Planification des réseaux GSM et évolution vers les systèmes de troisième génération

Frédéric MENOT

Filière Réseaux &Télécommunications

Option radiocommunications avec les mobiles

Année scolaire 1999-2000

Remerciements

Je tiens à remercier toute l’équipe du département ingénierie qui m’a permis de m’intégrer rapidement dans le service, et dont les nombreux conseils m’ont permis de mener à bien ce projet.

Mes remerciements vont aussi à des personnes en dehors du département où je travaillais qui m’ont consacrer un peu de leur temps pour m’expliquer et me conseiller sur les méthodes à tenir, les moyens d’y parvenir, je pense en particulier à Jean Michel Pintaux pour son aide sur les comparatifs au niveau des modèles de propagation.

Table des Matières

Introduction

Parmi ses nombreuses activités, le groupe Sagem sa s'occupe de la mise en œuvre de réseaux hertziens. Son offre complète couvre des bandes de fréquence jusqu'à 38GHz et des débits jusqu'à 16x2Mbits/s, dans des configurations de réseaux variées :

• réseaux cellulaires,
• réseaux d'accès, pour connecter les abonnés en zones rurales ou urbaines,
• réseaux privés, pour la réalisation et l'interconnexion de réseaux d'entreprise et le développement de l'infrastructure de transmission des services d'utilité publique (électricité, autoroutes,..)

Dans ces différentes activités, il est nécessaire, pour répondre aux appels d'offres aussi bien que pour déployer un réseau, de disposer d'outils de simulation permettant d'implanter des bases, de visualiser la couverture et d'afficher les besoins en ressources radio pour écouler le trafic,...

A mon arrivée la Sagem disposait d'outils développés de façon interne, fonctionnant très bien dans le cadre d'applications point à point et point - multipoint mais non adaptées aux nouvelles demandes.

Le sujet de ce stage de fin d'études est centré sur la planification des réseaux GSM et leur évolution vers les systèmes de troisième génération. Il s'agit d'évaluer différents outils de couverture radio disponibles sur le marché et de comparer leurs performances, dans le but d'acquérir un logiciel de dimensionnement polyvalent assurant les besoins actuels de couverture point à point et de réseau cellulaire ainsi que des applications à venir : couverture indoor, boucle locale radio et réseau UMTS.

Nous allons commencer par rappeler quelques informations sur la structure et les activités du groupe Sagem Sa.

Puis nous aborderons la synthèse du cahier des charges ainsi que les différentes étapes qui ont mené à son élaboration.

Enfin nous présenterons l'étude en vue du choix d'un de ces logiciels. Elle se décompose en deux étapes pour chaque logiciel :

• étude technique afin d'évaluer les avantages et inconvénients,

• étude financière afin de mesurer le coût de revient et notamment les licences, les mises à jour et les Modèles numériques de terrain à utiliser.

On remarquera en annexe, un document qui a été le premier travail réalisé dans le cadre du stage sur les différentes technologies de radiocommunication avec les mobiles.

Sommaire

I Présentation de la société

Le Groupe SAGEM est un groupe de haute technologie aux assises internationales qui, avec un chiffre d'affaires consolidé de 22,4 milliards de francs pour l’année 1999, réalisé pour 46,3% à l’international, emploie 15 600 personnes, dont 7 300 cadres et techniciens.

Deuxième groupe français de télécommunications, troisième groupe européen en électronique de défense et de sécurité, SAGEM est aussi un des leaders de l’électronique automobile. SAGEM est implanté dans plus de vingt pays et possède des centres de fabrication en Allemagne, au Brésil, en Espagne, aux Etats-Unis et en République Tchèque.

Sur les dix dernières années, le chiffre d’affaires est passé de 10,4 (1989) à 22,4 (1999) milliards de Francs (x 2,15), le résultat net part du groupe de 151 (1989) à 962 (1999) millions de Francs (x 6,4) et la capitalisation boursière à fin 1999 s’élève à 42,4 milliards de Francs (x 17.7 depuis fin 1989).

Les activités se répartissent en trois branches, à savoir :

• La Branche Communications. Avec un chiffre d’affaires de 12 574 MF (56 % du chiffre d’affaires du Groupe) réalisé en 1999, SAGEM est un grand acteur mondial et premier en France en téléphones mobiles. Fortement présent sur les marchés des téléphones mobiles GSM et DCS en Europe et avec ses gammes GSM, DCS et PCS en Asie et en Amérique, SAGEM multiplie les innovations issues des nouvelles technologies de communication (GPRS, PDA communicants,…). Leader européen en télévision numérique (décodeurs avec accès Internet) et en fax, SAGEM développe également des terminaux Internet (F@X™ Internet, DECT et produits d’accès). SAGEM est un acteur prépondérant en réseaux professionnels et Internet (réseaux d’entreprises et accès Internet, réseaux Internet et optique), et en réseaux de radiocommunication (systèmes et infrastructures de radiocommunication).

• La Branche Défense. Avec un chiffre d’affaires de 4 956 MF (22 % du chiffre d’affaires du Groupe) réalisé en 1999, SAGEM est le premier constructeur européen de systèmes inertiels et troisième mondial, le premier constructeur européen de systèmes optroniques et occupe une position de leader mondial du contrôle en vol des hélicoptères. Les systèmes d’électronique de défense de SAGEM couvrent le guidage et la navigation, l’optronique, les systèmes aéronautiques, l’avionique et le pilotage, les drones et l’observation. Dans le domaine de la sécurité, SAGEM est leader mondial en biométrie à base d’empreintes digitales. SAGEM est aussi leader en optique haute performance astronomique et spatiale. SAGEM est fortement présente dans les systèmes d’information et de communication sécurisées, les terminaux monétiques et les cartes à puce.

• La Branche Automobile. Equipementier automobile, spécialiste des systèmes électroniques, avec un chiffre d’affaires de 4 845 MF (22 % du chiffre d’affaires du Groupe) réalisé en 1999, SAGEM est reconnu comme expert en systèmes de contrôle moteur et en électronique d'habitacle. SAGEM développe, pour les nouvelles technologies de moteur, à la fois les stratégies et les calculateurs de contrôle, ainsi que les composants comme les systèmes d’injection, l'allumage et les capteurs. Architecte de l'électronique du cockpit, SAGEM est leader dans les tableaux de bord, les ordinateurs centraux d’habitacle, les afficheurs multifonctions, les équipements de navigation et le multimédia. SAGEM est également présent dans le domaine des câbles d’énergie de la basse tension à la très haute tension, et dans celui des câbles de télécommunications.

Organigramme de Sagem Sa

Comme on peut le voir sur l’organigramme de la page précédente, la branche Communications est divisée en plusieurs divisions :

Division Téléphones Mobiles

• Mobiles Europe

Gamme GSM, DCS...

• Mobiles Asie/Amérique

Gamme GSM, DCS, PCS...

• Développements spécifiques

PDA communicants,

Modules GPRS...

• Commercialisation de services GSM

(SCS SAGEM)

Division Internet et Réseaux

• Réseaux Professionnels et Internet

Réseaux d'entreprises et accès Internet, Réseaux Internet et optique

• Réseaux de Radiocommunication

Systèmes de radiocommunication (GSM R, boucle locale radio), Infrastructures de radiocommunication (équipements de réseaux mobiles, faisceaux hertziens) et Signalisation

• Terminaux Internet

F@x™ Internet, DECT et produits d'accès (pour réseaux Internet, Intranet, câble, XDSL, RNIS...)

• Audiovisuel et Internet

Télévision numérique (décodeurs)

Mon stage s’est déroulé au sein de la branche Communications, division Internet et Réseaux, activité Réseaux de Radiocommunications, au sein du département Faisceaux Hertziens.

mise à jour : 24/01/2000

mise à jour : 24/01/2000

Le Comité de Direction comprend, en plus des membres du Comité Exécutif :

Sommaire

II Analyse des besoins – Syhthèse du cahier des charges

1. Analyse des besoins

1. Considérations générales

La première étape de ce stage a été de reprendre les différentes connaissances en radio acquises lors de mon cursus et de les aborder d'un point de vue très pratique afin de savoir quels éléments sont nécessaires dans un logiciel pour pouvoir répondre aux mieux aux besoins réels de déploiement et de planification d'un réseau de faisceaux hertziens ou cellulaire.

Dans une liaison hertzienne certains éléments sont particulièrement intéressants pour rendre compte de l'état du bilan de liaison. La figure ci dessous représente le synoptique de la partie qui nous intéresse :

La zone de raccordement hyper-fréquence est détaillée dans la figure ci-dessous :

Une première chose que l'on peut remarquer sur la configuration des équipements (figure précédente) est que les pertes de branchements en émission et en réception sont différentes selon le canal considéré, cela étant du au nombre différent d'éléments à traverser avant de parvenir au filtre final.

Ces éléments qui font apparaître, comme nous le verrons plus loin, des atténuation de plusieurs dB ne peuvent pas être négligées et doivent donc pouvoir être saisies lors de l'implantation d'un site ou d'une liaison.

Le bilan de liaison dont nous avons précédemment parlé sera donc calculé de la sorte :

Puissance d'émission paramètre caractéristique de l'émetteur

- Pertes branchement émission pertes dues au filtrage hyperfréquence émission

- Pertes feeder émission pertes dans le guide d'onde de liaison émetteur - antenne

+ Gain antenne émission

- Affaiblissement d'espace libre propagation de l'onde électromagnétique dans l'air

+ Gain antenne réception

- Pertes feeder réception pertes de liaison antenne - récepteur

- Pertes branchement réception pertes dues au filtrage hyperfréquence réception

= Niveau nominal reçu

Le récepteur est caractérisé par son seuil de réception pour un taux d'erreurs donné. C'est par définition le niveau de réception à partir duquel on obtiendra le taux d'erreur.

La différence entre le niveau reçu et le seuil donne la marge de fonctionnement de la liaison qui permettra d'obtenir la qualité voulue une fois les paramètres difficilement simulables en place : conditions de propagation non constantes dans le temps et dans l'espace, variations des conditions climatiques, perturbateurs,..

On comprends ainsi que le logiciel qui permettra d'incorporer le plus grand nombre de paramètres permettra d'avoir des marges de fonctionnement les plus faibles et utiliser ainsi au mieux les équipements.

Particulièrement dans le cas des liaisons par faisceaux hertziens, les perturbateurs doivent être pris en compte. Ils correspondent à tous les signaux parasites autres que le signal utile en provenance de l'émetteur en regard.

La somme de tous ces bruits donne le niveau de perturbation résultant. Le calcul du niveau d'un perturbateur s'effectue suivant le même principe que celui du niveau nominal de réception.

- Pertes branchement émission pertes dues au filtrage hyperfréquence émission

- Pertes feeder émission pertes dans le guide d'onde de liaison émetteur - antenne

+ Gain antenne émission

- Découplage angulaire

- Découplage de polarisation

- Affaiblissement d'espace libre propagation de l'onde électromagnétique dans l'air

+ Gain antenne réception

- Découplage angulaire

- Découplage de polarisation

- Pertes feeder réception pertes de liaison antenne - récepteur

- Pertes branchement réception pertes dues au filtrage hyperfréquence réception

- Affaiblissement spectral

= Niveau du perturbateur

Dans ce calcul apparaissent les pertes suivantes :

•  
• Découplage angulaire : il correspond à l'affaiblissement obtenu sur une antenne lorsque le signal n'est pas émis ou reçu dans l'axe de pointage.
•  
• Découplage de polarisation : il correspond à l'affaiblissement obtenu lorsque l'onde électromagnétique est reçue suivant la polarisation opposée à celle dans laquelle elle a été émise.
•  
• Affaiblissement spectral : il est du au filtrage lorsque la fréquence du signal reçu est différente de la fréquence de réception normale du récepteur.

Si l'on répète ce calcul pour tous les éléments perturbateurs et que nous additionnons les résultats on obtient le perturbateur résultant. A ce niveau vient s'ajouter au bruit thermique nominal du récepteur pour donner le bruit apparent du récepteur.

Perturbateur résultant :

Niveau de bruit apparent :

Seuil apparent :

Marge théorique :

Lorsque la marge s'avère trop faible il faut changer des caractéristiques du réseau : modification du plan de fréquence, choix d'antennes plus directives,..

Sommaire

2. Besoins dans le cadre des faisceaux hertziens

Un logiciel qui répondrait aux attentes pour les faisceaux hertziens devrait donc renseigner, au moins, les différentes informations ci-dessous.

• Liaisons : cette partie comporte la liste des stations ou plus exactement les antennes faisant partie du réseau à étudier. Chaque antenne est caractérisée par

• Ses coordonnées géographiques
• Ses émetteurs / récepteurs
• Le type de l'antenne
• Le ou les feeders associés
• Les atténuateurs associés
• Fréquences et canaux utilisés
• Azimut, altitude, hauteur au dessus du sol

• Emetteurs / récepteurs :

Puissance d'émission

Seuil de réception à 10-3, 10-6

Perte de branchement émission (suivant le rang du canal)

Perte de branchement réception (suivant le rang du canal)

• Antennes :

Gain nominal

Affaiblissement en s'écartant de l'axe : diagrammes polaires et contra-polaires

• Feeders :

Atténuation en dB/m

• Découplages : cette partie comporte les indications de perturbation entre matériels en fonctions des écarts de fréquence, pour des matériels travaillant dans une même bande.

D’autres éléments pourraient être intéressants comme la gestion des relais passifs dos à dos ainsi que des réflecteurs plan utilisé comme relais passifs.

Les principales fonctions nécessaires pour les FH, sont l’affichage de bilan de liaison ainsi qu’une gestion assez fine des phénomènes d’interférences.

On peut aussi penser à des fonctions de recherche de site liées à la visibilité par rapport à un autre point ou par rapport à la hauteur du sursol, à des fonctions d’optimisation de la hauteur des antennes de façon à minimiser celles ci en maintenant une liaison dont le 1^er ellipsoïde de Fresnel se dégagé de x%.

Enfin pour la BLR, une gestion des sites d’abonné est intéressante afin de voir comment écouler le trafic désiré.

A ces différentes fonctions, il serait utile de rajouter la possibilité de créer un réseau sans avoir de modèle de terrain et la possibilité de dresser soi même un profil de terrain à partir de cartes IGN par exemple. En effet acquérir un modèle de terrain pour répondre de façon approximative à un appel d’offre sur de la boucle locale radio peut s’avérer peu rentable surtout si le réseau se trouve en plein milieu de l’Afrique…

Sommaire

3. Besoins dans le cadre des réseaux cellulaires de type GSM

La plupart des besoins ont été déjà exprimés dans la partie précédente, mais plusieurs fonctions sont à rajouter :

• Allocation automatique de fréquence,

• Calcul du nombre de canaux nécessaires afin d’écoulé le trafic dans une zone donnée,

• Outils de recherche de site :

par exemple on définit une zone que l’on veut couvrir sous forme d’un polygone ou un chemin (autoroute,…) et le logiciel donne les sites susceptibles d’accueillir une BTS,

• Fonctions d’optimisations : parcours de la liste des antennes afin d’adapter au mieux le diagramme de l’antenne à la zone à couvrir, dans le même esprit adaptation de la puissance d’émission pour créer le moins d’interférences avec les cellules voisines…

Rq : cette dernière fonction qui est loin d’être généralisée sera un plus non négligeable, permettant une mise en place des paramètres très rapide.

Par contre la prise en compte de toutes les pertes d’équipements n’est plus trop importante.

Enfin certains éditeurs parlent de fonctions très intéressantes d’optimisation sur le principe du " What if… " :

Comment faire pour insérer une stations (lieu et plan de fréquence) dans un réseau existant sans créer de perturbations ?

Où placer au mieux mes sites et combien en placer pour écouler le trafic donné ?

• Besoins dans le cadre des réseaux cellulaire de type GPRS et UMTS

  GPRS

  La gestion du trafic devient ici un paramètre très important, qui sera indispensable en UMTS.

  Aucun éditeur de logiciel n’est encore très clair sur ce point ; pour pouvoir simuler la charge du réseau il faudrait faire varier le trafic lors de période définies.

  Un autre point important est la diversité des services : est ce que cette diversité sera intégrée de façon statistique dans la nature du trafic (alors qu’on a pas encore idée des proportions), ou est ce que l’on pourra faire varier ces services à son propre gré (ce qui donnerait dans ce cas une multitude de paramètres difficilement gérables).

  En fait on touche ici plutôt au dimensionnement, mais pour être vraiment intéressant l’outil de couverture devra aussi être un outil de dimensionnement.

  UMTS

  Plusieurs facteurs sont à prendre en compte pour l’UMTS :

• Gestion du CDMA et de ses implications :
• Charge susceptible d’être supportée
• Taille des cellules en fonction de la charge, de l’environnement et du trafic
• Gestion du contrôle de puissance indispensable au bon fonctionnement du système

  Rq : si le contrôle de puissance est surtout présent sur la liaison montante, il existe aussi sur la liaison descendante.

  • Gestion des interférences (complètement différente du GSM puisque chaque mobile est un perturbateur pour les autres..)
  • Calcul du " Pole Point " (cf annexe 1), nombre d’abonnés maximum par cellule pour une certaine gamme de services
  • Gestion de la macrodiversité : un mobile peut être " alimenté " par plusieurs BTS simultanément, cette gestion influent aussi sur les transfert intercellulaires de type soft-handovers. Dans le sens descendant la macrodiversité permettra des combinaisons cohérentes sous forme de trajets multiples exploitables en CDMA avec des récepteurs de type Rake ( accroissement de la sensibilité, résistance aux " fast fading ",..)

  L’UMTS et toutes ses implications sont encore difficiles à prévoir. Si la plupart des éditeurs sont en train de développer leur module, peu d’entre eux sont capables de donner des détails, et il y a fort à prévoir que les premiers modules seront assez légers et que l’évolution se fera au fur et à mesure de l’apparition des besoins chez les utilisateurs.

  Sommaire

   

  2. Synthèse du cahier des charges

Sommaire

III Evaluation technique

1. Introduction

Il s'agit donc dans un premier temps de comparer les logiciels au niveau technique. Le principal problème qui apparaît est la base de référence sur laquelle on pourra faire des tests. La meilleure solution aurait été de disposer des mêmes modèles numériques de terrain pour chaque logiciel. Loin d'être aussi simple, les éditeurs de logiciel quand ils disposent de MNT en commun n'acceptent pas de rajouter les lieux désirés dans leur version d'évaluation.

L'évaluation est donc réalisée non pas sur les résultats obtenus, mais plutôt les critères suivants :

• formats des données
• environnement
• technologies supportées pour les simulations
• qualité et quantité des éléments disponibles pour l'implantation
• facilité de mise en place et de configuration de ces éléments
• modèles de propagation utilisés
• gestion des interférences
• diversités des prédictions disponibles (couverture, zones brouillées,..)
• rapidité des simulations de prédiction
• gestion du trafic
• allocation de fréquence (automatique ou non, résolution des problèmes,..)
• gestion des transfert intercellulaires (hand over)
• gestion de l'UMTS
• autres options particulières propres au logiciel

Dans la suite on va donc comparer cinq logiciels qui ont été choisis pour leur polyvalence, leur disponibilité et leur renommée.

Chaque nouvelle notion sera un peu plus détaillée qu'à l'occurrence suivante, ce qui implique une description du premier logiciel qui sera plus longue que les autres sans que cela ait de signification sur la qualité ou la complexité de chaque logiciel testé…

Suite à cette présentation des logiciels, on s’intéressera aux offres des prestataires de services en donnant leur réponse au cahier des charges établit précédemment.

Enfin, certains éditeurs de logiciels ne distribuent pas les modèles numériques de terrain, il est donc intéressant de trouver les distributeurs de données cartographiques, afin de comparer leur prestation.

2. ATOLL (Forsk)

Atoll est un logiciel de dimensionnement et de planification des réseaux cellulaires qui peut être utilisé sur tout le cycle de vie des réseaux : du design à l'expansion et l'optimisation.

Le logiciel exploite différentes données en entrée :

• des données géographiques : modèle numérique 16 bits ISTAR (ist, tiff, bil, dis)
• un sursol : par le biais d'un fichier image 8 bits (ist, planet, tiff, bil)
• des données vectorielles représentant les infrastructures (dxf, planet)
• des données images issues de cartes civiles 2D : format raster (tiff, bil, ist, planet)
• des données de trafic : par le biais d'un fichier image 8 bits (bil, ist, tiff, bmp)

Quatre types différents de projets sont disponibles au démarrage : broadcast, WLL, GSM / DECT et PMR. On peut aussi créer son style de projet. Plusieurs projets peuvent être gérés simultanément.

L'écran d'Atoll est divisé en deux zones visibles simultanément, un espace de travail et une fenêtre d'explorateur. En plus de ces deux fenêtres ouvertes au démarrage, viennent s'ajouter en cours de session, les fenêtres "réception", "mesure",…

Différents éléments sont disponibles pour le déploiement d'un réseau. Les stations ou sites sont dans Atoll des équipements sur lesquels sont placés un ou plusieurs émetteurs équipés d'antennes aux caractéristiques particulières. Il est possible en affichant les propriétés d'une station de créer rapidement une station multi-sectorielle donc la création d'autres émetteurs sur le site.

Il est possible de créer des antennes et d'en paramétrer les caractéristiques pour chacune d'entre elles. Un grand nombre d'antennes est disponibles par défaut (plus de 300 antennes), avec le modèle et le constructeur. On remarquera quand même que nombre de ces antennes présentent des diagrammes très similaires, il faudra donc en créer d'autres pour une utilisation plus précise du logiciel. La création et le paramétrage est une opération longue, il a été prévu dans Atoll la possibilité de conserver dans un fichier que l'on ouvrirait à chaque nouveau déploiement, les caractéristique de toutes les antennes habituellement utilisées dans l'entreprise. Mise à part le diagramme, les données sont exploitables directement à partir d'un tableur.

L'orientation de chaque antennes est déterminée dans les propriétés de l'émetteur, mais elle peut aussi être ajustée directement sur la carte à l'aide de la souris.

Atoll offre aussi la possibilité de créer un modèle de site copiable et modifiable à volonté. (permet par exemple de créer un site tri-sectorielle de paramètres fixés et dont l'orientation sera défini lors de l'implantation)

Pour chaque site il est possible de visualiser la zone de visibilité (optique ou au sens du dégagement du premier ellipsoïde de Fresnel), ce qui est très appréciables pour voir rapidement les limites d'une cellule.

Les calculs de propagation sont effectués pour un ou plusieurs émetteurs sélectionnés par l'utilisateur, le pas du maillage utilisé est paramétrable ce qui permet de faire une première simulation grossière très rapide.

Les modèles de propagation suivants sont fournis en standard :

• UIT-R 526 utilisant le profil de terrain pour calculer la propagation
• Okumura Hata, avec et sans diffraction sur le terrain
• Cost Hata, avec et sans diffraction sur le terrain
• modèle WLL destiné aux applications de boucle locale radio prenant en compte le profil de terrain et la hauteur du sursol
• Vienna 93
• Longley-Rice destiné aux calculs de couverture dans la bande des 40MHz prenant en compte le profil de terrain
• Predict, modèle construit par Telemate, très efficace dans les application de type micro-cellulaire

Les modèles Okumura Hata et Cost Hata, modèles statistiques particulièrement adaptés aux mobiles, ils permettent d'avoir plusieurs formules de propagation applicables selon l'environnement géographique (petite ou moyenne vile, centre ville,…). Ces modèles sont liés aux fichiers d'occupation de sursol qui contiennent pour chaque classe la hauteur associée.

Les données prises en compte par le calcul sont les positions et caractéristiques radioélectriques des émetteurs, les données géographiques (MNT, sursol, climat).

Après les calculs de propagation, les informations sont disponibles pour chaque station, par désignation d'un point sur le plan : de façon dynamique, il est possible de voir la valeur du champs reçu de la part des trois émetteurs les plus puissants, les affaiblissement dus à la diffraction, et on peut aussi disposer d'une représentation graphique du profil de terrain entre un émetteur et un point que l'on déplace sur le plan. Ce dernier point est particulièrement intéressant pour avoir une première idée des zones en visibilité, des zones ou l'affaiblissement sera trop fort,…

Remarque : l'affichage de trajet direct n'est possible qu'à partir d'un émetteur.

Les zones de couverture sont définies pour un émetteur ou globalement pour un réseau comme l'ensemble des points qui répondent à un ou plusieurs critères définis par l'utilisateur. Ces zones sont représentées dans le logiciel Atoll comme des calques.

Les différents critères disponibles sont :

• Niveau de champ :

Etude de couverture par émetteur ce qui équivaut à une comparaison par rapport à un seuil pour le champ reçu de l'émetteur par le récepteur ; l'option best serveur permet de représenter la zone où le champs reçu de la station est meilleur que celui reçu de tout autre station.

Etude de couverture par niveau de champ qui réalise une comparaison par rapport à plusieurs seuils (8 par défaut mais on peut en définir plus) pour le champs reçu de l'émetteur par le récepteur.

• Recouvrement :

La zone représentée est celle où le champs reçu provient d'au moins deux émetteurs.

• Zones brouillées :

Il s'agit des zones d'interférences pour chaque station qui correspondent à une comparaison par rapport à un niveau de seuil de rapport signal à bruit spécifié par l'utilisateur. La zone de brouillage représentée correspond aux points où le rapport signal à bruit est inférieur au seuil spécifié.

Les critères de brouillage peuvent être combinés avec les critères de couverture (best server)

La possibilité de ne calculer que ce qui a changer depuis la dernière simulation permet d'améliorer sensiblement la vitesse de traitement lors des simulations. De plus il est possible de verrouiller certaines simulations et comme le modèle de propagation peut être défini séparément sur chaque émetteur, on pourra par exemple dans un même projet affiché des couvertures avec différents modèles de propagation adaptés aux différentes zones considérées.

L'allocation de fréquence est automatique pour le GSM, une option permet de calculer le nombre de canaux requis, en chaque émetteurs, pour couvrir le trafic désiré.

Lors des tests on a simulé l'implantation d'un réseau GSM avec 12 stations ainsi que 5 liaisons faisceaux hertziens autour de Nice.

Le calcul de couverture est relativement rapide puisque pour un pas de maille minimum de 20 mètres, la simulation (propagation + couverture + interférences) a été réalisée dans une durée variant entre 5 et 10 minutes suivant le modèle choisit.

L'allocation de fréquence pour les stations GSM a été réalisée en 35 minutes, ce qui est aussi rapide. Elle débouche sur de nombreux problèmes notamment de dimensionnement (du au fait que je n'ai pas mis suffisamment d'émetteurs pour assurer les besoins en trafic) et d'interférences. En sélectionnant les émetteurs posant problèmes on peut voir quel émetteur brouille, sur quel canal,…

Suite aux différentes prédictions il est possible d'exporter des rapports exploitables dans un tableurs donnant plusieurs informations paramétrables suivant la prédiction.

Pour les faisceaux hertziens, on peut afficher de façon dynamique en fonction d'un point sélectionné sur la carte de voir le niveau d'interférence en fonction des trois émetteurs les plus puissants.

Toujours pour les faisceaux hertziens, lorsqu'on affiche les paramètres de la liaison, on obtient une fenêtre où il est possible de modifié dynamique les hauteurs des émetteurs / récepteurs afin de trouver la valeur optimale pour dégager l'ellipsoïde de Fresnel à x%.

Il n'y a pas de gestion des handovers dans la version testée.

L'UMTS n'est pas encore géré mais il est en cours de développement, une version devrait être disponible fin juin.

Sommaire

3. ICS Telecom (ATDI)

ICS Telecom est un outil de planification et de dimensionnement des réseaux cellulaires.

Les différentes données en entrée sont :

ICS Telecom utilise un format propriétaire différent des données que l’on pourrait trouver sur les sites usuels de données cartographiques mais dispose de convertisseurs de la plupart des données disponibles.

• des données géographiques : modèle numérique de terrain
• un sursol : correspondant aux clutters
• des données images issues de cartes civiles 2D

Les données relatives au trafic sont contenues dans les paramètres relatifs aux clutters sous forme de besoin en Erlangs pour chaque type de clutter. Cette particularité peut être considérée comme un défaut : si on considère un immeuble d’habitation de 30 étages et un centre d’affaire du même nombre d’étages le clutter utilisé sera de l’urbain 30m bien que les besoins sont très différents. On pourrait toujours utiliser un autre clutter que l’on définirait mais le nombre de clutter utilisé…

L’écran est constitué d’un espace de travail qui prends la plupart de l’écran, d’une série de menus en haut de la fenêtre et d’un scertain nombre de commandes sur la gauche.

Les différentes menus comprennent entre autre :

• File : gestion des projets, import, export de données
• Map : affichage de cartes en 2D et 3D, affichage d’un profil à partir de n’importe quel point en dynamique vers un autre point (hauteur + amplitude du champs)
• Direct : calculs de profils en détail
• Coverage : simulations diverses (couverture par niveau, best server, interférences globales ou entre 2 stations,..), assignation de fréquences (à partir d’une liste ou d’une bande)
• Microwave : fonctions liées à l’utilisation des faisceaux hertziens
• Subscribers : gestion des abonnés
• Mobile : calculs de puissances, handovers sur un chemin
• Measure : fonctions d’import de données relevées sur le terrain , étallonnage des résultats
• Tools : paramétrage des modèles, clutters, outils de conversion de puissance et de cartographie.

Parmi les différentes commandes, on a :

• La définition du seuil de réception (indoor, incar,..)
• La distance de calcul
• La liste des stations et des liens FH.

Les différentes applications possibles sont :

• Réeau radio privé : PMR, Tetra
• Système de radio maritimes : couverture DF, VHF
• Réseaux cellulaires : analogiques et numériques
• Faisceaux hertziens (de 64Kbps/s à 155Mbps/s, de 1 à 55GHz)
• Boucle locale radio, CT2, DECT
• Broadcast : FM, DAB
• Bases terrestres pour liens satellites

La fenêtre de paramétrage des modèles de propagation est très complète, elle comprend :

• La sélection du modèle de propagation : Fresnel, Okumura (rural, suburbain, urbain), Wojnar, Vienna93, ITU-R 370-7 / 525 / 526
• La saisie de paramètres de correction des modèles sous la forme : A*modèle + B (A et B en dB)
• L’influence de la zone troposphérique en fonction des conditions météo
• Les diffractions : Bullington, Deygout, ITU 526, visibilité
• Les réflexions lambertiennes et les réflexion sur le sursol
• Le paramétrage du climat, des hydrométéores

Chaque stations contient de nombreux paramètres : location, hauteur, puissance, gains et pertes d’antennes, fréquences, canaux, données administratives…

Les antennes, câbles et feeders sont référencés dans des listes qui ne sont pas vraiment des bases de données mais qui sont accessibles par la commande base -> station (ou antenna,..).

Les antennes peuvent être saisies à partir d’une fenêtre ; il n’y a pas moyen de faire un copier-coller à partir d’un tableau de style Excel (format le plus souvent disponible) mais une option intéressante est l’interpolation : on peut rentrer des valeurs (en linéaire ou en dB) pour 0,15,60,110,120,180° puis faire une interpolation pour les angles non renseignés puis une symétrie. La saisie des diagrammes se fait avec une précision de 5° en polaire et 1° en contrapolaire. Dans la version de base de ICS Telecom, 1115 antennes Andrew sont disponibles, correspondant à la plupart des utilisations.

Différents types de simulations sont disponibles, on notera par exemple la couverture par niveaux de champs et la couverture Best Server Display. Le changement de puissance d’une station entraîne un changement automatique de la couverture (hausse ou baisse d’un certain nombre de dB), par contre un changement dans la position ou la direction de l’antenne nécessitera le re-calcul de la couverture. Si l’on ne veut pas tous re-calculer il faudra, à la main désactiver les sites qui ne nous intéresse pas ce qui peut être peu pratique pour un gros réseau (il n’existe pas de filtres qui permettrait une sélection partielle).

Lors des simulations on a réalisé la couverture d’une zone urbaine dense avec 9 BTS. Le calcul de couverture s’est réalisé en 5 minutes en considérant un modèle déterministe avec diffractions et réflexions sur le sol, ce qui est relativement rapide pour un résultat très fiable. L’assignation de fréquence s’et déroulée en 100 minutes, ce qui est plus long que pour d’autres logiciels mais pour un résultat très satisfaisant correspondant au critère demandé : moins de 1% de zones brouillées.

Le nombre de canaux et d’IT nécessaires pour écouler le trafic peut être calculé en fonction du GOS (Grade Of Service) désiré.

De nombreuses fonctions donnent en résultats un rapport au format texte dont le nom est toujours jtemp.txt ce qui a conduit plusieurs fois à écraser ce fichier lors d’une nouvelle simulation. D’autre part ce fichier étant de type texte, il n’est utilisable qu’après conversion au format tableau.

Le calcul d’interférences donne un rapport clair qui montre sur les sites ayant un problème et qui met en évidence les canaux brouillés ainsi que les perturbateurs (site + canal). Cette gestion claire permet une résolution simple et efficace des problèmes d’interférences tant au niveau des réseaux cellulaires qu’au niveau des liaisons point à point.

Sur l’espace de travail, l’affichage des stations BTS, FH ou relais est complétée par le diagramme utilisé ainsi que la direction de l’antenne. Ces données sont fixes et ne peuvent pas être modifiées directement. Les menus déroulants permettent d’accéder aux paramètres de ces sites, de tracer un profil vers un point quelconque ou vers une station précise, d’avoir une vue 3D, d’activer ou d’isoler une sites…

Ces deux dernières fonctions sont nécessaires si l’on veut utiliser différents modèles de propagation. En effet il n’est pas possible d’assigner un modèle par site, le modèle s’applique à toutes les stations actives. Pour des réseaux comportant un grand nombre de stations cela peut être assez gênant car long.

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SYRADIF (Syradel)

ASSET (Aircom pas l’intermédiaire de Net2S)

ELLIPSE (CRIL Technologie)

Prestataire Net2S

Sommaire

8. Données cartographiques – USGS

La société U.S. Geological Survey distribue des modèles numériques de terrain pour des résolutions diverses.

Plusieurs couches sont disponibles : altimétrie, sursol, cartes civiles, hydrographie,..

A partir des bases de données disponibles en libre accès sur le site de l’USGS, de nombreuses cartes sont disponibles. La résolution varie entre 30’’ d’arc (~1.1km) et 7,5’ d’arc (15,6km). Ces résolutions ne sont pas très intéressantes car trop peu fines dans le cadre d’application de télécommunication.

Le principal inconvénient de ces données est la limitation de la surface du globe couverte : seuls les Etats Unis, et l’Amérique centrale sont couverts.

9. Données cartographiques – SPOT Image
10. Données cartographiques – ISTAR
11. Données cartographiques – IGN

Sommaire

IV Evaluation financière

1. Introduction
2. ATOLL (Forsk)
3. ICS Telecom (ATDI)
4. SYRADIF (Syradel)
5. ASSET (Aircom par l’intermédiaire de Net2S)
6. ELLIPSE (CRIL Technologie)
7. Prestataire Net2S
8. Données cartographiques – USGS
9. Données cartographiques – SPOT Image
10. Données cartographiques – ISTAR
11. Données cartographiques – IGN

Sommaire

V Comparatif

Tableaux Excel

Conclusion

Sommaire

 Résumé des différentes techniques de radiocommunication

Le document ci-dessous a été rédigé à mon arrivée à la Sagem, à la demande de mon tuteur. Celui-ci souhaitait disposer pour lui-même ainsi que pour les autres ingénieurs de la section ingénierie, d’un aperçu rapide des différentes techniques de communications avec les mobiles, et particulièrement sur les dernières technologies : GPRS, EDGE et l’UMTS. Ce résumé a été conçu en s’appuyant sur les cours qui avait été dispensés durant l’année scolaire ainsi que sur de nombreux renseignements collectés sur Internet.

Introduction

Ce document rappelle de façon très résumée les différentes techniques de téléphonie cellulaire en Europe en partant du système de deuxième génération GSM, et allant jusqu'au système de troisième génération l'UMTS.

Après l'explication de ces différentes techniques on rappellera les principales caractéristiques dans un récapitulatif.

GSM

Le GSM est le standard pour les communications numériques le plus répandu. Système de deuxième génération, il offre aux utilisateurs la téléphonie vocale, le fax et la transmission (modérée) de données. Il s'agit d'un système cellulaire fondé sur l'accès multiple réparti en temps (TDMA).

La commutation est réalisé en mode circuit, on a donc pour chaque abonné utilisant le réseau un canal dédié. Le débit maximum est de 9.6kbps.

Deux bandes de fréquence sont utilisées en Europe:

• • GSM 900 UL : 890-915MHz DL : 935-960MHz soit 124 porteuses espacée de 200kHz sur 2 x 35MHz.
  • DCS 1800 UL : 1710-1785MHz DL : 1805-1880MHz soit 374 porteuses espacées de 200kHz sur 2 x 75MHz.

Pour chaque porteuse on a 8 intervalles de temps qui correspondent à 8 communications possibles.

La modulation utilisée est la GMSK (Gaussian Modulation Shift Keying), on a un symbole pour un bit.

Le transfert automatique intercellulaire effectué par le biais du mobile qui choisit la BTS de puissance la plus élevée est de type hard handover : par remontée des infos sur les puissance reçues et en fonction de la disponibilité, la BSC coupe le lien radio avec la BTS courante et établit la connexion avec la BTS choisie. On a donc coupure du lien radio pendant un bref laps de temps.

On utilise une diversité de fréquence en utilisant des sauts de fréquences lents. La gestion est effectuée au niveau de la BSC.

Les services de données disponibles sont :

• • transparent : délai constant et taux d'erreurs variable en fonction de la propagation,
  • non transparent : taux d'erreurs constant et délai variable en fonction de la propagation.

   

Sommaire

GSM 14.4kbps

Il s'agit d'une évolution mineure de la norme GSM qui permet un débit plus important par Time Slot. Premier pas vers des débits plus élevés : 14.4kbps, il est disponible techniquement depuis 1998 mais le gain de débit négligeable (amélioration peu perceptible par l'utilisateur) fait que cette technique est actuellement peu répandue.

Fonctionnement :

Dans la technique 14.4kbps on a donc un poinçonnage plus important, il y a alors moins de bits corrigeables et la qualité du lien radio doit être meilleure sinon la zone de couverture est réduite.

La technique ne semble intéressante que pour les opérateurs qui veulent proposer le HSCSD.

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HSCSD

La technique HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) permet l'utilisation simultanée de plusieurs Time Slot dans la limite de quatre.

On atteint ainsi un débit maximum de 57.6kbps (4 x 14.4)

Cette technique est disponible depuis la fin du premier semestre 1999 mais elle est peu répandu chez les opérateurs car il y a trop peu de temps entre le HSCSD et GPRS

GPRS

Il s'agit du passage à la génération " 2,5 " de téléphonie cellulaire mais c'est aussi la véritable évolution. Le GPRS (General Packet Radio System) fonctionne à la fois en mode circuit et en mode paquet.

La connexion orientée paquet permet une optimisation des ressources en créant des connexions 'virtuelles' permanentes, ce qui permet à plusieurs utilisateurs de partager le même canal. On élimine ainsi un important inconvénient du GSM qui bloque une ressource même si l'utilisateur n'envoie aucune donnée. Le médium n'est utilisé que pour la durée de temps où les données sont reçues ou envoyées.

Le GPRS est implanté sur le réseau GSM existant en utilisant les mêmes fréquences, les mêmes trames, seule l'architecture radio est modifiée sensiblement (cf. plus loin)

Quatre débits sont accessibles par Time Slot : CS-1 9.05kpbs, CS-2 13.4kbps, CS-3 15.6kbps, CS-4 21.4kbps. Les quatre débits se différencient par des niveaux de protection différents. On a donc un compromis entre débit et intégrité (pour CS-4 on a aucun codage convolutionnel pour protéger l'information).

La QoS est négociée appel par appel.

GPRS permet aussi l'utilisation simultanée de tout ou partie des Time Slot, on aboutit ainsi à un débit maximum théorique de 171kbps. En pratique on s'attend plutôt à une utilisation de 4 TS sur la voie descendante (56kbps) et 1 TS sur la voie montante (14.4kbps).

L'allocation de ressources peut être dissociée dans les deux sens car les débits sur les voies UL et DL seront, dans la pratique, différents.

La mise en parallèle des réseaux circuits et paquets implique deux principales modifications qui apparaissent après les BSC :

• le SGSN gère la mobilité, l'authentification, la compression et le cryptage
• le GGSN sert de passerelle avec les réseaux externes X.25 ou IP, il gère aussi la taxation.

Fonctionnement :

On utilise les Time Slots libres (non utilisés pour des communications) pour y faire transiter des données. Par exemple si le réseau a un taux de congestion de 2%, on aura au moins un TS libre pour des données 98% du temps.

On a donc une gestion dynamique des TS afin d'utiliser en forte demande la totalité des TS de la cellule.

L'impact sur l'architecture réseau :

• le HLR gère l'abonnement GPRS, interface avec le SGSN (mobilité) et le GGSN (transaction entrante)
• la BSC comporte une unité PCU (Packet Data Unit) et interface avec le SGSN
• la BTS prend en compte des PDCH (Packet Data Channel) (pour GSM : Trafic Channel)
• le MSC interface avec le SGSN pour gérer la mobilité combinée (circuit / paquet)

Le GPRS sera disponible à partir du deuxième semestre 2000, et va être mis en place par la plupart des opérateurs car l'implémentation est rapide et flexible, le coût d'investissement faible.

Le développement du GPRS est très lié au développement des applications WAP qui constitueront l'interface avec le Web.

Le GPRS va aussi permettre aussi au niveau professionnel l'accès à des réseaux privés intranets. Cela peut être réalisé grâce à une technologie qui allie confidentialité et authentification : les VPN (Virtual Private Network) qui permettent de créer une sorte de tunnel à travers les réseaux radios et IP. Un utilisateur pourra donc accéder à la totalité de ses informations à partir de son mobile sans avoir à passer par un ISP. En utilisant le lien radio essentiellement pour faire transiter des informations, ces utilisateurs utiliseront une quantité importante de ressources.

GPRS Phase 1

Dans cette première phase qui devrait être en place à la fin de l’été 2000, chaque utilisateur pourra utiliser 3 TS en DownLink et 1 en UpLink sauf pour quelques applications ou le maximum sera à 6 TS sur l’une ou l’autre des voies. Il n’y aura pas non plus de canal dédié au GPRS

Entre données circuits et données paquets on introduit la notion de territoire qui correspond à une suite de TS consécutifs :

En raison des changements de territoire, on va avoir une augmentation du nombre de handovers intracellulaires, ce qui va induire une augmentation de la signalisation.

La frontière entre ces deux territoire est dynamique en fonction de la charge de trafic et en considérant que les données circuits (dont la parole) sont prioritaires.

Modèles de simulation - trafic

Les simulations discrètes sont les seuls moyens pratiques d’observer les performances du GPRS ainsi que les comportements du réseau. En effet les blocages des données (en mode paquet) ont des effets sur les délais qui sont très difficile à estimer.

Le trafic GPRS ne suit pas une loi de Poisson (comme en GSM) mais est par nature une série de burst.

La taille des paquets n’est pas fixe, elle peut varier entre 256 et 512 bytes et peut être même moins pour des protocoles particulier comme le WAP. La distribution de la longueur de ces paquets étant loin d’être gaussienne (l’occurrence de paquets très grands est non négligeable), les mesures de trafic auront de grandes variations.

Rq : les variations de trafic étant grandes, il n’est pas possibles en mode paquet de garantir un débit minimum à l’utilisateur final.

Les sources de délais sont :

•  
• retransmission des trames lors de la détection d’erreurs
•  
• délais liés à l’implémentation des matériels (interne)
•  
• partage dynamique des canaux.

Gestion des handovers :

Il est difficile de parler de handover au sens du GSM, on parlera plutôt de resélection de cellule. Il existe 3 états : GMM_IDLE, GMM_STANDBY et GMM_READY.

Lors d’un état GMM_READY (le mobile n’a rien à transmettre), le mobile peut faire une mise à jour de cellule.

Les aires de location étant appelées des ‘Routing Area’, le mobile réalisera des ‘Routing Area Update’.

Signalisation :

Elle est identique au GSM, mais les paquets étant plus court que pour la parole comme on l’a vu précédemment, il y aura plus de tentative pour générer un Erlang (entre 15 et 30 fois plus) donc plus de signalisation :

30 Erl de trafic de type parole è 5% RACCH

1 Erl de trafic de type paquet è 5% RACCH

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EDGE

L'un des buts de EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), est de permettre des hauts débits sans avoir besoin d'une licence 3G dont on sait qu'elle seront limitées. Cette technique intéresse donc particulièrement les nouveaux entrants sur le marché.

Il s'agit d'une nouvelle modulation la PSK (Phase Shift Keying) :

On a 8 états, la vitesse de modulation est la même que pour la GMSK mais permet un débit instantané trois fois plus élevé, chaque état de modulation transmettant l'information relative à trois bits. Etant donné que l'on a plus d'états on est aussi plus sensible au bruit ce qui est l'inconvénient de ce type de modulation.

Ajouté à cette modulation, EDGE réalise une rotation de phase de d'un symbole à l'autre, on a donc 'virtuellement' 16 états accessibles.

La forme des burst ne change pas :

tail données apprentissage données tail

La séquence d'apprentissage est très importante car elle contient des déphasages différents pour EDGE et pour le GSM, et en analysant cette séquence le récepteur peut déterminer quelle modulation a été utilisée et les deux systèmes peuvent cohabiter.

Cette modulation permet donc de faire évoluer le GPRS vers le EGPRS.

• EGPRS phase 1

On utilise 6 débits de PCS-1 à PCS-6 variant de 22.8kbps à 69.2 kbps par TS. Le débit maximum instantané est donc de 553kbps.

La modulation 8-PSK n'est utilisée que pour les PDTCH (Packet Data Trafic Channel).

Architecture du réseau :

Suivant les conditions radios, on protège plus ou moins l'information en choisissant parmi 9 schémas de modulations et de codages (5 pour la 8-PSK et 4 pour la GMSK) qui sont découpés en trois familles. C'est à l'intérieur de ces familles que l'on pourra avoir un changement dynamique du schéma en fonction de l'évolution de la qualité du lien radio.

• EGPRS 136

Réutilisation des fréquence de 1/3 et allocation des CCH (Control Channel) de façon à éviter émission et réception en même temps dans des cellules adjacentes. Cela nécessite donc une synchronisation entre BTS et cela implique la création de groupes de temps (4 groupes).

On a alors une réutilisation effective de 4/12 :

• EGPRS phase 2

La tendance est ici de migrer de plus en plus vers des connexions paquets y compris pour la téléphonie. On arrive alors à des applications de voix sur IP, et de transport point à point de données multimédia sur IP.

La deuxième phase de GPRS supportera tous les services temps réel, elle est aussi appelée RT-EGPRS (Real Time EGPRS).

Cette étape est très proche de l'UMTS, on a la même gestion dynamique de la qualité de service et la possibilité d'utiliser plusieurs services en parallèle (ex: voix + consultation Web).

Les évolution du EGPRS porteront surtout sur l'utilisation de différentes profondeurs d'entrelacement, et de nouveaux codages dont les turbo-codes.

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W-CDMA

Le W-CDMA ou Wide-CDMA est une l'application large bande de la technique d'accès multiple par répartition de codes (les utilisateurs se différencient par leur code d'étalement). Il est fortement pressenti comme technique d'accès multiple pour les systèmes de troisième génération.

L’équation fondamentale du CDMA est :

On en déduit que les interférences dépendent de la puissance de chacun des émetteurs présents et que la puissance à transmettre pour être " entendu ", dépend des interférences.

Ses principaux avantages sont :

• réutilisation des mêmes fréquences dans toutes les cellules ; la réutilisation des mêmes codes est possible la différenciation se faisant par les séquences de " scrambling " ajoutées à la trame,
• étalement du signal en large bande brouillage et interception difficile,
• grand nombre de codes d'étalement (Gold, Kasami,..) possibilité de gérer un grand nombre d'abonnés, (8 à 10 fois plus que pour TDMA / FDMA)
• possibilité d'exploiter les trajets multiples en utilisant des récepteurs de type Rake,
• meilleure qualité sonore.

Ses principaux inconvénients :

• chaque utilisateur constitue un brouilleur potentiel,
• quand la charge du réseau augmente, le niveau d'interférences augmente, c'est le facteur limitant du réseau,
• contrôle de puissance obligatoire afin de pouvoir recevoir un mobile éloigné de la BTS lors qu'un mobile proche émet.

On peut définir un nombre maximum d'utilisateurs pour un rapport signal à bruit donné : le 'pole point'. Cette valeur dépend entre autre de la largeur de bande disponible et des interférences intra et inter-cellulaires.

On a aussi un changement important au niveau des interférences : dans un système standard, le signal désiré doit être au moins 18dB au dessus de tous bruits ou interférences, l'effet de cette observation est que l'on ne peut pas partager les mêmes portions du spectre dans des cellules adjacentes. Dans un système CDMA, les signaux peuvent être reçu malgré un haut niveau d'interférences. Dans les pires conditions, le signal peut être reçu avec la présence d'interférences 18dB au dessus du signal. Ainsi les mêmes fréquences peuvent être réutilisées dans des cellules adjacentes.

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UMTS

Système de troisième génération l'UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) devait théoriquement permettre différentes évolutions :

• accès à l'Internet de façon fluide
• gestion flexible des données multimédias
• gestion flexible des différentes qualités de service
• connexions paquets à moindre coût pour un service 'best-effort'
• harmonisation des réseaux terrestres et satellitaires
• accès à des intranets (VPNs)

Actuellement, le système est en cours de normalisation, des problèmes apparaissent sur les bandes de fréquences disponibles, notamment aux USA. Le mode d'accès multiple choisit sera basé sur le W-CDMA même si certains organismes ont pensé à une évolution du TDMA.

Le principal inconvénient est l'importance des changements qu'il faudra apporter au réseau actuel. L'UMTS sera vraisemblablement déployé par plaques au dessus du réseau GSM pour des zones de forte demande. Il y aura alors des difficultés de roaming au moment de sortir de ces plaques.

L'UMTS devrait fournir des débits atteignant 2Mbps en indoor avec un débit chip de 3.84Mcps et des débits supérieurs entre 500kpbs et 1Mbps en outdoor.

Trafic et qualité de service

La planification radio UMTS est dans un environnement multi-service avec des distributions de trafic non homogène. En fait la statistique spatiale du trafic cellulaire peut être représenté par une distribution LogNormale :

Système de deuxième génération : blocs de 200kHz

~40-150 canaux par opérateur disponibles

è si le trafic augmente, on ajoute des TRX

Système de troisième génération : blocs de 5MHz

~2-5 canaux par opérateur disponibles

è si le trafic augmente, on a besoin de nouveaux sites

Différents services et débits sont disponibles, on considerera que les besoins de base sont :

Pour la parole : BER = 10^-3

8kbps

Pour les données en mode circuit : BER = 10^-6 pour les Long Contraint Data (LCD)

64kbpss, 144kbps, 384kbps, 2048kbps

Pour les données en mode paquet : Uncontrained Delai Data (UDD)

Protection de type ARQ^(*) è pas de BER

64kbpss, 144kbps, 384kbps, 2048kbps

^(*) Si la donnée arrive avec une erreur on demande qu’elle soit renvoyée de nouveau

Si on rajoute à cela l’environnement, on peut déduire que la taille des cellules dépendra du service, du débit et de l’environnement :

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Le spectre

La bande alloué de fréquences va dans un premier temps aboutir à une attribution de 155MHz (terrestre) et 60MHz (satellites) en 2005 puis un rajout de 185MHz (terrestre) et 30MHz (satellite) en 2010.

Recommandation Européenne pour l'attribution du spectre :

terrestre satellite terrestre terrestre satellite

1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2200

TDD/FDD

Le FDD et le TDD sont les deux modes complémentaires de l'UMTS.

Le mode FDD prend en compte les trafics asymétriques en allouant un nombre de canaux différents pour les sens montant et descendant. Cette configuration est optimisée pour des rapports d'asymétrie de l'ordre de 1.5 (rapport entre le nombre de fréquences dans les sens descendant et montant), une des directions est sous-utilisée lorsque cette condition n'est pas remplie, ce qui se traduit par une baisse de l'efficacité spectrale. Cette approche peut libérer un certain nombre de canaux de 5MHz, notamment dans la bande allouée au trafic montant pour le cas le plus largement envisagé de trafic dominant dans le sens descendant. Des canaux TDD peuvent dans ce cas y être placés afin d'améliorer l'efficacité spectrale.

Le mode TDD supporte l'asymétrie au niveau de chaque canal en allouant un nombre d'intervalles de temps proportionnel à la quantité de trafic dans les sens montant et descendant. Le mode TDD permet une optimisation de l'efficacité spectrale en présence de trafic asymétrique, notamment aux rapports d'asymétrie pour lesquels une partie des fréquences FDD peut être libérée dans le sens montant.

Il y a plusieurs scénarios pour l'utilisation du spectre non appairé :

•  
• augmenter la capacité des systèmes FDD sur des zones à forte demande : les opérateurs vont commencer par utiliser FDD pour le déploiement initial des systèmes de troisième génération. Au fur et à mesure de l'augmentation du trafic, les opérateurs vont peut avoir des problèmes de capacité en certains points (aéroports, centres d'affaires,..). Le TDD apportera un surplus de capacité, de la même façon que le DCS1800 a été introduit pour le GSM.
•  
• un opérateur public pourra donner des licences à un opérateur privé pour l'utilisation d'une partie du spectre sur des zones géographiques limitées. Avec des terminaux bi-modes FDD/TDD, l'opérateur public pourra couvrir le réseau professionnel et étendre les services au réseau public pour les utilisateurs dans ces environnements.
•  
• communication terminal à terminal : puisque les terminaux doivent être capable de transmettre et de recevoir dans les mêmes bandes, une communication entre mobile pourrait permettre de nouvelles possibilités, par exemple la création de micro réseaux entre abonnés, ou l'élimination des évanouissements la communication d'un mobile pouvant être relayée par plusieurs autres mobiles jusqu'à la base par le biais d'un de ces réseaux.

Rq : le TDD implique un accès multiple mixte (trame GSM + étalement), on doit alors savoir qui transmet et quand, sous réserve d'avoir de gros problèmes d'interférences synchronisation inter BTS (pas nécessaire en FDD)

En conclusion sur ces deux modes :

• Le FDD est plus adapté aux grandes cellules, sachant que les rayons escomptables à faible débit peuvent être estimés de 50% supérieurs à ceux accessibles en TDD. Cet écart s'estompe toutefois avec la croissance du débit.
• Le TDD est plus adapté aux petites cellules à tous débits, tout en sachant qu'il pourrait permettre un coût opérationnel moindre que le FDD sur les cellules de taille moyenne (quelques centaines de mètres) rencontrées en Ville.
• Le support efficace des trafics asymétriques est susceptible de profiter d'un partage de certaines bandes de fréquence entre le FDD et le TDD.
• La préparation du handover vers le GSM est offerte par les deux modes, de manière plus naturelle et efficace toutefois avec le TDD.

Affectation des cellules en fontion du mode choisit

Cellule macro FDD : couverture vaste

mobiles à grande mobilité

Cellules micro FDD : utilisé au niveau piéton

outdoor

donne un surplus de capacité

Cellules pico TDD/FDD : déployé principalement en indoor

permet des services à débits importants

la portée est le facteur limitant

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Affectation du spectre par opérateur

A l'ouverture du service chaque opérateur devra avoir un minimum de 2 x 20MHz en FDD attribué (2 x 15 au minimum). Ces bandes permettront le déploiement d’une structure cellulaire hiérarchique complète où la demande en trafic est importante. Une bande de 10MHz (5 au minimum) en TDD permettra d’augmenter la capacité pour des applications de faible mobilité, typiquement en indoor.

Au niveau mondial, les bandes utilisées devraient être sensiblement les mêmes afin de réaliser un réseau mondial cohérent. Le principal problème vient des 2tats Unis ou le spectre est déjà occupé par le réseau PCS 1900. Les Américains sont en train de réfléchir comment libérer de la place :

Qualités de services - modulations

L'UMTS gérera différentes qualités de services en parallèle et de façon dynamique, en utilisant un facteur d'étalement variable (entre 4 et 256). Les services à débits variables seront de type RT (Real Time Transparent) ou NRT (Non Real Time Transparent).

La signalisation devrait évoluer vers un système basé sur le protocole IP.

La modulation utilisé est de type QPSK, l'espacement entre porteuse de 5MHz en restant multiple de 200kHz pour pouvoir rester compatible avec le GSM. Les trames devrait comporter 15 slots et durer 10ms.

Autres changements

Un autre changement important est la gestion des handovers qui sera de type soft handover, le mobile déclenchant le transfert de connexion en deux étapes : connexion à une BTS de puissance plus élevée, puis une fois que la connexion est bien établie, séparation avec la BTS précédente.

Le fait que plusieurs BTS puissent gérer un même mobile va être utilisé pour utiliser une technique de macro diversité, on obtient ainsi un gain en stabilité :

• liaison DL : combinaison cohérente identique aux trajets multiples et stabilité par rapport aux 'fast fading',
• liaison UL : réception sur plusieurs bases.

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Stratégie de migration vers l’UMTS

Migration 1G/2G

Le GSM est un système de deuxième génération, ce qui implique que la téléphoie mobile a déjà connu une migration : celle qui a mené le système 1G (Radiocom 2000) vers son successeur.

Radiocom 2000 n'était pas un système orienté vers le marché de masse. Le prix des mobiles, celui des communications et sa capacité de fait limité par le spectre en faisait un produit limité aux utilisations professionnelles (et plus encore aux sphères dirigeantes des entreprises). Néanmoins, sa couverture quasi globale du territoire (et non de la population) en faisait le système mobile par excellence.

Les systèmes de première génération ne connaissaient pas encore la déréglementation des télécommunications et évoluaient donc dans un environnement économique protégé.

Enfin, le grand marché du GSM comme celui de Radiocom était la voix ... Bien évidemment, le GSM a apporté le handover ainsi que la compacité et la légèreté des terminaux, mais les concepts d'infocom (avec l'accès au monde IP) et de convergence étaient encore bien lointains au début des années quatre-vingt dix.

L'introduction de la 2G sur la 1G s'est déroulée sans migration effective que ce soit pour les utilisateurs finaux (pas de terminaux bi-mode) ou pour les opérateurs (pas d'équipement bi-standard).

La 2G avant la migration

Le GSM est maintenant un marché de masse qui connaît une concurrence rude avec souvent plus de deux opérateurs mobiles par pays, et des clients difficiles à fidéliser. Pour cela les investissements sont importants dans tous les domaines, infrastructure, services, marketing... Ceci conduit à des politiques de différenciation d'offre et de segmentation de marché selon le choix de l'opérateur dictées par sa stratégie, son histoire... et ses capacités financières à déployer un réseau mobile.

Migration vers la 3G

Nul doute que le scénario 1G/2G ne pourra se reproduire. Il reste donc à étudier les différents problèmes liés à l'introduction d'un système mobile dans un marché mature mais encore en évolution et en forte expansion.

A défaut d'avoir une vue précise du monde des opérateurs mobiles lors de l'introduction de l'UMTS, nous avons aujourd'hui l'avis de certains opérateurs 2G.

Les principales requêtes des opérateurs existant sont:

- Préserver l'investissement fait en 2G

- Assurer une compatibilité ascendante

- Pouvoir différencier son offre

L'introduction de l'UMTS s'effectuera sur un marché mobile en expansion qui nécessitera certainement des investissement parallèles dans des infrastructures 2G pour en augmenter la capacité. Compte tenu des délais d'amortissement, il est évident que l’introduction de l'UMTS ne peut ignorer ce fait, et doit donc s'effectuer "sans occulter" la 2G.

La compatibilité ascendante est aussi liée à ce facteur. Elle permet de répondre à l'augmentation de trafic qu'il provienne de système 3G ou 2G. Bien évidemment, des contraintes technologiques empêchent cette compatibilité pour certains équipements, en particulier pour le système d'accès radio.

Les contraintes des opérateurs 2G en terme de sauvegarde d'investissement et de compatibilité ascendante et celles des utilisateurs en terme de couverture sont heureusement convergentes: en continuant d'assurer une couverture nationale par la 2G et donc d'utiliser et d'amortir leurs infrastructures, les opérateurs offrent un service non dégradé et plus riche. De plus, ils se "défendent" face à d'éventuels nouveaux venus UMTS (donc à couverture radio restreinte) en profitant de leurs acquis.

Principaux scénarios de déploiement

On peut maintenant classer les scénarios de déploiements en trois grandes catégories:

- Evolution de 2G en 3G

- Start-up 3G

- Evolution de fixe en 3G

• Evolution de 2G en 3G

C'est le scénario "naturel" à condition que l'opérateur 2G réussisse à obtenir une licence UMTS ...

Il est clair que la différence technologique entre l'accès GSM et l'accès UMTS (due principalement à l'introduction du CDMA et de l'ATM) conduit à une différence significative des équipements d'accès radio. Les sites de station de base pourront certes être réutilisées dans la mesure de l'espace disponible. Des antennes bi- modes GSM/UMTS pourraient certainement être déployées, mais les deux systèmes resteront bien distincts.

En revanche, les parties GSM NSS et UMTS CN (Core Network) pourront offrir une certaine compatibilité avec la possibilité d'intégrer des éléments 2G et 3G dans le même réseau et de partager certaines fonctions. Cela permettra par exemple de faciliter l'intégration du réseau complet de l'opérateur et de baisser les coûts d'exploitation.

• Start-up 3G

C'est le cas d'un opérateur "seulement UMTS" ou de celui d'un opérateur "mixte" souhaitant complètement séparer les deux entités GSM et UMTS.

L'interconnexion entre les deux systèmes ne se fera que par "roaming".

• Evolution de fixe en 3G

Un opérateur fixe obtenant une licence UMTS peut essayer de profiter de son marché "domestique" en déployant son service mobile avec pour cible la convergence fixe/mobile par le biais de Home Base Station par exemple. Il peut aussi attaquer le marché de la couverture professionnelle (multi-sites industriels ... ).

Ce scénario est d'autant plus valide que des accords avec des opérateurs nationaux existent.

Les îlots UMTS

Quelque soit le scénario, les contraintes mêmes du déploiement d'un système mobile amènent à la notion "d'îlots", au moins pendant les premières années d'exploitation.

Les mobiles pourront naviguer entre ces deux systèmes (UMTS et GSM ou GPRS) avec une continuité parfaite de service pour la voix, et en ce qui concerne les data, une offre de service "riche" dans les îlots UMTS et une plus restreinte dans le reste du réseau grâce au GPRS. Des handovers " sans couture " entre les deux systèmes seront possibles pour la voix et les services data sauf pour ces derniers lorsqu’ils nécessiteront des capacités propres à l’UMTS. Dans ce cas, ils seront limités à la zone de couverture 3G.

La couverture GSM traditionnelle va s’améliorer en terme de surface couverte et va se densifier.

La couverture GPRS va apparaître en îlots puis se densifiera petit à petit, pouvant recouvrir la totalité du réseau GSM.

Plusieurs voies pourront alors être suivies :

Les opérateurs GSM qui auront décidé de ne pas investir dans la nouvelle interface radio UMTS, pourront, avec EDGE, proposer un accès données haut débit, aux utilisateurs. Les débits de 384kbps/s étant possibles dans de bonne conditions radio, l’introduction de EDGE demandera une densification des stations de base afin d’obtenir une meilleure continuité de service haut débit.

Les opérateurs GSM ayant obtenu une licence UMTS proposeront dans un premier temps, des îlots UMTS aux utilisateurs. Puis ces îlots enfleront petit à petit.

De nouveaux utilisateurs pourront proposer directement et uniquement un accès UMTS. Ceci sera une opportunité de se lancer dans la troisième génération. A l’aide d’accords de roaming avec des opérateurs GSM, ces nouveaux acteurs pourront offrir une couverture globale GSM/UMTS.

La décision d’orientation vers l’UMTS prendra en compte le fait que l’interface WCDMA est conçue pour donner accès aux services orientés paquet sur laquelle la voix peut aussi être transportée. Elle est mieux adaptée aux débits rapidement variables et aux traitement simultané de plusieurs utilisateurs utilisant différents services en parallèle.

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Rayons de cellules

Les perturbateurs reçus à la station de base vis à vis d'un mobile donné sont :

• les interférences venues des autres mobiles contrôlés par la cellule (interférence intra cellulaire),

• les interférences venues des mobiles sous contrôle d'autres cellules de l'opérateur (interférence extra cellulaire),

• les sources de bruit extérieur au système (bruit thermique, interférence des réseaux situés dans les bandes adjacentes, etc ... ).

Pour une charge de cellule donnée, la somme de ces interférences va fixer un plancher de bruit, qui compte tenu de la limite de puissance des mobiles, va induire une limite du rayon de cellule afin de pouvoir obtenir le rapport signal à bruit requis au niveau de la station de base.

Au niveau de l'ingénierie :

•  
• prise compte simultanée de la couverture et du rapport signal à bruit,
•  
• méthodes dynamiques car la couverture dépend de la charge, le contrôle de puissance est indispensable,
•  
• gestion multiservice (influence sur les besoins en ressources),
•  
• macro diversité.

Comparaison simplifiée entre planification GSM et UMTS :

Processus ‘step by step’ Processus ‘all in one’

On voie que si l’élaboration d’un réseau cellulaire de deuxième génération est séquentielle, celle réseau de type UMTS devra être faite en considérant tous les paramètres en même temps, ces paramètres étant fortement liés.

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Récapitulatif

	GSM	GPRS	EGPRS	UMTS
Connexion	Circuit	Circuit + paquet	Circuit + paquet	Paquet principalement
Accès multiple	TDMA	Idem GSM	Idem GSM	W-CDMA (?TD-CDMA?)
Modulation	GMSK	GMSK	8-PSK et GMSK	QPSK
Spectre	2 x 35MHz autour de 920MHz 2 x 75MHz autour de 1800MHz	Idem GSM	Idem GSM	155MHz + 60MHz autour de 2050MHZ en 2005 +185MHz +30MHz en 2010
Duplex	45MHz en GSM 900 95MHz en DCS 1800	Idem GSM	Idem GSM	190MHz pour la bande appairée
Largeur canal				5MHz
Espacement entre porteuses	200kHz	Idem GSM	Idem GSM	Multiple de 200kHz
Longueur trame	8 x 148 bits	Idem GSM	Idem GSM	15 x 96bits ?
Durée trame	4.615ms	Idem GSM	Idem GSM	10ms
Nombre de slots par trame	8	8	8	15
Utilisation multislots	Non	Oui	Oui	Oui
Services	T et NT	T et NT	RT et NRT	RT et NRT
Voix, SMS, Fax	OK	OK	OK	OK
Accès Internet	Limité	Correct	Complet	Complet
Vidéo	Non	Limité	Correct - bon	Complet
Débits	De 300bps à 9.6kbps	De 9.05kbps à 21.4kbps par TS jusqu'à 171kbps	De 22.8kbps à 69.2kbps par TS jusqu'à 553kbps	Jusqu'à 2Mbps en indoor
Débits variables dynamiquement	Non	Non	Oui	Oui
QoS variable dynamiquement	Non	Non (négociée appel par appel)	Oui	Oui
Multiservice	Non	Non	Oui	Oui
Disponibilité	Depuis 1992	Mi 2000	2001?	2002 ?
Signalisation	SS7	Idem GSM	Idem GSM	Système basé sur IP
Architecture (par rapport au GSM)		Légers changements : GGSN, SGSN, reprogrammation BTS	Idem GPRS	Nouvelle architecture
Particularités pour le déploiement (par rapport au GSM)		Influence sur le trafic lié à l'utilisation de plusieurs slots simultanément	Idem GPRS	Gestion des flux d'abonnés Contrôle de puissance Multi-service Macro diversité

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