Université Akli Mohand Oulhadj – Bouira
Faculté des sciences et des sciences appliquées
Département de Génie Electrique
Mémoire de Master
Filière : Génie électrique
Option : Technologies des Télécommunications
Par
- ALIOUI Bessam
- BOUKHELF Ali
Thème :
Etude des performances des réseaux mobiles 4G
Date de soutenance : 24/09/2017
Devant le jury composé de :
- Mohamed BEHLOUL
MAA. à l’université de Bouira
Président
- Mouloud AYAD
MCA à l’université de Bouira
Rapporteur
- Smail MEDJEDOUB
MAA à l’université de Bouira
Examinateur
- Mohamed BOUCENNA
MAB à l’université de Bouira
Examinateur
N
ous tenons particulièrement remercier Allah le tout puissant, ce mémoire n’aurait jamais été réalisé sans sabénédiction.
Nous adressons nos remerciements a notre encadreur monsieur AYAD MOULOUD pour son aide consistante, ses conseils
judicieux, et pour ses remarques objectives. Nous remercions les membres du jury.
Nous profitons de cette opportunité pour exprimer notre gratitude tous les enseignants qui ont contribué par leur collaboration, disponibilité et sympathie, notre formation. Nous tenons remercier nos familles de nous avoir soutenu,
nous ne serons jamais assez reconnaissants envers nos parents qui ont toujours tout mis en œuvre pour qu’on
s’épanouisse dans tous ce qu’on entreprend.
Enfin, nous tenons remercier toute personne qui nous a aidées de près ou de loin durant notre travail.
Je dédie ce travail :
A ma chère mère.
A l’âme de mon père.
A mes très chers frères Yacine et Amine.
A mes cousines et cousins
A mes amis Ali et Zahra .
A tous mes collègues de la promotion RST.
A toutes personnes qui m’ont aidés de prés
comme de loin, pour l'élaboration de ce
travail.
BESSAM
BESSAM
Je dédie ce modeste travail :
A mes très chers parents qui m’ont permet
de réussir dans mes études. Et mes frères et
sœurs.
A ma grande mère.
A toutes personnes qui m’ont aidés de près
comme de loin, pour l'élaboration de ce
travail.
Résume :
Le réseau 4G est proposé comme future génération des réseaux mobiles après la 3G. Il permet « le très haut débit mobile », soit des transmissions de données à des débits théoriques de l'ordre de 100 Mb/s. Cette nécessité de débit élevé à développer les générations du mobile de la première génération (1G) jusqu'à arriver progressivement à la quatrième génération (4G).
L’objectif de ce travail est d’étudier les performances de réseau mobile 4G basé sur différents réseaux (2G, 3G, LTE,…). Cette étude permet à l’étudiant de prendre des initiations et de faire le point sur la recherche scientifique.
SOMMAIRE
Résumé--- Sommaire --- Liste des figures --- Liste des tableaux --- Liste des abréviations --- Introduction générale---
Chapitre 1 : Généralités et technologies de la 4G
1. Introduction --- 2. Historique --- 3. Les différentes normes téléphoniques
---3.1 La deuxième génération des réseaux mobiles (2G) --- 3.2 La troisième génération des réseaux mobiles (3G) --- 3.2.1 L’architecture d’un réseau UMTS --- 3.2.1.1 Le domaine d’équipement d’usager --- 3.2.1.2 (RNS, Radio Network Subsystem) --- 3.2.2 Les fréquences de l’UMTS--- 3.2.3 Les débits de l’UMTS --- 3.3 La quatrième génération des réseaux mobiles (4G) --- 3.3.1 Facteurs d’immigration vers le LTE--- 3.3.2 Architecture du système LTE --- 3.3.2.1 Equipement utilisateur (UE) --- 3.3.2.2 E-UTRAN--- 3.3.2.3 eNode B --- 3.3.2.4 EPC (Evolved Packet Core) --- 3.3.3 Les couches de l’interface radio--- 3.3.3.1 La couche physique---- --- 3.3.3.2 La couche 2 --- 3.3.3.2.1 Sous-couche PDCP --- 3.3.3.2.2 Sous-couche RLC (Radio Link Protocol) --- 3.3.3.2.3 Sous-couche MAC (Medium Access Control) --- 3.3.3.3 La couche RRC --- 3.3.4 Les canaux --- 3.3.4.1 Le concept de canal --- 3.3.4.1.1 Les canaux logiques --- 3.3.5 Les interfaces d’un réseau4G --- 3.4 Les Technologies 4G --- 3.4.1 Les différentes technologies d’accès pour un utilisateur 4G -- 3.4.2 Caractéristiques de la 4G-LTE --- I II V VII VIII 01 02 02 03 03 03 04 04 04 06 06 06 07 08 08 09 09 09 12 12 12 12 12 13 13 13 14 14 14 14 15 16 17
3.4.3 Principales caractéristiques du système LTE --- Conclusion ---
Chapitre 2 : Etude comparative entre 4G et les autres Générations
1. Introduction --- 2. Etude comparative entre les différents réseaux mobiles ---
2.1 Le réseau mobile 2G --- 2.1.1 LE GPRS --- 2.1.2 Le réseau EDGE ---- --- 2.1.3 Qualités des réseaux 2G --- --- 2.2 Le réseau mobile 3G --- 2.2.1 Les services et les qualités offerte par les réseaux 3G ---- 2.3 Le réseau mobile 4G --- 2.3.1 Qualité des réseaux 4G --- 3. Comparaison entre les réseaux mobiles du point technique --- 4. La technique OFDM --- 4.1 La modulation multi-porteuse --- 4.2 Notion d’orthogonalité --- 4.3 Préservation de l’orthogonalité (Intervalle de garde) --- 4.4 Génération des symboles OFDM --- 4.5 Principe de la modulation --- 4.6 Principe de la démodulation --- 5. L’OFDMA ---
5.1 Origines et avantages --- --- 6. SC-FDMA --- 7. Comparaison entre l’OFDMA et le SC-FDMA --- Conclusion ---
Chapitre 3 : Etude des performances du réseau 4G
1. Introduction --- 2. Couverture et la disponibilité 4G --- 3. Couverture et la qualité des services mobiles en Algérie ---
3.1 Pénétration de la téléphonie mobile 3G--- 3.2 Pénétration de la téléphonie mobile 4G --- 4. Couverture et la qualité des services mobiles : Etude de cas (ville
d’Alger) --- 4.1 Pénétration de la téléphonie mobile 3G dans la ville d’Alger --- 4.2 Pénétration de la téléphonie mobile 4G dans la ville d’Alger ---
4.2.1. Couverture du réseau 4G dans la ville d’Alger ---
17 18 19 19 19 20 20 20 20 21 21 21 21 23 24 24 26 27 29 30 33 34 34 35 35 36 37 37 38 40 42 45 45 47 47
4.2.2. Débit du réseau 4G dans la ville d’Alger --- 5. Conclusion --- Conclusion générale --- Références bibliographiques--- Annexes--- 49 51 52 53 54
V
Liste des figures
Chapitre I : Généralités et technologies de la 4G
Figure 1.1 : Évolution du nombre d’abonnés mobiles à travers le monde ---02
Figure1.2 : Architecture d’un réseau GSM ---03
Figure 1.3 : Architecture générale du réseau UMTS ---04
Figure 1.4 : Architecture UTRAN du système UMTS ---04
Figure 1.5 : Procédures "Soft Handover" et "SRNS Relocation" ---05
Figure 1.6 : Architecture du système LTE ---08
Figure 1.7 : architecture(CN) et l’architecture de (RAN) ---10
Figure 1.8 : Structure de la couche 2 en LTE ---13
Figure 1.9 : Rôles des couches du système LTE ---14
Figure 1.10 : Correspondance des couches entre l’UE et l’eNodeB du système LTE ---14
Figure 1.11 : Techniques d’accès pour les réseaux 4G---15
Figure 1.12 : architecture de l’UMB---17
Chapitre II : Etude comparative entre 4G et les autres Générations Figure 2.1 : Les différentes techniques d’accès---20
Figure 2.2 : distribution de couvertures de réseaux de l’operateur ALGERIE TELECOM (2G, 3G, 4G)---22
Figure 2.3 : Comparaison d’architecture 3G/4G ---24
Figure 2.4 : Spectre des sous porteuses en FDM---25
Figure 2.5 : comparaison de la bande passante entre OFDM et FDM ---26
Figure 2.6 : N sous-porteuses orthogonales pour un système OFDM- ---27
Figure 2.8 : Intégration du signal avec intervalle de garde ---29
Figure 2.9 : schéma de principe d’un modulateur OFDM ---31
Figure 2.10: Spectres des différentes porteuses---31
Figure 2.11 : Spectre du signal OFDM pour 8 porteuses---32
Figure 2.12: Schéma de principe de démodulateur OFDM---33
Figure 2.13 : Représentation d’un signal OFDM---34
Figure 2.14 : La déférence entre OFDMA/SC-FDMA---35
Chapitre 3 : Etude des performances du réseau 4G Figure 3.1 : In fluence de position de l’usager par rapport à la station mobile ---37
Figure 3.2 : Disponibilité du réseau 4G---38
Figure 3.3 : Disponibilité du réseau 4G---38
Figure 3.4 : La vitesse du réseau 4G---39
Figure 3.5 : Vitesse par technologie ---40
Figure 3.6 : Déploiement et taux de couverture minima de la 3G ---42
Figure 3.7 : Déploiement et taux de couverture minima de la 4G ---43
Figure 3.8 : Couverture 2G / 3G globale (les 3 opérateurs) de la ville d’Alger---45
Figure 3.9 : Couverture 2G / 3G de la ville d’Alger par opérateur ---46
Figure 3.10 : Calendrier de déploiement ---47
Figure 3.11 : Couverture 4G de la ville d’Alger par opérateur---48
Figure 3.12 : Couverture 4G globale (les 3 opérateurs) de la ville d’Alger par opérateur---49
Liste des tableaux :
Chapitre I : Généralités et technologies de la 4G
Tableau 1.1 : Les différentes catégories d’EU’s pour le système LTE (re 8) ---09
Chapitre II : Etude comparative entre 4G et les autres Générations Tableau 2.1 : comparaison entre différentes générations mobiles---23
Chapitre 3 : Etude des performances du réseau 4G Tableau 3.1 : Les vitesses du réseau 4G de quelques pays ---39
Tableau 3.2 : Le nom technique utilisé par l’ARPT (Autorité de Régulation de la Poste et des Télécommunication)---41
Tableau 3.3 : Le dernier rapport annuel publié par l’ARPT---41
Tableau 3.4 : Les exigences minimales pour le service voix, SMS et internet---44
Tableau 3.5 : le taux de couverture maximal prévu à Alger---47
Liste des abréviations :
1G 1 ère Génération 2G 2 ème Génération 3G 3 ème Génération 4G 4 ème Génération
3GPP 3 rd Generation Partnership Project A
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
ARPT Autorité de Régulation de la Poste et des Télécommunication ARQ automatic repeat request
ATM Algérie Télécom Mobile B
BCCH Broadcast Control CHannel BSC Base Station Controller BSS Base Station Sub-system BTS Base Transceiver Station C
CDMA Code Division Multiple Access CP préfix cyclique
D
DC-HSPA+ Dual-Carrier High Speed Pocket Access +. DL Down Link
E
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution EIR Equipment Identity Register
EMM EPS Mobility Management eNodeB evolved NodeB
EPS Evolved Packet System EPC Evolved Packet Core ESM EPS Session Management
E-UTRAN Evolved-Universal Terrestrial Radio Access Network F
G
GGSN Gateway GPRS Support Node
GMSC Gateway MSC GPRS General Packet Radio Service GPRS Global Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communication
H
HARQ Hybride automatic repeat request HLR Home Location Visitor
HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSPA High Speed Packet Access
HSS Home Subscriber Service I
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IMS IP Multimedia sybsystem
IP Internet Protocol L
LAN Local Area Network LTE Long Term Evolution M
MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network MIMO Multi Input Multi Output MME Mobility Management Entity MMS Multimedia Messaging Service MS Mobile Station
MSC Mobile Switching Centre O
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access OMC Operations and Maintenance Center
OSS Operation Sub-System OTA Optimum Télécom Algérie
P
PCCH Physical Control Channel PDN GW Packet Data Network Gate-Way PDCP Packet Data Compression Protocol PGW Packet Switch-GetWay
Q
QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying R
RLC Radio Link Control
RNS Radio Network Subsystem RNC Radio Network Controller RRC Radio Ressource Control S
S-GW Serving-GetWay
SC-FDMA Single Carrier-Frenquency Division Multiplexing Access SFN Single Frequency Network
SGSN Serving GPRS Support Node SIM Subscriber Identity Module SMS Short Message Service SMSC Short Message Service Center T
TCP Transmission Control Protocol TDD Time-Division Duplex
TDMA Time Division Multiple Access TTI Transmission Time Interval U
UE User Equipement UL-SCH Uplink Shared Chanel
UIT Union Internationale des Télécommunications UMB Ultra Mobile Broadband
V
VLR Visitor Location Register VoIP Voice over IP
W
WAP Wireless Application Protocol
WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WTA Wataniya Télécom Algérie
Introduction générale :
Les télécommunications font partie des technologies qui ont révolutionné notre mode de vie au vingtième siècle. Du télégraphe à l’Internet.Les progrès établis sont spectaculaires. Avec l'arrivé des technologies de la 3G (troisième génération), les réseaux de télécommunications ont connu une grande expansion. Ces réseaux ont permis l'intégration de nouveaux services et un débit adéquat, permettant ainsi aux opérateurs de répondre à la demande croissante des utilisateurs. Cette rapide évolution a porté les opérateurs à adapter leurs méthodes de planification aux nouvelles technologies qui, augmentent la complexité au niveau du réseau. Cette complexité devient plus importante quand ces réseaux regroupent plusieurs technologies d'accès différentes en un réseau hétérogène, comme dans le cas des réseaux mobiles de prochaine génération ou réseaux 4G (quatrième génération). [01]
La 4G, qui succède à la 3G, est la première technologie à avoir été spécifiquement développé pour les données «data ». Selon les prévisions, l'utilisation des données mobiles devrait croître au rythme d'environ 80% au cours des 5 prochaines années. Jusque-là, les réseaux étaient construits pour transporter de la voix. Avec la 4G, le data est véritablement placée au cœur du dispositif. Elle permet une vitesse de chargement sept fois plus rapide que la 3G, et un délai de latence divisé par cinq.Le saut était quantitatif (avec l'augmentation du nombre de mégaoctets) ; désormais, le bouleversement sera qualitatif et ouvrira le champ à de nouvelles applications comme la vidéo ou la visioconférence. La planification fait alors intervenir de nouveaux défis tels que : l'augmentation considérable des demandes de services, la compatibilité avec les réseaux actuels, la gestion de la mobilité intercellulaire des utilisateurs et l'offre d'une qualité de services plus flexible. Ainsi, pour créer un réseau flexible aux ajouts et aux retraits d'équipements, une bonne méthode de planification s'impose. [03]
C'est dans ce contexte que se situe ce projet de fin d’étude, qui vise à faire une étude d’un réseau radio de 4G /LTE (Long Term Evolution). Et pour cela on passe des étapes suivantes : Dans le chapitre 01 on parlera de l’évolution des technologies mobiles, et on fera une étude des technologies 4G.
Puis dans le chapitre 02 on fera une comparaison entre les différentes techniques et la 4G/LTE en termes de performances et de techniques utilisées.
Et dans le chapitre 03 on fera une étude de la technologie 4G en termes de performances et on verra la capacité de notre pays et les caractéristiques de la 4G en Algérie.
Chapitre 1 :
Généralités et technologies de la 4G
1 Introduction :Le réseau 4G (quatrième génération) et préposé comme la génération évoluée de la 3G (troisième génération). C’est la technologie récemment utilisée dans l’Algérie, permettant de très
grandes capacités en termes de capacités et vitesse de connexion.
Dans ce chapitre ; on présente le réseau 4G depuis différent cotées et points de vues (architecture, infrastructure, interfaces…) tout en faisant une comparaison avec la technologie 3G sur les points développés. Mais avant tout en commence par un historique sur les différentes technologies précédentes.
2 Historique :
L’usage des services des communications mobiles a connu un essor remarquable, ces dernières années. La figure 1.1 illustre l’évolution du nombre d’abonnés mobiles au regard de la population mondiale. Nous enregistrons à la fin de l’année 2012 environs de 6.4 milliards d’abonnés à travers le monde.
C’est véritablement un nouveau secteur de l’industrie mondiale qui s’est créé, regroupant notamment constructeurs de circuits électroniques, de terminaux mobiles, d’infrastructures de réseaux, développeurs d’applications et de services et opérateurs de réseaux mobiles [01].
Cette augmentation de nombre d’abonnés demande toujours un développement des techniques utilisées dans ces réseaux. Les générations de réseaux mobiles sont :
➢ La 1 ère génération (1G): C'est l'ancien Radio com 2000 de France Télécom.
➢La 2 ème génération (2G): GSM (Global System for Mobile Communication) qui fonctionne toujours
➢ La 2.5G : C’est le GPRS (Global Packet Radio Service), premier réseau pour les données. ➢ La 2.75G : C'est la norme EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution).
➢La 3 éme génération (3G) : C'est l'UMTS, la principale norme 3G utilisée en Europe. ➢La 3.5G ou 3G+ : Norme HSPA (High Speed Pocket Access) une évolution de l'UMTS.
➢La 3.75G ou 3G++ : Toujours une évolution de l'UMTS, c'est la norme HSPA+ (High Speed Pocket Access +). Il existe aussi une petite évolution avec le DC-HSPA+ (Dual-Carrier High Speed Pocket Access +).
➢La 4 éme génération (4G) : Parfois appelée par les puristes la 3.9G, cette nouvelle génération utilise la norme LTE (Long Term Evolution). La 4G constitue la quatrième génération des technologies de la téléphonie mobile. Elle repose sur la nouvelle norme « LTE » ou Long Terme Evolution, et succède directement à la technologie 3G et à la 3G+, qui se fondaient quant à elles sur les normes UMTS et HSDPA.
3 Les différentes normes des réseaux mobiles :
3.1 La deuxième génération des réseaux mobiles (2G) :
Apparu dans les années 90. Son principe, est de passer des appels téléphoniques, on appuyant sur les transmissions numériques permettant une sécurisation des données, il a connu un succès mondial et a permis de susciter le besoin de téléphonie en tout lieu avec la possibilité d’émettre des SMS. Il autorise le roaming (itinérance) entre les pays exploitant le réseau GSM [01].
3.2 La troisième génération des réseaux mobiles (3G) :
La 3G a été conçu pour permettre des diverses applications sur le mobile comme la vidéo et améliorer la QoS (Qualité Of Service) du MultiMedia.
3.2.1 L’architecture d’un réseau UMTS : elle se décompose en 3 parties qui sont :
Figure 1.3 : Architecture générale du réseau UMTS. [04] 3.2.1.1 Le domaine d’équipement d’usager : il comporte :
A- La carte U-SIM : La carte U-SIM assure la sécurité et la confidentialité des communications. Beaucoup d’avantages sont prévues pour les cartes USIM 3G, exemple : protection des données d’identité de l’abonné et de son terminal, etc.…
B- Le mobile : Comme le réseau GSM, l’UMTS est divisé en cellules. Chacune est présentée en fonction de la densité de population à servir et de la vitesse de mobilité, l’accès par satellite est une extension :
Une pico-cellule : permet des débits allant jusqu’à 2 Mbits/s.
Une microcellule : permet des débits de l'ordre de 384 Kbits/s même en déplaçant. [05] 3.2.1.2 (RNS, Radio Network Subsystem) :
Composé de deux éléments distincts, à savoir le nœud B (node B) et (RNC, Radio Network Controller) :
a- Node B : équivalent à la BTS du réseau GSM. Peut gérer une ou plusieurs cellules. Il inclut un récepteur CDMA qui convertit les signaux de l'interface Uu (Interface Air) en flux de données acheminés au RNC sur l'interface Iub. Dans l'autre sens, le transmetteur CDMA convertit les flux de données reçus du RNC pour leur transmission sur l'interface Air [06].
b- RNC et sa relation avec le handover dans la 3G : Il possède et contrôle les ressources radio des Node B auxquels il est connecté. Le RNC et les Node B sont connectés entre eux et au réseau de base par trois interfaces.
L’interface Iu connecte chaque RNC au réseau de base : il s'agit d'une interface ouverte qui sépare donc l’UTRAN, domaine chargé de la commutation, du routage et du contrôle des services. L’interface Iu peut être de deux types : IuCs pour le domaine circuit, et IuPs pour le domaine paquet. Le RNC assure les mécanismes de handover. Le CDMA utilise la macro-diversité pour obtenir un signal de meilleure qualité. Le RNC gère le handover et la macro-diversité :
à travers l'interface Iub (lorsqu'il s'agit d'un déplacement entre cellules de différents Node B sous le contrôle du même RNC),
à travers l'interface Iur (lorsque les deux cellules sont contrôlés par des RNCs différents) à travers l'interface Iu (lorsque par exemple l'interface Iur est absente).
Lorsque l'UE s'éloigne du Node B contrôlé par le SRNC, il devient nécessaire que le RNC qui contrôle ce Node B ne soit plus le SRNC. L'UTRAN peut prendre la décision de transférer le contrôle de connexion à un autre RNC. Ça s’appelle "SRNS Relocation".
C - Le réseau cœur (Core Network) : Le réseau cœur est en charge de la commutation et du routage des communications (voix et data) vers les réseaux externes Le réseau cœur se décomposent en deux parties :
Le domaine circuit : permet de gérer les services téléphoniques (vidéo-téléphonie, jeux vidéo, streaming, application multimédia). Ces applications nécessitent un temps de transfert rapide. Lors de l’introduction de l’UMTS le débit du mode domaine circuit sera de 384 Kbits/s.
Le domaine paquet : permet de gérer les services non temps réels. Il s’agit principalement de la navigation sur l’internet, et de l’accès/utilisation des e-mails. C’est la raison pour laquelle les données transiteront en mode paquet. Le débit du domaine paquet sera sept fois plus rapide que le mode circuit, environ 2Mbits/s [6].
3.2.2 Les fréquences de l’UMTS :
L’UMTS utilise les fréquences [1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz].L’UIT (Union Internationale des Télécommunications) a désigné des bandes de fréquences pour les différents systèmes de l'UMTS qui sont :
Duplex temporel TDD (Time Division Demultiplexing) : 1885 à 1920 MHz (uplink bande de 35Mz) et 2010 à 2025 MHz (downlink bande de 15 MHz).
Duplex fréquentiel FDD (Frenquency Division Demultiplexing) : 1920 à 1980 MHz (uplink bande de 60 MHz) et 2110 à 2170 MHz (downlink bande de 60 MHz). Bandes satellites : 1980 à 2010 MHz (uplink de 30 MHz) et 2170 à 2200MHz (downlink de 30 MHz).
La bande passante d’un canal est de 5MHz avec une largeur spectrale réelle de 4,685MHz. [01] 3.2.3 Les débits de l'UMTS :
Le débit est diffèrent suivant le lieu d’utilisation et la vitesse de déplacement de l’utilisateur : En zone rurale : 144 kbit/s pour une utilisation mobile (voiture, train, etc.) ;
En zone urbaine : 384 kbit/s pour une utilisation piétonne. En zone bâtiment : 2000 kbit/s depuis un point fixe.
Grace à son débit, l’UMTS ouvre la porte à de nouvelles applications et services et un transfère dans des temps relativement courts des contenus multimédia.
Nouveaux services concernent surtout l’aspect vidéo : Visiophonie, MMS Vidéo, Télévision. [01] 3.3 La quatrième génération des réseaux mobiles (4G) :
La technologie LTE (Long Term Evolution) ou la 4G s’appuie sur un réseau de transport à commutation par paquet IP. Elle n’a pas prévu de mode d’acheminement pour la voix, autre que la VoIP, contrairement à la 3G qui transporte la voix en mode circuit.
La technologie LTE repose sur une combinaison de technologies qui permet d’élever nettement le niveau de performances (très haut débit et latence) par rapport aux réseaux 3G existants. Le multiplexage OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) apporte une optimisation dans l’utilisation des fréquences en minimisant les interférences. Le recours à des techniques d’antennes multiples (déjà utilisés pour le Wi-Fi ou le Wi Max) permet de multiplier les canaux de communication parallèles, ce qui augmente le débit total et la portée. [01]
LTE utilise OFDM comme technique de multiplexage dont on parlera dans le chapitre 02.
LTE utilise OFDMA En liaison descendante et à porteuse unique AMRF (FDMA SC) comme technique de transmission de liaison montante.
LTE utilise à la fois FDD et TDD que les techniques de duplexage pour loger tous les types de Ressources du spectre. [07]
3.3.1 Facteurs d’immigration vers le LTE :
La Capacité : Plus la bande de fréquence est grande, plus elle permet d’avoir une grande quantité de données.
Le besoin en capacité de réseau est en évolution dans les réseaux mobiles car avec une forte capacité, le débit par utilisateur augmente. [09]
Le débit : Il est vrai que les débits ont augmenté de façon considérable avec la 3G. Mais il y a une volonté continue d’accroitre le débit afin d’égaler les réseaux (xDSL). De plus, certaines applications et services multimédia exigent un grand débit pour leur fonctionnement. Notons que certains opérateurs attendent de LTE (respectivement. LTE-A) un débit supérieur. [09]
La latence : deux types de latence sont discuté :
La Latence du plan de contrôle : c’est le temps d’établissement d’une connexion avec un service (l’émission et la réception de la signalisation).
La latence du plan usager : c’est le temps d’émission d’un paquet de données appartenant à l’usager au réseau, et ce, après l’établissement de la connexion. La durée de latence dans la 3G est estimé aux environ de 70 ms, valeur trop grande pour certains services multimédias interactifs. [09]
L’Agilité en fréquence HSPA+ utilise des canaux de 5 Mhz. Cette limitation est pénalisante puisque certaines applications exigent des canaux avec des largeurs inférieures. D’autre part, en cas de disponibilité de bandes, l’opérateur ne peut allouer plusieurs de ces derniers au terminal mobile, malgré le fait que HSPA+ alloue deux porteuses de 5 Mhz au terminal mobile et donc une bande de fréquence de 10 Mhz. Cependant, face aux exigences de quelques applications multimédias cette capacité ne suffit pas. [09]
3.3.2 Architecture du système LTE :
L’architecture générale du système LTE est composée de deux entités principales :
Le réseau d’accès radio terrestre universel évolué (E-UTRAN) qui est le réseau d’accès radio pour l’EU,
Le cœur de paquets évolué (EPC) qui est le cœur du réseau. L’architecture du réseau cœur est aussi désigner par, évolution d’architecture de service (SAE), et la combinaison de l’E-UTRAN et de l’EPC est aussi appelée système paquet évolué (EPS) [10], [11].
Il possède une architecture plate et simplifiée comparée à celle des systèmes 2G/3G. Puisque l’entité RNC est enlevée. Il s’agit d’une architecture uniquement paquet comparée à l’architecture 2G/3G circuit et paquet [12].
Figure 1.6 : Architecture du système LTE. [13] 3.3.2.1 Equipement utilisateur (UE) :
En LTE, l’UE communique avec l’E-UTRAN et l’EPC en utilisant des protocoles appropriés. La communication du plan utilisateur se termine au niveau de l’eNodeB. Dans le côté plan de contrôle. L’UE communique avec l’eNodeB et le MME à travers les protocoles RRC et NAS respectivement. Différents(UE) sont définis ; Par exemple, le débit maximal pour la catégorie 1 pour les deux liaisons descendante et montante est approximativement de 10 et 5 Mbps respectivement. En plus cette catégorie ne supporte pas la réception de plus d’un seul flux de données en liaison descendante simultanément. En autre la catégorie 5 des UE’s peut supporter quatre voies de données en liaison descendante simultanément. En plus il est capable de transmettre en utilisant la modulation 64-QAM dans la liaison montante. [14]
Caractéristique Catégories
01 02 03 04 05 Débit maximal descendent (DL)
/ascendante (UL) en 5Mbps) 10/05 50/25 100/50 150/50 300/75
Bande passante RF (MHz) 20 20 20 20 20
Modulation supportée la
liaison descendante (DL) 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM Modulation supportée la
liaison ascendante (UL) 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM Diversité en réception (Rx) OUI OUI OUI OUI OUI BS diversité (Tx) 1-4 Tx 1-4 Tx 1-4 Tx 1-4 Tx 1-4 Tx MIMO dans la liaison descendante (DL) optionnel 2 * 2 2 * 2 2 * 2 4 * 4
Tableau 1.1 : Les différentes catégories d’EU’s pour le système LTE. [13] 3.3.2.2 E-UTRAN :
Plus simple que celui en 3G. Il a connu une intégration des e-nodeB avec de liaison FO et IP.
Les protocoles E-UTRAN couvrent le processus de communication entre l’UE et le réseau à travers la liaison sans fil. L’E-UTRAN est responsable pour la transmission et la réception des signaux radio venant et allant vers, un utilisateur. L’E-UTRAN englobe aussi les mécanismes du contrôle du moyen d’accès à travers lequel plusieurs UE’s partagent le canal sans fil commun. [13]
3.3.2.3 eNodeB :
Plusieurs eNodeBs, qui sont interconnectées à travers l’interface X2. Le principal rôle de cette dernière est de minimiser les pertes de paquets lors de la mobilité de l’usager durant le Handover. L’eNodeB est aussi responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE et dispose d’une interface S1 avec le réseau cœur. L’interface S1 consiste en S1-C (S1-Contrôle) entre l’eNodeB et le MME et S1-U (S1-Usager) entre l’eNodeB et le Serving GW. [12]
3.3.2.4 EPC (Evolved Packet Core) : Constitué principalement du
MME (Mobility Management Entity) qui est du plan contrôle, SGW (Serving Gateway) qui constitue du plan utilisateur, PGW (Packet Data Network Gateway). [12]
L’UE communique avec l’EPC par le biais de l’E-UTRAN. Lorsqu’un UE est allumé, l’EPC est responsable de l’authentification et l’établissement de la connexion nécessaire pour toute la communication. A la différence de l’UMTS, le LTE a une architecture dite toute IP, qui supporte
Figure 1.7 : architecture(CN) et l’architecture de (RAN). [15] L’EPC est constitué de deux plans :
C-1 Plan Utilisateur :
Il y a deux principales entités logiques dans le plan utilisateur :
C-1-1S-GW (serving gateway) : il agit comme un routeur, et expédie des données entre la station de base et le PDN-GW. Un réseau typique pourrait contenir une ou plusieurs S-GW, dont chacun s'occupe des mobiles dans la région. Chaque mobile est assigné à un S-GW, mais le serving gateway peut être changé si les mouvements de mobile suffisamment loin. [07]
(S-GW) fournie aussi la connectivité du niveau utilisateur, l’UE étant d’un côté, et la passerelle du réseau de données par paquets (P-GW) dans l’autre côté de l’élément PGW physique. Selon l’approche des fournisseurs du réseau ces éléments peuvent être séparés où être combinés physiquement en un seul élément.
Il n’y a pas de messages de contrôle entre l’UE et la S-GW, le niveau contrôle est pris en charge par l’élément MME. Le S-GW est responsable des fonctionnalités suivantes :
S-GW est le point d’ancrage local pour la procédure du handover inter-eNodeB S-GW est aussi un point d’ancrage pour la mobilité inter réseaux 3GPP
Routage et transfère des paquets
C-1-2P-GW : La passerelle PDN (P-GW), fournie, de la même façon que la S-GW, la connectivité du niveau utilisateur entre l’UE, S-GW et P-GW. L’élément P-GW fait l’interfaçage avec le S-GW, et de l’autre côté, avec le réseau externe de données par paquets (PSN), en plus le P-GW inclus la fonctionnalité GGSN (GPRS Gateway support node).
Le P-GW comprend les fonctionnalités suivantes : Allocation d’adresse IP pour l’UE ;
Filtrage de paquets qui peut se faire à un niveau basé sur l’utilisateur. L’autre terme pour cette fonctionnalité est une inspection profonde du paquet.
Interception légale (LI).
Marquage du paquet au niveau transport, en DL et UL. [13] C-2 Plan contrôle :
La principale composante de ce plan est l’entité de gestion de la mobilité (MME) : C-2-1MME : Mobility Management Entity :
Ses fonctions incluent :
Les terminaux LTE disposent des protocoles EMM (EPS Mobility Management) et ESM (EPS Session Management) qui leur permettent de gérer leur mobilité (attachement, détachement, localisation, etc.) et leur session (établissement/libération de session de données) respectivement.
l’entité MME reçoit toute la signalisation émise par l’UE et peut l’archiver à des fins de traçabilité ;
L’authentification des UEs à partir des informations recueillies du HSS ;
La gestion de la liste de Tracking Area : L’UE est informé des zones de localisation prises en charge par le MME, appelées Tracking Area. L’UE met à jour sa localisation lorsqu’il se retrouve dans une Tracking Area qui n’est pas prise en charge par son MME ;
La sélection du Serving GW et du PDN GW. [12] C-2-2 PDN-GW (Packet Data Network Gateway):
C’est l’interface entre le réseau 4g et les réseaux externes (Internet et Intranets). Le PDN GW est l’entité qui termine le réseau mobile EPS et assure l’interface aux réseaux externes IPv4 ou IPv6. Il sa charge également de l’allocation de l’adresse IP des équipements utilisateurs.
C-2-3 HSS (Home Subscriber Server):
Avec la technologie LTE, le HLR est renommé Home Subscriber Server (HSS). A la différence de la 2G et de la 3G où l’interface vers le HLR est supportée par le protocole MAP (protocole du SS7), l’interface S6 s’appuie sur le protocole DIAMETER (protocole IP). Le HSS est une base de données qui est utilisée simultanément par les réseaux 2G, 3G, LTE/SAE et IMS appartenant au même opérateur. Il supporte donc les protocoles MAP et DIAMETER.
C-2-4 PCRF (Policy & Charging Rules Function) :
L’entité PCRF fournit au PDN-GW les règles de taxation permettant au PGW de différencier les flux de données de service et de les taxer de façon appropriée.
Notons aussi que les entités MME et SGW sont connectées avec le SGSN afin de permettre l’interopérabilité entre les autres technologies, à savoir le GSM et l’UMTS. [12]
3.3.3 Les couches de l’interface radio :
3.3.3.1 La couche physique : La couche physique réalise les fonctions suivantes :
le codage de canal, qui protège l’information contre les erreurs de transmission, en introduisant de la redondance dans la séquence de bits transmis.
la modulation, qui associe les bits à transmettre à des symboles de modulation capables d’imprimer une onde électromagnétique.
les traitements spatiaux (dits MIMO), qui pré-code les symboles de modulation afin de les transmettre de plusieurs antennes.
la modulation multi porteuse, qui associe le signal à transmettre sur chaque antenne à des porteuses multiples, selon le principe de l’OFDM pour la voie descendante et du SC-FDMA en voie montante.
Les opérations inverses sont effectuées par la couche physique en réception, ainsi que des traitements contre l’interférence (par exemple l’égalisation).
ainsi qu’à certaines fonctions de la couche MAC.
les mesures radio, pour estimer le canal de transmission, la qualité du signal de la cellule servante, ou encore les niveaux de puissance reçus d’une autre cellule, ou d’un autre système radio.
la signalisation d’informations de contrôle entre eNodeB et UE.etc… 3.3.3.2 La couche 2 :
La couche 2 est constituée de trois sous-couches : • PDCP (Packet Data Compression Protocol) ; • RLC (Radio Link Control) ;
• MAC (Medium Access Control).
3.3.3.2.1 Sous-couche PDCP (Packet Data Compression Protocol) : PDCP assure des fonctions de sécurité et de transfert des données. • chiffrement des données et de la signalisation RRC.
• protection de l’intégrité de la signalisation RRC. • remise en séquence des paquets.
3.3.3.2.2 Sous-couche RLC (Radio Link Protocol) :
La sous-couche RLC assure les fonctions de contrôle du lien de données dévolues à la couche 2 du modèle OSI (Data Link Control) :
• détection et retransmission des PDU manquantes (en mode acquitté) permettant la reprise sur erreur.
• remise en séquence des PDU pour assurer l’ordonnancement des SDU à la couche supérieure (PDCP).
• utilisation de fenêtres d’émission et de réception pour optimiser la transmission de données. À la différence de l’UMTS, la couche RLC en LTE n’effectue pas de contrôle de flux.
3.3.3.2.3 Sous-couche MAC (Medium Access Control) :
La sous-couche MAC permet l’accès et l’adaptation au support de transmission grâce aux fonctions suivantes :
• le mécanisme d’accès aléatoire sur la voie montante ;
• la correction d’erreurs par retransmission HARQ lors de la réception d’un acquittement HARQ négatif
• les allocations dynamique et semi-statique de ressources radio (scheduling) ; • le maintien de la synchronisation sur le lien montant ;
• la priorisation des flux sur le lien montant [16].
Figure 1.8 : Structure de la couche 2 en LTE. [13] 3.3.3.3 La couche RRC :
La couche RRC, pour Radio Ressource Control, sert au contrôle de l’interface radio. On peut en effet constater sur le schéma modélisant la structure de l’interface radio, que la couche RRC est connectée aux quatre autres couches, via des points d’accès de contrôle : RRC est responsable de la configuration et du contrôle des couches de niveau 1 (PHY) et 2 (MAC, RLC et PDCP). C’est la spécificité de cette couche, véritable chef d’orchestre de l’interface radio [16].
Figure 1.9 : Rôles des couches du système LTE. [13]
Figure1.10 : Correspondance des couches entre l’UE et l’eNodeB du système LTE. [13]
3.3.4 Les canaux :
3.3.4.1 Le concept de canal : On distingue trois classes de canaux, selon les couches du modèle OSI auxquelles ils sont attachés.
3.3.4.1.1 Les canaux logiques : Ils se séparent en canaux de contrôle et canaux de trafic : Les canaux de contrôle : transportent uniquement des informations du plan de contrôle.
Les canaux de trafic : véhiculent exclusivement les données du plan usager. [13] 3.3.5 Les interfaces d’un réseau4G : Le système LTE/SAE consiste en plusieurs interfaces
internes et externes :
2.11.1. Interface Uu : L’interface radio LTE-Uu est définie entre L’eNodeB et le UE.
2.11.2. Interface X2 :L’interface X2 définie la connexion entre les éléments eNodeB. Il est destiné pour les procédures de handover inter-eNodeB, aussi bien que pour la gestion de la signalisation des ressources radio inter-cellules et la signalisation de la gestion de l’interface.
2.11.3. Interface S1 :L’interface S1 est divisée en S1-MME et S1-U. S1-MME. Elle connecte les éléments eNodeB et MME, alors que U est utilisée entre l’eNodeB et le S-GW. L’interface S1-MME est conçue pour la signalisation du plan contrôle entre l’eNodeB et le S1-MME, alors que
l’interface S1-U est conçue pour transporter les données du plan utilisateur entre l’eNodeB et le S-GW. Les données sont transférées à travers le GTP.
2.11.4. Interface S3 :L’interface S3 est utilisée pour la signalisation entre le MME et le SGSN. 2.11.5. Interface S4 :L’interface S4 est définie entre le S-GW et le SGSN. Elle fournit un tunnel à base de GTP au niveau du plan utilisateur durant le handover inter systèmes.
2.11.6. Interface S5 :L’interface S5 est située entre les éléments S-GW et le P-GW. Selon l’équipementier les deux éléments peuvent être intégrés en un seul élément physique.
2.11.7. Interface S6a :L’interface S6a transporte les informations de souscription et d’authentification entre le HSS (Home subscriber service) et le MME.
2.11.8. Interface S11 :L’interface S11 achemine les messages de signalisation entre le S-GW et le MME.
2.11.9. Interface SGi : L’interface SGi est étable entre le P-GW et le PDN, qui peut être un réseau de paquets IP public ou privé. Il peut aussi être un réseau IP interne, comme l’IMS (IP Multimedia sybsystem). [13]
3.4
Les Technologies 4G :
La figure suivante représente les différentes technologies d’accès pour un utilisateur 4G :3.4.1 Les différentes technologies d’accès pour un utilisateur 4G :
* Réseau WLAN (IEEE 802.11) : ou WIFI est un standard international décrivant les
caractéristiques du réseau LAN sans fil (WLAN). Il connecte des ordinateurs et des équipements personnels en créant un réseau sans fil couvrant un rayon de dizaines de mètres et tolérant une mobilité à très petite vitesse.
* IEEE 802.11 définit deux technologies divisé en deux architectures : Architecture BSS (Basic Service Set).
Architecture ESS (Extended Service Set). [18].
* Réseau Wi MAX : Le Wi MAX (World wide Interoperability for Microwave Access) (802.16-2004) ainsi que le Wi MAX mobile (802.16e) est une solution pour des réseaux MAN sans fil. En utilisant un accès Wi MAX, on peut atteindre théoriquement un débit jusqu´à 70 Mb/s avec une distance de 50 km. Le Wi MAX couvre des zones géographiques importantes sans la contrainte d'installation d’infrastructures coûteuses pour faire parvenir la connexion jusqu'à l'utilisateur. [18] * IEEE 802.16m : est une amélioration du Wi MAX (802.16-2004) et du Wi MAX mobile (802.16e) assurant la compatibilité avec les deux systèmes. Les débits théoriques proposés par cette version atteignent 100 Mb/s en situation de mobilité, et à 1 Gb/s quand la station abonnée est fixe. Le système 802.16m peut opérer dans des fréquences radio inférieures à 6 GHz. IEEE 802.16m utilisera la technologie MIMO (Multiple Input / Multiple Output) comme le Mobile Wi MAX en proposant d’améliorer la technologie d'antenne pour obtenir une bande passante plus grande. [18] * L’UMB (Ultra Mobile Broadband) : ou plus exactement «CDMA2000 1xEV-DO Révision C».
Avec la première révision A avec le CDMA, offre un débit de 450 à 800 Kb/s vers des points fixes uniquement.
Ensuite, avec la révision B il y avait une amélioration des débits jusqu’à 46,5 Mb/s.
La dernière révision C proposée ajoute la gestion de la mobilité de l’utilisateur en grande vitesse et offre des débits théoriques à l’ordre de 288 Mb/s en voie descendante, et 75 Mb/s en voie montante.
Elle propose aussi un environnement réseau qui se repose sur le principe de tout-IP et dispose de passerelles permettant l’interconnexion avec les réseaux de la famille 3GPP. [19]
Figure 1.12 : architecture de l’UMB 3.4.2 Caractéristiques de la 4G-LTE :
Parmi les principales caractéristiques de LTE on trouve :
- Une Flexibilité dans le choix des bandes de fréquences. En effet, LTE offre six possibilités de largeurs de bande, à savoir 1.4, 3, 5, 10, 15 ou 20 Mhz. L’intention est de permettre un déploiement flexible en fonction des besoins des opérateurs et des services qu’ils souhaitent proposer.
- Un Débit élevé, allant jusqu'à 150 Mbps dans la voie descendante, et 50Mbps dans la voie montante (obtenus à travers une bande de 20Mhz).
- Un ordonnancement très rapide, avec un TTI (Transmission Time Interval) de 1ms.
- Un Faible délai pour la transmission de données : Moins de 5 ms entre l’UE et le réseau d’accès dans une situation de non-charge où un seul terminal est ACTIF sur l’interface radio. La valeur moyenne du délai devrait avoisiner les 25 ms en situation de charge moyenne de l’interface radio. Ceci est dû principalement au fait qu’il n’y a plus de RNC dans le réseau d’accès, ce qui a aussi diminué les coûts de maintenance.
- Une Mobilité assurée à des vitesses allant jusqu’à 350 km/h. En effet, le Handover pourra s’effectuer dans des conditions où l’usager se déplace à grande vitesse.
- Une Couverture de cellule importante dans les zones urbaines et rurales : Comme la LTE pourra opérer sur des bandes de fréquences diverses et notamment basses, il sera possible de considérer des cellules qui pourront couvrir un large diamètre [12].
3.4.3 Principales caractéristiques du système LTE :
- Sens descendant (DL) : utilisation de l’OFDMA avec CP (préfix cyclique)
- Modulation en DL : QPSK, 16QAM et 64QAM. - Modulation en UL : QPSK et 16 QAM
- Rel.6 turbo code : débit de codage de 1/3, deux encodeurs à 8-états et un entrelacer à contention libre • Techniques du multiplexage MIMO (multi-entrées multi-sorties) spatial
- (2 ou 4) × (2ou 4) en (DL) et (UL) supportées.
- Multiutilisateurs MIMO aussi supportée • Requête automatique de répétition : ARQ (automatic repeat request), à l’intérieur de la sous couche RLC et ARQ hybride(HARQ) à l’intérieure de la sous couche MAC • Contrôle de puissance et adaptation du lien • Support implicite pour la coordination en interférence • Support des deux modes FDD et TDD. • Support possible du fonctionnement en réseau à fréquence unique (SFN) pour le support du MBMS - Un signal commun de synchronisation en temps transmise par plusieurs cellules [20].
4 Conclusion :
Dans ce chapitre, nous avons présenté un aperçu sur les différentes normes téléphoniques et leurs évolutions. On a fait une étude sur la 4èmegénération (LTE). Dans le chapitre qui suit, on fera une étude détaillée de la technologie 4G en termes de qualité et performances et ces clés de réussite.
Chapitre 2 :
Etude comparative entre 4G et les autres Générations
1 Introduction :Dans ce chapitre on fait une comparaison entre les différents générations 2G, 3G et la 4Gd’après différents points (architecture, techniques employés, débits offerts...) et on parle sur la technologie OFDM qui utilisée dans le réseau mobile à haut débit (4G).
Aussi on va traiter quelques points sur les techniques d’accès utilisé en LTE.
2 Etude comparative entre les différents réseaux mobiles :Il existe aujourd’hui
sept réseaux mobiles différents, mais certains restent encore méconnus du grand public. 2.1 Le réseau mobile 2G :
La technologie 2G a révolutionné le concept des utilisations mobiles. Les utilisateurs peuvent maintenant faire une communication verbale et également envoyer texto. Plusieurs versionstelles que le GPRS et l’EDGE. Il y a 3 types différents des technologies 2G différentes dans leur méthode de travail.
FDMA qui fonctionne comme un système par radio à séparation de fréquence à des spectres égaux. mais affecte la qualité de la voix. FDMA est un système analogique qui existe toujours dans les technologies 2G numériqued’une façon limitée.
La technologie 2G basée sur la division de territoire géographique en des cellules (réseaux cellulaire) ce qui permet d’utiliser la même fréquence dans de nombreuses cellules. Cela a augmenté les performances du service.
TDMA utiliser dans le réseau GSM. dans certains de ses modèles. Elle se divise réellement la fréquence à 8 time slots.
CDMA qui est à la différence de TDMA et CDMA utilise la bande entière avec l’aide du code. La CDMA est basé sur une gamme étendue et identifie les utilisateurs a base du code unique. La CDMA augmente la bande de fréquence ; l’émetteur et le récepteur peuvent employer toute la bande lors d’un appel.
Figure 2.1 : Les différentes techniques d’accès.[29] 2.1.1 LE GPRS :
Le réseau GPRS, pour General Packet Radio Service, est également surnommé 2,5G, puisqu’il a servi d’intermédiaire, entre le réseau mobile 2G et 3G. Considéré aujourd’hui comme excessivement lent et dépassé, c’est pourtant le premier à permettre l’échange de data (ainsi que des SMS, appels et MMS), et tous les smartphones peuvent s’y connecter. Tout comme le 2G, le réseau GPRS est déployé sur les bandes de fréquences 900 et 1800 MHz. [30]
2.1.2 Le réseau EDGE :
Le réseau EDGE est une évolution du GPRS, et permet de profiter d'un débit de 248 Kbps, contre 64 Kbps pour la génération précédente. Il est émis sur une bande de fréquences, allant de 4 à 12,5 Mhz. Ce réseau a permis la transition entre le réseau 2G et 3G, et certains opérateurs, comme Orange et Bouygues Telecom, ont choisi de le déployer, notamment pour soutenir le passage à une nouvelle génération de réseau. Cette technique de transition a également été utilisée par tous les opérateurs, pour le passage du 3G au 4G, grâce au réseau H+.
2.1.3 Qualités des réseaux 2G : [31]
Il est basé sur le CODEC.
Émet moins de puissance par radio. En GSM :
largeur de bande 200 kHz
la puissance maximum d'unité mobile de 20 W. 2.2 Le réseau mobile 3G :
L’UMTS ou 3G est actuellement la meilleure méthode de raccordement aux monde entier et particulièrement pour l'Internet. Les services d'applications incluent la voix et l’accès à l’internet, appels vidéo et TV mobile. C’est un système exige des débits maximaux au moins de 200kbit/s. La dernière version d’UMTS (HSPA+) qui peut fournir des débits jusqu' à 56 Mbit/s dans le down Link dans la théorie (28 Mbit/s dans des services existants) et 22 Mbit/s dans l'up Link.
UMTS combine les techniques W-CDMA/CDMA. [29]
2.2.1 Les services et les qualités offerte par les réseaux 3G :
L’appel vidéo est la première grande chose ; elle soutient l’image en temps réel et la clarté et la continuité dépendent de quelques facteurs comme la qualité du dispositif mobile, endroit d'utilisateur, état du réseau. etc.
Même on peut faire des transactions pour lesquelles on a besoin de la vitesse de traitement des demandes comme des services bancaires, les réservations en ligne de billet. etc.
Technologie d'accès de W-CDMA/CDMA 2000.
Largeur de bande 5-10 Mbps.
Travail en mode circuit et commutation par paquets.
Roaming internationale.
bande de fréquence 15-25GHz.
Flexibilité de cheminement.
Une meilleure sécurité. 2.3 Le réseau mobile 4G :
Les systèmes mobiles de la quatrième génération (4G) tendent à offrir des débits plus élevés. L’architecture de réseau 4G est plus simple est sophistiquée que le réseau 2G et 3G. Avec des techniques plus avancées.
La 4G offre un débit de 150 Mb/s. Ce réseau est déployé par les trois grands opérateurs sur la bande de fréquences 1800 Mhz (en Algérie), et vous assure ainsi un débit en réception beaucoup plus important.
2.3.1 Qualité des réseaux 4G :
Il a la largeur de bande de données de 200Mbps.
prix plus réduit que la 3G.
Bande de fréquence de 2-8 GHz.
Taux maximal de téléchargement de 1 Gbps.
Haut QoS.
Il fournit l'accès visuel de HD à l’utilisateur.
Il fournit la navigation virtuelle.
Il soutient la commutation paquet / circuit.[31]
Les deux figures suivantes représentent la distribution de l’operateur ALGERIE TELECOM Sur tout le territoire algérien avec les différentes couvertures de réseaux :
Figure 2.2 : distribution de couvertures de réseaux de l’operateur ALGERIE TELECOM (2G, 3G, 4G).
3 Comparaison entre les réseaux mobiles du point de vue technique :
Le tableau suivant présente une comparaison entre les différentes générations : La technologie/la qualité 1G 2G 2.5G 3G 4G Début d’utilisation 1970/1984 1980/1991 1985/1999 1990/2002 2000/2009 La bande passante 1.9 kbps 14.4 kbps 14.4 kbps 2 Mbps 200 Mbps
Standards AMPS TDMA CDMA GSM GPRS EDGE 1xRTT WCDMA CDMA-2000 Standard unifie La technologie Technologie Cellulaire analogique Technologie cellulaire numérique Technologie cellulaire numérique. WCDMA technologie IP Technologie IP interconnectée avec les réseaux Les services Téléphone
mobile (la voix) SMS, la voix numérique Grande capacité. données en paquet Grandes performances audio/vidéo/ données intégrés Accès dynamiques aux informations
Multiplexage FDMA TDMA,CDMA TDMA,CDMA CDMA SC-FDMA, OFDMA Mode de
commutation
Circuit Circuit Circuit pour accès réseau et l’interface air, paquet pour réseau cœur Mode paquet exception mode circuit pour l’interface air. Les deux modes.
Réseau cœur PSTN PSTN PSTN, réseau paquet.
Réseau paquet.
Internet
La figure suivante montre une simple comparaison entre l’architecture du réseau de 3G et celle du réseau 4G :
Figure 2.3 : Comparaison d’architecture 3G/4G.
Les MME (Mobility Management Entity) remplacent les dispositifs PDSN / SGSN et BCS/RNC.
Les eNodeBs remplacent les BTS / NodeBs.
Les PDN (Packet Data Network) remplacent les GGSN. [01]
4 La technique OFDM :
Cette technique a été introduite en 1966 par R. W. Chang, c’est un procédé de codage de signaux numérique par répartition de fréquences orthogonales. L’OFDM est essentiellement utilisée pour la transmission mobile à haut débit (4G). Actuellement, la technique OFDM, ou plus précisément son association avec la technique multiutilisateur CDMA, semble
incontournable pour l'interface air de la future génération mobile. [26] 4.1 La modulation multi-porteuse :
Avant de parler sur la modulation multi-porteuse, il faut signaler quelques problèmes auxquels nous sommes confrontés dans la mono-porteuse.
Dans une modulation mono-porteuse pour un canal avec une dispersion temporelle maximum 𝜏𝑚𝑎𝑥, débit𝑅𝑠, et durée de symbole 𝑇𝑠 est égale à :
𝑇𝑠 = 𝑅1 𝑠 .
Parmi les problèmes rencontrés dans le canal à la réception, nous citons : La durée de symbole qui est relativement petite en haut débit.
La bande decohérence𝑊𝐶, sera dépassée la largeur de la bande passante nécessaire pour
transmettre les signaux haute débit.
L’effet d’interférence inter symbole ISI sera plus présent, ce qui augmente la difficulté de l’égalisateur dans récepteur.
Pour minimiser l’effet d’interférence inter symbole et la complexité de l’opération d’égalisation en réception, il faut trouver une nouvelle technique en hautes débits, cette technique est représentée en modulation multi-porteuse, et son principe est basée sur la technique de multiplexage par division en fréquence FDM « frequency division multiplexing»
Dans le système FDM, les signaux de plusieurs émetteurs sont transmis simultanément (dans le même intervalle de temps) sur des fréquences multiples. Chaque gamme de fréquence (sous-porteuse) est modulée séparément par différents flux de données et un espacement (bande de garde) est placé entre les sous-porteuses pour éviter un chevauchement des signaux, comme illustrée par la figure 2.4. [26]
Figure 2.4 : Spectre des sous porteuses en FDM. [21]
Le FDM transmet les données en haut débit sur K voies à bas débit qui seront modulées en même temps par K sous porteuses de fréquences 𝑓𝑘 multiples d’une fréquences de base 𝑓0 , ce qui réduit la bande passante d’un bloc symbole par un facteur de 𝑘1 permet d’augmenter la durée de symbole par K . 𝑇𝑠 , et ainsi d’augmenter la résistance aux ISI, comme indiqué :
𝑅𝑠
𝑘<<𝑊𝐶 , K.𝑇𝑠>>𝜏𝑚𝑎𝑥 .
L’utilisation d’une modulation multi-porteuse pour des données à hauts débits est plus adapté à un canal multi trajet sélectif en fréquence à bande de cohérence 𝑊𝐶 étroite , mais en FDM
l’efficacité spectrale est réduite à cause de l’ajout des bandes de garde entre chaque deux porteuse adjacentes comme illustrée dans la figure 2.5.On doit trouver une autre solution pour modulation multi-porteuse plus adéquate à base de la technique de multiplexage FDM mais avec une meilleure efficacité spectrale. C’est l’OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), une technique de modulation multi-porteuse qui divise la bande passante en sous fréquences multiples.
L’OFDM utilise également plusieurs sous-porteuse, mais celles-ci sont espacées les unes par rapport aux autres pour ne pas provoquer d’interférences, dans ce cas tous les transporteurs sont orthogonaux les uns aux autres pour éliminer les bandes de garde entre sous-porteuse adjacentes, les deux signaux périodiques sont orthogonaux lorsque l’intégrale de leur produit, sur une période, est égale à zéro. [06]
L’utilisation des résultats de l’OFDM permet d’économiser la bande passante comme on le voit sur la figure 2.5.
Figure 2.5 : comparaison de la bande passante entre OFDM et FDM. [22] 4.2 Notion d’orthogonalité :
La différence fondamentale entre les différentes techniques classiques de modulation multi-porteuses et l’OFDM est que cette dernière autorise un fort recouvrement spectral entre les sous-porteuses, ce qui permet d’augmenter sensiblement leur nombre ou d’amoindrir l’encombrement spectral. Cependant, pour que ce recouvrement n’ait pas d’effet néfaste, les porteuses doivent respecter une contrainte d’orthogonalité, à la fois dans les domaines temporel et fréquentiel. L’utilisation d’un très grand nombre de porteuses est une perspective presque effrayante : il faut sûrement beaucoup de modulateurs / démodulateurs et de filtres ? Il faut aussi davantage de largeur de bande. Il est heureusement simple de résoudre ces deux problèmes en spécifiant un espacement rigoureusement régulier de 𝑓𝑢 = 𝑇1
symbole pendant laquelle le récepteur intègre le signal démodulé. Les porteuses forment alors ce que les mathématiciens appellent un ensemble orthogonal (figure 2.6). [27]
Figure 2.6: N sous-porteuses orthogonales pour un système OFDM.[23]
En considérons tout d’abord le signal OFDM comme un simple multiplexage en fréquence, la 𝑘è𝑚𝑒 sous-porteuse (en bande de base) peut s’écrire sous la forme :
𝛹𝑘(t) = 𝑒𝑗𝑘𝑤𝑢𝑡 (2.1) Avec 𝑤𝑢 =2𝜋 𝑇⁄ . 𝑢
Les porteuses doivent satisfaire la condition d’orthogonalité
∫𝜏𝜏+𝑇𝑢𝛹𝑘(𝑡)𝛹𝑙∗ (𝑡) = {0 𝑠𝑖𝑘 ≠ 𝑙𝑇
𝑢𝑠𝑖𝑘 = 𝑙 (2.2)
Donc, cette contrainte est une condition d’orthogonalité pour les fonctions 𝛹𝑘(t), et les fonctions 𝛹𝑘(t) forment une base orthogonale de l’espace-temps-fréquence, ce qui permet de retrouver facilement les symboles et autorise donc un recouvrement spectral sans perte de l’information. [27]
4.3 Préservation de l’orthogonalité (Intervalle de garde) :
Une même suite de symbole arrivant à un récepteur par deux chemins différents se présente comme une même information arrivant à deux instants différents, elles vont donc s’additionner provoquant ainsi les deux types de défauts suivants :
• L'interférence intra symbole : Addition d'un symbole avec lui-même légèrement déphasé.
• L'interférence inter symbole : addition d'un symbole avec le suivant plus le précédant légèrement déphasé.
Entre chaque symbole transmis, on insère une zone "morte" appelée intervalle de garde.
De plus, la durée utile d'un symbole sera choisie suffisamment grande par rapport à l'étalement des échos. Ces deux précautions vont limiter l'interférence inter symbole.
La durée 𝑇𝑢 pendant laquelle est émise l’information diffère de la période symbole 𝑇𝑠 car il faut prendre en compte, entre deux périodes utiles, un “temps de garde“ 𝑇𝑔qui a pour but d’éliminer l’ISI qui subsiste malgré l’orthogonalité des porteuses. Pour que cet intervalle de garde soit efficace, sa durée doit être au moins égale à l’écho non négligeable le plus long (celui qui a le retard maximal). Entre la période symbole, la période utile et l’intervalle de garde s’instaurent donc la relation :
𝑇𝑠 = 𝑇𝑢 + 𝑇𝑔
Le temps de garde, s’il peut être un intervalle de garde "blanc" pendant lequel on n’émet rien, est plus généralement une copie de la fin de la trame OFDM. Si cette méthode est efficace pour lutter contre l’ISI, elle pénalise cependant sensiblement le débit de transmission, et certains systèmes OFDM profitent des progrès dans le domaine de l’égalisation pour s’en affranchir. [27]
Figure 2.7: Intervalle de garde (Préfixe cyclique).[24]
La figure 2.7 illustre l’adjonction d’un intervalle de garde. La période du symbole est prolongée de manière à être supérieure à la période d’intégration𝑇𝑢.
Toutes les porteuses étant cycliques à l’intérieur de𝑇𝑢, il en va de même pour l’ensemble du
signal modulé.
Le segment ajouté au début du symbole pour former l’intervalle de garde est donc identique au segment de même longueur à la fin du symbole.
Tant que le retard d’un trajet par rapport au trajet principal (le plus court trajet) est inférieur à l’intervalle de garde, les composantes du signal à l’intérieur de la période d’intégration viennent toutes du même symbole : Le critère d’orthogonalité est satisfait. Les brouillages ICI (Inter Code Interférence) et ISI (Inter Symbol Interférence) ne se produisent que lorsque le retard relatif est plus long que l’intervalle de garde.
La longueur de l’intervalle est choisie de manière à correspondre au niveau de trajets multiples prévu.
Elle ne devrait pas représenter une trop grande partie de 𝑇𝑢 , pour ne pas sacrifier trop de capacité en données (et de rendement spectral). Pour la DAB, on utilise un intervalle de garde d’environ 𝑇𝑢/4 la DVB comporte d’avantage d’options, la plus grande étant 𝑇𝑢/4. Pour accepter des retards très longs (comme pour les « trajets multiples artificiels » d’un réseau SFN), 𝑇𝑢doit donc être étendue, couvrant des centaines, voire des milliers de porteuses. [26]
Figure 2.8 : Intégration du signal avec intervalle de garde.[25]
Les signaux, arrivant de différents trajets, peuvent s’ajouter de manière constructive ou destructive. En fait, il est possible de montrer que le signal démodulé à partir d’une porteuse donnée est très similaire au signal émis : il est simplement multiplié par la réponse fréquentielle équivalente du canal (à propagation par trajets multiples) sur la même fréquence porteuse.
4.4 Génération des symboles OFDM :
Les systèmes OFDM transmettent les données par blocs (symboles OFDM). Chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les fréquences centrales 𝑓𝑘 sont espacées d’un compte d’un multiple de l’inverse de la période de symbole :
Les données d’entrée d’un système OFDM sont sous la forme d’un flux binaire mis en série. Des symboles complexe c sont, ensuite, définis à partir de ces éléments binaires selon une constellation typiquement de la modulation BPSK, QPSK ou QAM. Cela entraine une réduction du débit binaire initial R à une quantité égale à 𝑅
log2𝑀 , M c’est la taille de la constellation.
Les données passent dans un buffer permettant de les convertir de série en parallèle. Après cela, elles sont converties au domaine temporel à l’aide d’une transformée de Fourier inverse discrète (IDFT) ou rapide (IFFT). La IDFT (ou IFFT) accomplit cette transformation en préservant l’orthogonalité entre les différentes sous-porteuses. Cette étape s’appelle la modulation OFDM. [27] 4.5 Principe de la modulation :
Le principe du multiplexage en fréquence est de grouper des données numériques par paquets de N, qu’on appellera symbole OFDM et de moduler par chaque donnée une porteuse différente en même temps.
Considérons une séquence de N données𝑆0 ,𝑆1 …………..𝑆𝑁−1.
Appelons 𝑇𝑠 la durée symbole c'est-à-dire le temps qui sépare 2 séquences de N données. Chaque donnée 𝑐𝑘 module un signal à la fréquence 𝒇𝒌 .
Le signal individuel s’écrit sous forme complexe : 𝒄𝒌𝒆𝟐𝒋𝝅𝒇𝒌𝒕. (2.4)
Le signal s(t) total correspondant à toutes les données d’un symbole OFDM est la somme des signaux individuels :
S(t) = ∑𝑵−𝟏𝒄𝒌𝒆𝟐𝒋𝝅𝒇𝒌𝒕.
𝑲=𝟎 (2.5)
Le multiplexage est orthogonal si l’espace entre les fréquences est 1 𝑇⁄ 𝑆 Alors 𝑓𝑘 = 𝑓0 + 𝑇𝑘 𝑠 et S(t) = 𝑒 2𝑗𝜋𝑓0t∑ 𝑐 𝑘𝑒2𝑗𝜋 𝑘 𝑇𝑠𝑡. 𝑁−1 𝐾=0 (2.6)
