Internet Mobile (MIA) 14 (kbps) 56 (kbps)
Service de Messagerie Multimedia (MMS) 64 (kbps) 196 (kbps)
Visiophonie 256 (kbps) 490 (kbps)
Tab. 4.18 – Parametres des services offerts.
Ces deux profils sont definis dans le cadre de l’implementation du modele profil utilisa-
teur de notre methodologie d’evaluation de performance. Les proprietes qui figurent au
niveau de ces tableaux demontrent la dependance du profil usager du service sollicite,
du terminal mobile requis pour ce service ainsi que de la frequence d’utilisation et de
la duree d’exploitation.
Les figures 4.9 et 4.10 illustrent les patrons de propagation horizontal et vertical du
signal radio d’une antenne. Les schemas traduisent les valeurs d’attenuation de cette
propagation sur 360 .
L’approche suivie afin d’implementer notre methodologie d’evaluation de performance
en vue d’analyser la capacite de la methode d’acces radio 1xEV-DO est decrite comme
suit. D’abord, nous avons cree un projet a partir du modele 1xEV-DO offert par l’outil
Atoll, comme le montre la figure 4.11. Ce modele offre un environnement de travail
qui correspond a cette technique d’acces. Les entites de base qui caracterisent cette
methode d’acces sont definies par des valeurs par defaut pour chaque parametre. Nous
avons ensuite procede a la creation des donnees de configuration. Nous avons alors
choisi la ville de Nice (France) et ses environs comme zone geographique, et le centre-
ville comme zone de calcul. Les figures 4.6 et 4.7 illustrent respectivement ces deux
entites.
En second lieu, nous avons defini les donnees radio a travers la creation de deux types
d’antennes dont l’illustration des patrons de diffusion (horizontal et vertical) est re-
presentee aux figures 4.9 et 4.10. La creation des emetteurs est desormais possible
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 72
Fig. 4.8 – Implementation des donnees radio.
010203040506070
Co-Polar
Fig. 4.9 – Exemple de patron de propagation horizontal d’une antenne.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 73
Parametre Description
Equipement Site (1xEVDO)
Position (x) 991 867
Position (y) 1 864 717
Altitude (m) 15
Tab. 4.19 – Exemple de definition d’un site.
020406080
100120
Co-Polar
Fig. 4.10 – Exemple de patron de propagation vertical d’une antenne.
puisqu’elle se base sur l’equipement qui represente le type d’antenne. La definition de
la sectorisation et l’association des emetteurs aux secteurs ainsi definis et ensuite des
secteurs aux sites. Ces etapes requierent une certaine chronologie dans le cheminement
des operations. Ceci est du a la dependance entre ces entites, comme explique a la sec-
tion 4.2. La distribution geographique des sites et l’association des emetteurs et des
secteurs qui lui sont relatifs sont effectues en nous basant sur les fichiers de donnees
definis au tableau 4.14.
L’etape suivante consistait a creer les differents modeles de notre methodologie d’eva-
luation de performance (modele de mobilite, modele utilisateur, modele de terminaux
mobiles, modele de service, modele de trafic). Cette etape est marquee par un ajuste-
ment effectue sur les modeles definis a l’origine. En effet, une adaptation imperative
de notre methodologie a ete effectuee pour reussir l’implementation de ces modeles. La
creation des scenarios de simulation est finalement faite sur la base de tous les para-
metres et les modeles que nous avons definis et implementes.
L’execution d’un scenario de simulation par l’outil Atoll consiste en la creation d’une
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 74
Parametre Description
Antenne 120 Sector 14.5 dBi 0 Tilt
Pertes de transmission (dBm) 8
Pertes de reception (dBm) 5
Bruits divers (dBm) 7
Rayon de calcul de propagation (m) 3000
Modele de propagation Modele de Propagation Standard
Position angulaire ( ) 150
Tab. 4.20 – Exemple de definition d’un transmetteur.
Parametre Description
Transmetteur 120 Sector 14.5 dBi 0 Tilt (1)
Puissance maximale (dBm) 70
Puissance Pilote (dBm) 30
Puissance Pagination (dBm) 17
Puissance synchronisation (dBm) 25
Facteur de charge UL (%) 75
Facteur de charge DL (%) 75
Tab. 4.21 – Exemple de definition d’un secteur.
population d’usagers qui correspond aux parametres de densite et de profil utilisateur
definis aux tableaux 4.12 4.15 et 4.16. La cardinalite de cette population ainsi que sa
distribution geographique sont assurees par l’outil de facon aleatoire pour diversifier
le comportement du systeme a analyser. L’affectation des terminaux mobiles a chaque
membre de cette population est faite en fonction du profil usager et des services requis.
La position geographique de chaque utilisateur est determinante pour caracteriser la
qualite de la connexion entre son terminal mobile et la station de base en charge de
couvrir la zone geographique ou il se trouve. La qualite du signal est alors affectee non
seulement selon la topologie du terrain de cette zone geographique ou se trouve l’usager,
mais aussi selon les exigences du service qu’il sollicite.
4.5 Resultats obtenus et analyse
Les resultats obtenus a la fin de chaque scenario de simulation comportent les va-
leurs des indices C/I et Ec/Io ainsi que le debit binaire pour chaque utilisateur. Afin
de pouvoir representer les relations entre ces indices de qualite de transmission d’une
part, et le debit offert par la technologie 1xEV-DO, nous avons adopte une procedure
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 75
Fig. 4.11 – Le modele Atoll de projet 1xEV-DO
appropriee d’analyse et d’interpretation de ces resultats. En fait, un modele de tableur
a ete defini pour dresser un etat complet de l’ensemble des resultats de tous les scena-
rios de simulation. En nous basant sur les donnees des tableaux 4.1 et 4.2, nous avons
pu grouper en sous-familles les resultats obtenus en fonction du debit binaire. Nous
avons procede a l’interpretation de ces resultats en utilisant de multiples agregations et
groupements pour viser, a chaque fois, un aspect particulier de la performance du sys-
teme 1xEV-DO simule. C’est ainsi que la creation de differents tableaux de donnees par
utilisateur, par secteur et par service a ete faite. Un groupement des resultats obtenus
par secteur et par indice (C/I et Ec/Io) nous permet d’interpreter la qualite du signal
sur les liens montant et descendant par secteur et par indice. Ce resultat caracterise
la qualite de la couverture d’une zone de service et la capacite d’assurer des ressources
radio aux utilisateurs qui s’y trouvent en fonction de la charge de trafic du systeme.Les
figures 4.12 et 4.13 montrent la qualite du signal offerte par secteur pour un systeme
1xEV-DO. Les deux formes des courbes se ressemblent et ceci est du au fait que les
systemes CDMA affichent une certaine immunite quant aux anomalies de transmission
et les perturbations qu’elle peut subir. Les indices C/I et Ec/Io ne representent que
deux elements qui caracterisent d’abord le rapport signal sur bruit, ensuite, la qualite
du signal percu. Ainsi, cette ressemblance de forme des deux courbes est justifiee par le
comportement du systeme CDMA, et en l’occurrence la technologie d’acces 1xEV-DO,
envers ces perturbations qui caracterisent le lien radio.
Au sein de l’ensemble des usagers d’un meme secteur, nous sommes en mesure d’analyser
la relation entre les debits requis par les terminaux mobiles en vue de supporter les
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 76
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
−2,42 −1,54 −1,53 −0,54 0,54 1,54 1,55 2,58 3,54 4,51 5,38
Ec/Io (dB)
Déb
it (
kbp
s)
Débit sur lien descendant (kbps)
Fig. 4.12 – Debit en fonction de l’indice Ec/Io.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
5,87 6,05 6,07 6,09 6,09 6,10 6,10 6,11 6,13 6,15 6,51
C/I (dB)
Déb
it (
kbp
s)
Débit sur lien descendant(kbps)
Fig. 4.13 – Debit en fonction de l’indice C/I.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 77
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1 000,00
1 200,00
1 400,00
1 600,00
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 103
Utilisateur
Rat
e (k
bp
s)
DL requested rate (kbps)DL obtained rate (kbps)
Fig. 4.14 – Debit offert en fonction du debit requis sur le lien descendant par utilisateur.
services qu’ils offrent. Lors de la simulation, les debits offerts par le systeme ne sont pas
systematiquement a la hauteur de la demande des terminaux mobiles. Cette limite de
capacite peut etre due a la charge du secteur ou encore a la qualite de couverture de la
zone ou se localise ce terminal mobile.
L’effectif des utilisateurs qui ont sollicite un service et qui n’ont pas pu beneficier du
support du systeme caracterise la probabilite de rejet du reseau mobile. Les figures 4.14
et 4.16 illustrent comment notre systeme 1xEV-DO s’est comporte pour satisfaire les
debits requis sur les liens montant et descendant. Ces figures comportent chacune deux
courbes representant a chaque fois le debit requis et le debit offert. Les statistiques des
resultats obtenus montrent que 95.3% des debits requis ont ete satisfaits completement,
2.1% ont ete satisfaits partiellement (le debit offert ne correspond pas a celui demande,
mais il permet tout de meme d’offrir le service sollicite), 2.6% des debits requis n’ont pas
pu etre satisfaits et ont cause le rejet de l’utilisateur. Le profil usager qui est suceptible
d’etre rejete est celui qui exige le plus de ressources radio et qui exige plus de contraintes
en terme de qualite de service. Cette strategie de rejet favorise la maximisation du
nombre d’usagers satisfaits par rapport aux services sollicites.
La figure 4.16 presente une moyenne faite sur les resultats des debits des liens montant
et descendant par secteur. L’analyse des systemes CDMA montre qu’a partir d’une
certaine capacite, les perturbations et les interferences affectent la performance offerte.
Ainsi, la courbe qui trace l’evolution de l’indice C/I confirme cette caracteristique des
systemes CDMA. Cette courbe resulte d’une analyse approfondie et d’agregation des
resultats obtenus par service offert (Acces mobile a internet, messagerie multimedia et
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 78
0
50
100
150
200
250
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116
Utilisateur
Déb
it (
kbp
s)
UL requested rate (kbps)
UL obtained rate (kbps)
Fig. 4.15 – Debit offert en fonction du debit requis sur le lien montant par utilisateur.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
s1 s5 s9 s13
s17
s21
s25
s29
s33
s37
s41
s45
s49
s53
s57
s61
s65
s69
s73
s77
s81
Émetteur
Déb
it m
oye
n (
kbp
s)
DL throughput (kbps)
UL throughput (kbps)
Fig. 4.16 – Debit des liens montant et descendant par secteur.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 79
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
−3,38 −2,98 0,20 1,88 4,05 6,97 10,20 15,54
C/I (dB)
Déb
it (
kbp
s)DL Throughput (kbps)
Fig. 4.17 – Debit en fonction de l’indice C/I pour le service d’acces mobile a Internet.
visiophonie) pour degager l’evolution de ces indices en fonction du debit binaire. Les
figures 4.17, 4.18, 4.19, 4.20, 4.21 et 4.22 sont dressees a partir d’un groupement des
resultats par service. Ensuite, en fonction des paliers definis pour chaque service en
termes de debits binaires maximum et minimum comme illustre au tableau 4.18, une
moyenne des debits offerts pour chaque service est faite pour permettre de creer une
representation des debits moyens par service a la figure 4.23. L’analyse de ces resultats
nous montre l’impact des interferences et de la degradation de la qualite de service sur
le debit offert.
Apres la synthese de l’ensemble des resultats degages par l’implementation de notre
methodologie, nous realisons l’importance de l’etude des elements cles pour assurer la
performance d’une methode d’acces radio d’un systeme mobile. Ces elements se re-
sument a :
– L’etude des exigences en terme de qualite de service (QoS) des services et des
applications evoluees a offrir aux usagers (Acces mobile a internet, messagerie
multimedia et visiophonie) ;
– L’analyse de la zone de deploiement du systeme mobile pour combler les limites
que peut afficher une methode d’acces en presence d’une topologie de terrain acci-
dentee ou presentant des obstacles qui sont capables de faire degrader rapidement
la qualite de couverture et la puissance du signal offert aux usagers.
L’approche que nous avons adoptee pour permettre l’evaluation de la performance de
la methode d’acces radio 1xEV-DO, son implementation et les resultats obtenus consti-
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 80
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-0,96 1,77 2,93 3,18 4,45 5,82 6,40 7,15
Ec/Io (dB)
Déb
it (
kbp
s)DL Throughput (kbps)
∗
Fig. 4.18 – Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service d’acces mobile a Internet.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-0,66 3,84 7,02 10,85 14,99
C/I (dB)
Déb
it (
kbp
s)
DL Throughput (kbps)
Fig. 4.19 – Debit en fonction de l’indice C/I pour le service de messagerie multimedia.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 81
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
−1,38 0,20 1,80 2,34 3,16
Ec/Io (dB)
Déb
it (
kbp
s)DL Throughput (kbps)
Fig. 4.20 – Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service de messagerie multimedia.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
−3,36 −2,95 −0,68 2,03 4,37 7,19 10,20 13,98
C/I (dB)
Déb
it (
kbp
s)
DL Throughput (kbps)
Fig. 4.21 – Debit en fonction de l’indice C/I pour le service de visiophonie.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 82
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
−1,17 −0,74 1,39 2,12 3,36 4,78 5,40 6,14
EC/Io (dB)
Déb
it (
kbp
s)DL Throughput (kbps)
Fig. 4.22 – Debit en fonction de l’indice Ec/Io pour le service de visiophonie.
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
450,00
500,00
Multimedia Messaging Service Mobile Internet Access Visiophony
Services
Déb
it (
kbp
s)
DownLink throughput (kbps)
UpLink throughput (kbps)
Fig. 4.23 – Debit moyen par service.
Chapitre 4. La future technologie 1xEV-DO : analyse et performances 83
tuent un veritable outil d’aide a la decision pour les operateurs et les fournisseurs d’acces.
En effet, ces derniers cherchent des criteres de comparaison, des elements d’evaluation
ainsi que des arguments qui justifient le choix parmi les differentes technologies d’ac-
ces. La methode d’acces radio 1xEV-DO se positionne ainsi, et en se basant sur nos
propres resultats, comme un choix potentiel pour garantir le support des services et des
applications evoluees par les futurs reseaux mobiles.
Chapitre 5
Conclusion
Apres avoir elabore notre methodologie d’evaluation de performance de la technolo-
gie 1xEV-DO et procede a son implementation avec l’outil de simulation AtollTM
, il nous
revient maintenant de conclure. Dans cette conclusion, nous faisons d’abord la synthese
de la demarche suivie pour obtenir les resultats caracterisant les performances de la
technologie 1xEV-DO. Ensuite, nous nous arreterons sur les limitations de nos travaux
de recherche. Finalement, nous presenterons les perspectives et extensions potentielles
de tels travaux.
5.1 Synthese des resultats
Dans ce memoire, nous avons tout d’abord presente les caracteristiques des reseaux
mobiles. Ensuite, nous avons developpe une etude complete des methodes d’acces radio,
en mettant l’accent sur celles qui sont basees sur la technique d’etalement de spectre.
Par la suite, nous avons retrace le chemin d’evolution des standards de cdmaOne (IS-
95A et IS-95B) au cdma2000 (1xMC et 1xEV-DV). L’etude de cette progression nous a
permis d’analyser les changements qu’ont connus les systemes CDMA. Ces changements
touchent aussi bien la structure des canaux que les techniques de codage, de modulation
et de controle d’erreur. Cette analyse nous a aussi montre la forte dependance entre
ces techniques et les performances affichees par ces systemes, en plus de nous aider a
definir une approche qui soit en mesure d’evaluer ces performances.
L’evaluation de performance a commence par l’elaboration de notre approche qui repose
sur une etude detaillee des caracteristiques fondamentales de la technologie 1xEV-DO
Chapitre 5. Conclusion 85
comme la modulation et le codage adaptatifs (AMC : Adaptive Modulation and Co-
ding), la demande automatique de retransmission (H-ARQ : Hybrid Automatic Repeat
reQuest) et les algorithmes d’ordonnancement (Scheduling Algorithm). Cette metho-
dologie s’articule autour d’une configuration de base comportant les donnees geogra-
phiques et radio, d’un ensemble de parametres et des modeles suivants : un modele
d’utilisateurs, un modele de trafic, un modele de services, un modele de mobilite et
un modele de terminaux mobiles. Alors que la configuration de base permet de defi-
nir le contexte de la simulation (la zone geographique et les composantes du systeme
mobile), les parametres et les modeles permettent de creer les differents scenarios de la
simulation.
L’implementation des modeles qui relevent de notre methodologie grace a l’outil de
planification et de simulation radio AtollTM
de Forsk R© a permis de profiter du ca-
ractere flexible de cet outil pour concretiser notre modelisation et notre configuration
de base. L’execution des differents scenarios a conduit a diverses representations de la
relation entre le debit binaire offert en fonction des indices de signal sur interference
(C/I) et de qualite du signal radio (Ec/Io). D’apres nos resultats, la capacite de la
technologie 1xEV-DO a satisfaire les exigences de qualite de service des applications
evoluees confirme le potentiel de cette future methode d’acces radio. En effet, ces resul-
tats montrent que cette technique d’acces radio est capable de garantir la satisfaction
totale de 95.3% des debits requis et un faible taux de rejet (de l’ordre de 2.6%) des
usagers mobiles.
5.2 Limitations
Les resultats obtenus dans ce memoire ne sont pas tout a fait complets puisqu’ils
ne couvrent que le debit binaire offert par la technologie 1xEV-DO. Ce choix decoule
de l’importance de ce parametre de qualite de service dans la specification des futurs
services et applications evolues a offrir aux usagers mobiles grace a la methode d’acces
1xEV-DO. Une evaluation de performance plus approfondie de cette technologie devrait
couvrir d’autres aspects, comme les delais de transmission, l’efficacite spectrale et le taux
d’erreur lors de la transmission des donnees. Ces elements permettront certainement
d’etudier le comportement des futurs systemes mobiles sur la base de resultats realistes
et plausibles.
Le processus de simulation avec AtollTM
comporte egalement des limites. En effet, la
gestion de la mobilite merite d’etre approfondie pour presenter un modele de patron de
mobilite complet avec des parametres specifiques tels que la vitesse et la direction du
Chapitre 5. Conclusion 86
deplacement. De plus, l’outil AtollTM
de Forsk R© ne couvre dans sa version 2.4.1 que les
aspects de controle de puissance et le codage et la modulation adaptatifs (AMC ). Les
algorithmes d’ordonnancement (Scheduling), le controle et la correction d’erreur (H-
ARQ) ne sont pas encore implementes. Le fait d’inclure ces concepts fondamentaux des
futurs systemes mobiles nous permettra d’abord, d’analyse nos resultats obtenus autour
de ces concepts, ensuite, de completer notre approche d’evaluation de performance de
la technologie d’acces 1xEV-DO.
Le facteur temps constitue aussi un element fondamental a integrer au processus de
simulation afin d’illustrer le comportement dynamique du systeme mobile. En effet, dans
sa version actuelle, l’outil Atoll ne supporte, dans le contexte de la simulation, qu’une
simple vue statique (snapshot) des usagers. Autrement dit, seul la position geographique
d’un utilisateur au moment de la simulation definit les caracteristiques de sa connexion
au systeme. Cette interpretation temporelle des conditions de reception du signal radio
est loin de refleter la situation reelle d’un usager qui se deplace et pour qui la qualite du
signal radio recu est fonction des caracteristiques de mobilite (vitesse, positionnement
par rapport a la station de base, les obstacles et les perturbations).
5.3 Perspectives
Une perspective future de nos travaux de recherche nous conduira a l’amelioration
des performances illustrees a travers les resultats obtenus. En effet, apres avoir analyse
la dependance entre les caracteristiques radio et techniques de la technologie 1xEV-DO
et la performance qu’elle affiche, nous sommes bien places pour explorer les possibilites
d’ameliorer ces performances. Les recherches ne cessent de progresser dans des champs
tels que le codage, la modulation, le controle et la correction d’erreur et d’ordonnance-
ment. Une extension de notre effort d’analyse pourrait se baser sur ces recherches pour
proposer une nouvelle configuration, avec ces elements techniques fondamentaux. Ainsi,
la technologie 1xEV-DO continuera a se positionner comme un potentiel evolutif qui
permet d’elaborer la base des futurs reseaux mobiles en vue de supporter les services et
applications evolues.
Finalement, la constitution de la population qui va representer les usagers pourrait
profiter de la maturite que connaıt l’intelligence artificielle grace aux systemes multi-
agents. En effet, a travers ces systemes, nous serons en mesure de creer une population a
base d’individus qui seront representes par des agents rationnels ayant un comportement
fonde sur la perception et l’interaction avec leurs environnements en vue d’atteindre
leurs buts. Cette representation du modele utilisateur permettra de se rapprocher du
Chapitre 5. Conclusion 87
comportement humain et refletera avec plus de precision le besoin de chaque categorie
d’usagers.
Bibliographie
[1] 3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2), Cdma2000 high rate packet data
air interface specification, october 2000.
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Index
1xEV-DO
Evolution Data Only, 54, 56, 58–62
1xEV-DV
Evolution Data and Voice, 51
EVolution, Data and Voice, 52
8PSK
8 Level Phase Shift Keying, 17
AM
Amplitude Modulation, 15
AMC
Adaptive Modulation and Coding, 21
AMRC
Acces Multiple a repartition de Code,
8, 40
AMRF
Acces Multiple a Repartition en Fre-
quence, 7, 33
AMRT
Acces Multiple a Repartition dans le
Temps, 7, 8, 33, 34
BPSK
Binary Phase Shift Keying, 16
BSC
Base Station Controller, 11
BTS
Base Transceiver Station, 11
CDM
Multiplexage par Repartition en Code,
14
CDMA
Code Division Multiple Access, 3, 8,
35, 36, 39, 42–44, 55, 63
cdma2000
1xMC, 1xEV-DO, 1xEV-DV CDMA
Systems, 3, 5, 40, 41, 59, 63
cdmaOne
IS95/A, IS95/B CDMA Systems, 3,
5, 40, 41, 43, 63, 84
CW
Code Walsh, 43
DRC
Data Rate Control, 23
DRR
Deficit Round Robin, 26
DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum,
37
EDF
Earliest Deadline First, 26
F-APICH
Forward Auxiliary Pilot Channel, 56
F-ATD-PICH
Auxiliary Transmit Diversity Pilot
Channels, 56
F-DCCH
Forward Dedicated Control Channel,
51
F-SCH
Forward Supplemental Channel, 51
F-TDPICH
Forward Transmission Diversity Pi-
lot Channel, 56
FCC
Fundamental Channel Code, 47
Index 92
FEC
Forward Error Correction, 18
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum,
37
FIFO
First In First Out, 24
FM
Frequency Modulation, 15
GPS
Generalised Processor Sharing, 24
H-ARQ
Hybrid-Automatic Repeat reQuest,
22
HLR
Home Location Register, 9
HOL
Head Of the Line, 24
MCS
Modulation and Coding Schema, 21
MHD
Minimum Hamming Distance, 19
MRF
Multiplexage par Repartition de Fre-
quence, 14
MRT
Multiplexage par Repartition de Temps,
14
PM
Phase Modulation, 15
QAM
Quadrature Amplitude Modulation,
17
QoS
Quality of Service, 24
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying, 16
RR
Round Robin, 26
RSC
Recursive Systematic Convolutional,
20
Reed Solomon Codes, 19
SCAM
Supplemental Channel Assignement
Message, 48
SCRM
Supplemental Channel Request Mes-
sage, 48
Short PN
Short Pseudo Noise, 43
THSS
Time Hopping Spread Spectrum, 37
VLR
Visitor Location Register, 10
WF2Q
Worst-case Fair Weighted Fair Queuing,
25
WFQ
Weighted Fair Queuing, 25
WRR
Weighted Round Robin, 26