Cycle de formation des ingnieurs en Tlcommunications Option : Ingnierie des Rseaux (IRES) Rappor tde Pr oj etde f i n dt udes Thme : Etude et dimensionnement dun rseau WiMAX dans un concept IMS Etude de cas Tunisie Tlcom Ralis par : Haouas Mohamed Wajih Encadr par: M. Jamel Sakka M. Rached Hamza Travail propos et ralis en collaboration entre : Anne universitaire : 2006/2007 Ddicaces A mon pre Salah et ma mre Wahida Aucun hommage ne pourrait tre la hauteur de l'amour Et de l'affection dont ils ne cessent de me combler. Qu'ils trouvent dans ce travail Un Tmoignage de mon profond amour et ternelle reconnaissance. Que Dieu leur procure bonne sant et longue vie. A mon frre Haithem et ma sur Jihene A mon cher oncle Mohamed et ma tante Najet A tous ceux qui mont aid afin de raliser ce travail, Et tous ceux que jaime et qui maiment Je ddie ce travail Haouas Mohamed Wajih i Remerciements Cestundevoirbienagrablequedevenirrendrehommage,autermedecetravail,ceux sans lesquels il naurait pas pu tre ralis. Au terme de ce modeste travail que jespre avoir russi, je tiens adresser mes remerciements lesplussincresMr.RACHEDHAMZA,MatreAssistantSupCom,pourson encadrement,sadisponibilitetsesconseilsfructueuxquilmaprodiguslelongdemon projet. JetiensenoutreremercierMr.JAMELSAKKAingnieuretchefdivisionTunisie Tlcompourlattentionquilabienvouluaccorderauprojetdefindtudes,auxdiverses tapes de son laboration, et pour son estimable aide et ses prcieux conseils. JevoudraisaussiadressermesplusvifsremerciementsMr.AHMED SAHNOUN, MobilePoductManager chezHuawei,pourmavoiraid,conseillet dirig tout au long du projet. Sa disponibilit et son suivi mont t dun grand apport. Jenemanqueraispasdesaluertousceuxquiontdeprsoudeloinparticip laccomplissement de ce travail. ii Rsum Loprateur Tunisie Tlcom a toujours opt pour des choix stratgiques concernant la modernisation de son rseau afin de permettre son volution rapide vers le monde de nouvelle gnration des tlcommunications et danticiper les nouveaux besoins de ses abonns tout en leur proposant les meilleurs services. Pourrpondrecesnouveauxbesoins,TunisieTlcomachoisidedployerl'IMS (IPMultimediaSubsystem)surl'ensembledesonrseauetdintroduireleWiMAXcomme unnouveaurseaudaccspermettantdoffrirdesserviceshaut-dbtetdenouvelles applications telles que le transport, la collecte et la desserte. LestravauxmensdanslecadredeceprojetontcernltudedunrseauWiMAX dansunconceptIMSainsiquelesrglesdingnieriepourledimensionnementradioetdes entits IP. Suitecettetude,unoutildedimensionnementmultitcheatdveloppet appliqu pour la planification radio de la zone de Sfax ainsi que lors de la migration vers une architecture IMS de Tunisie Tlcom Mots cls WiMAX, ADSL, IMS, MGCF, CSCF, MGW, dimensionnement, bilan de liaison, modle de propagation, modle de trafic. iii Table des matires Introduction gnrale............................................................................................................... 1 Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX............................................................ 3 I.Introduction.................................................................................................................... 4II.WiMAX : volution des standards ............................................................................. 4 III.Etude de la technologie WiMAX............................................................................... 61. Architecture en couche de la norme 802.16. .................................................................. 6 1.1La couche MAC.................................................................................................... 7 1.2La couche physique............................................................................................... 8 1.2.1 Les techniques de multiplexage ...................................................................... 8 a.Le multiplexage par rpartition orthogonale de frquence .......................... 8 b.LOFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ................ 11 1.2.2 Les techniques de duplexage......................................................................... 14 a.FDD : Frequency Division Duplex ............................................................ 14 b.TDD : Time Division Duplex..................................................................... 14 1.2.3. MIMO : Multiple Imput Multipe Output ...................................................... 15 1.2.4.Modulation adaptative................................................................................... 16 2. Architecture en couche de la norme 802.16e ou WiMAX mobile............................... 17 2.1La couche Physique............................................................................................. 17 2.2La couche MAC.................................................................................................. 17 2.2.1 Contrle de puissance.................................................................................... 17 2.2.2 Hand Over ................................................................................................ 18 2.2.3 La scurit ..................................................................................................... 19 2.2.4 La qualit de service...................................................................................... 19 IV.Architecture du rseau WiMAX .................................................................................. 20 1. Le sous systme radio : Accs Service Network (ASN) .............................................. 21 2. Le CSN : Connectivity Service Network ..................................................................... 21 3. Les principaux quipements du rseau......................................................................... 22 V.Applications des rseaux WiMAX........................................................................... 23 iv 1. La desserte avec WiMAX............................................................................................ 232. La collecte avec WiMAX............................................................................................. 23 3. WiMAX une technologie pour les rseaux mtropolitains .......................................... 24 4. Connecter les endroits inaccessibles ............................................................................ 24 5. Autres atouts................................................................................................................. 25 VI.Conclusion................................................................................................................ 25 Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX................................................................. 27 I.Introduction.................................................................................................................. 28 II.Modles de propagation ............................................................................................... 281. Rle des modles de propagation................................................................................. 28 2. Types de modles de propagation................................................................................ 28 2.1Le modle de propagation Free-Space................................................................ 29 2.2Le modle SUI ( ou modele IEEE 802.16)........................................................ 30 2.3Le modle dErceg .............................................................................................. 32 2.4Le modle Cost 231 Hata.................................................................................... 34 III.Bilande liaison........................................................................................................ 341. Dfinition et utilit ....................................................................................................... 34 2. Elaboration du bilan de liaison..................................................................................... 35 3. Porte et dbit dans une cellule.................................................................................... 38 4. Nombre de stations de bases ........................................................................................ 42 IV.Conclusion................................................................................................................ 42 Chapitre III : Interconnexion WiMAX-IMS et dimensionnement cur du rseau ........ 43 Partie I : Interconnexion WiMAX-IMS ............................................................................... 44I.Introduction.................................................................................................................. 44 II.Aperu sur IMS: IP Multimedia Subsystem................................................................ 44 1. Architecture de lIMS................................................................................................... 44 2. Entits du rseau IMS .................................................................................................. 46 2.1Terminal IMS...................................................................................................... 46 2.2Home subscriber Server HSS.............................................................................. 46 2.3Le Media Gateway .............................................................................................. 46 v 2.4Le MGCF (Media Gateway Control Function) ou softswitch ............................ 47 2.5Call state Control Function ................................................................................. 47 3. Les services qui peuvent tre offerts grce IMS ....................................................... 49 III.Interconnexion WiMAX-IMS et protocoles dans IMS................................................ 49 Partie II : Dimensionnement dun rseau IMS..................................................................... 52 I.Introduction.................................................................................................................. 52 II.Dimensionnement......................................................................................................... 52 1. Modle de trafic du rseau daccs .............................................................................. 52 2. Les classes de services ................................................................................................. 52 2.1La classe conversationnelle................................................................................. 53 2.2La classe flux continu (Streaming)................................................................... 53 2.3La classe interactive ............................................................................................ 53 2.4La classe Background.......................................................................................... 54 3. Modlisation du trafic .................................................................................................. 55 3.1Modle de trafic de la classe conversationnelle.................................................. 55 3.2Modle de trafic de la classe Streaming.............................................................. 55 3.3Modle de trafic de la classe interactive ............................................................. 56 3.4Modle de trafic de la classe Background........................................................... 56 4. Evaluation du trafic du rseau daccs......................................................................... 56 4.1.Dtermination du nombre dabonns par technologie daccs ........................... 56 4.2Calcul du trafic gnr par les rseaux daccs................................................... 58 4.3Organigramme..................................................................................................... 61 5. Processus de dimensionnement .................................................................................... 61 5.1.Hypothses .......................................................................................................... 61 5.2.Dimensionnement du MGW............................................................................... 61 5.3.Dimensionnement du MGCF .............................................................................. 62 5.4.Dimensionnement du CSCF................................................................................ 63 III.Conclusion.................................................................................................................... 64 Chapitre IV : Dveloppement dun outil de dimensionnement WiMAX et IMS et tude de cas de Tunisie Tlcom..................................................................................................... 65 IIntroduction.................................................................................................................. 66 vi II.Conception et dveloppement ...................................................................................... 66 1. Environnement de dvloppement ............................................................................... 66 2. Conception de loutil .................................................................................................... 67 3. Dimensionnement radio et Interface utilisateur ........................................................... 71 3.1.Bilan de liaison.................................................................................................... 71 3.2Choix des paramtres de propagation et type de terrain ..................................... 72 3.3Rsultats du dimensionnement............................................................................ 72 3.4Capacit de la cellule........................................................................................... 73 3.5Vrification du respect de la capacit de la zone ................................................ 75 4. Dimensionnement Core IMS........................................................................................ 76 4.1.Spcification des paramtres gnraux ............................................................... 76 4.2.Spcification des modles de trafic data ............................................................. 76 4.3.Configuration des paramtres de la zone couvrir ............................................. 77 4.3.1 Quest ce quune zone ? ................................................................................ 77 4.3.2 Etapes de configuration des paramtres de la zone....................................... 77 4.4.Rsultats du dimensionnement............................................................................ 80 4.4.1 Nombre dabonns et trafic tstim .............................................................. 80 4.4.2 Charges des MGW, MGCF et CSCF ............................................................ 81 III.Etude de cas : Tunisie Tlcom.................................................................................... 81 1. Dimensionnement radio WiMAX................................................................................ 81 1.1Stratgie adopte : coexistance WiMAX-ADSL ................................................ 81 1.2Dimensionnement dun rseau WiMAX pour la ville de Sfax ........................... 82 2. Dimensionnement Core Network................................................................................. 86 2.1Stratgie de Tunisie Tlcom.............................................................................. 86 2.2Paramtres gnraux de dimensionnement ......................................................... 87 2.3Les modles de trafic data................................................................................... 89 2.4Les modles de trafic des rseaux en mode circuit ............................................. 90 2.5Taux dactivit des services ................................................................................ 90 2.6Rsultats et analyses............................................................................................ 91 IV.Recommandations ........................................................................................................ 94 V.Conclusion.................................................................................................................... 95 Conclusion gnrale ............................................................................................................... 96 Bibliographie........................................................................................................................... 99 Annexe................................................................................................................................... 101 vii Liste des figures Figure I.1 : LOS & NLOS.......................................................................................................... 6 Figure I.2 : Couches protocolaires du 802.16 ............................................................................ 6 Figure I.3 : Diffrence entre la modulation mono porteuse et lOFDM.................................... 8 Figure I.4 : Transmission des donnes par bloc dans lOFDM.................................................. 9 Figure I.5 : Diffrence entre les signaux SC et OFDM reus .................................................... 9 Figure I.6 : Composants frquentiels (ou sous porteuses) du symbole OFDM-256................ 10 Figure I.7 : Dscription frquentielle de lOFDMA ................................................................ 11 Figure I.8 : Exemple de slot dans lOFDMA........................................................................... 12 Figure I.9 : Trames OFDMA avec diffrentes zones de prmutations .................................... 12 Figure I.10 : Structure dune trame OFDMA pour la technologie WiMAX............................ 13 Figure I.11 : Allocation des sous porteuses pour lOFDMA et lOFDM................................ 14 Figure I.12 : FDD..................................................................................................................... 14 Figure I.13 : TDD..................................................................................................................... 15 Figure I.14 : Adaptation des time slots .................................................................................... 15 Figure I.15 : Schma simplifi dun systme MIMO............................................................... 16 Figure I.16 : Couche physique adaptative................................................................................ 16 Figure I.17 : Similitude entre larchitecture du rseau WiMAX et celle UMTS..................... 21 Figure I.18 : La dcomposition de lASN................................................................................ 21 Figure I.19 : Architecture du rseau WiMAX.......................................................................... 22 Figure I.20 : La desserte avec WiMAX................................................................................... 23 Figure I.21 : La collecte avec WiMAX.................................................................................... 24 Figure II.1 : Equilibrage des liens montants et descendants .................................................... 35 Figure II.2 : Les diffrentes pertes de chemin selon le type de terrain .................................... 38 Figure II.3 : Dbit en fonction de la porte.............................................................................. 41 Figure III.1 : Architecture en couche du rseau IMS............................................................... 45 Figure III.2 : Interconnexion entre le rseau daccs WiMAX et le rseau cur IMS............ 49 Figure III.3 : Interconnexion WiMAX-IMS et les protocoles mis en jeu................................ 50 Figure III.4 : Dimensionnement du MGW............................................................................... 62 Figure IV.1 : Diagramme de cas dutilisation.......................................................................... 71 Figure IV.2 : Paramtres du milieu de propagation ................................................................. 72 viii Figure IV.3 : Aperu de la fentre principale........................................................................... 73 Figure IV.4 : Fentre princpale et capacit dune cellule WiMAX......................................... 74 Figure IV.5 : Densification du rseau ...................................................................................... 76 Figure IV.6 : Paramtres gnraux........................................................................................... 76 Figure IV.7 : Spcification du modles de trafic data.............................................................. 77 Figure IV.8 : Spcification des paramtres de la zone............................................................. 78 Figure IV.9 : Configuration des paramtres des abonns GSM et POTS................................ 79 Figure IV.10 : Spcification des paramtres du codeur audio ................................................. 79 Figure IV.11 : Rsultats des nombres dabonns et des trafics................................................ 80 Figure IV.12 : Fentre de dimensionnement du MGW, MGCF et CSCF................................ 81 Figure IV.13 : Variation des dbits de lADSL et ADSL2+ en fonction de la distance et champ daction du WiMAX..................................................................................................... 82 Figure IV.14 : Architecture IMS propose............................................................................... 86 Figure IV.15 : Rpartition des abonns ADSL et POTS.......................................................... 88 Figure IV.16 : Rpartition des abonns mobile........................................................................ 88 Figure IV.17 : Rpartition des abonns WiMAX .................................................................... 89 Figure IV.18 : Taux dactivit des services par zone............................................................... 91 Figure IV.19 : Trafic achemin par MGW............................................................................... 92 Figure IV.20 : Couche physique pour le 802.16d et 802.16e................................................... 94 ix Liste des tableaux Tableau I.1 : Les diffrentes normes 802.16x............................................................................ 5 Tableau I.2 : Classes de services et applications associes...................................................... 20 Tableau II.1 : Valeur des constantes a,b et c selon le type du terrain ...................................... 31 Tableau II.2 : Paramtres de validit du modle Hata-Okumura............................................. 32 Tableau II.3 : Paramtres du bilan de liaison........................................................................... 36 Tableau II.4 : Exemple de bilan de liaison............................................................................... 37 Tableau II.5 : Paramtres du modle de propagation............................................................... 37 Tableau II.6 : Rsultats de planification................................................................................... 38 Tableau II.7 : Les valeurs de la sensibilit et du dbit selon la modulation............................. 39 Tableau II.8 : Paramtres de lquation de laffaiblissement................................................... 40 Tableau II.9 : Paramtres de propagation................................................................................. 41 Tableau III.1 : Les classes de services et leurs caractristiques............................................... 54 Tableau III.2 : Rpartition des abonns par service................................................................. 57 Tableau III.3 : Services utiliss par chaque technologie.......................................................... 57 Tableau IV.1 : Dbit et score MOS par codec ......................................................................... 74 Tableau IV.2 : Rpartition des abonns par classe dans une cellule........................................ 75 Tableau IV.3 : Nombres dabonns par cellule et zone ........................................................... 75 Tableau IV.4 : Paramtres gnraux ........................................................................................ 83 Tableau IV.5 : Paramtres des antennes utilises pour le dimensionnement........................... 84 Tableau IV.6 : Rsultats de dimensionnement......................................................................... 84 Tableau IV.7 : Rpartition des abonns par classe................................................................... 84 Tableau IV.8 : Rpartition des abonns par cellule ................................................................. 85 Tableau IV.9 : Capacit et couverture...................................................................................... 85 Tableau IV.10 : Modles de trafic data.................................................................................... 89 Tableau IV.11 : Modles de trafic des rseaux en mode circuit .............................................. 90 Tableau IV.12 : Rpartition des abonns par zone................................................................... 91 Tableau IV.13 : Trafic achemin par zone............................................................................... 92 Tableau IV.14 : Rpartition des abonns par domaine ............................................................ 93 x Liste des organigrammes Organigramme III.1 : Dmarche de calcul du trafic total achemin........................................ 61 Organigramme IV.1 : Dimensionnement du nombre de cellules WiMAX par zone............... 67 Organigramme IV.2 : Calcul du nombre dabonns par catgorie dans une cellule WiMAX 68 Organigramme IV.3 : Couverture et capacit .......................................................................... 69 Organigramme IV.4 : Dimensionnement du cur du rseau IMS........................................... 70 xiAcronymes AH ADSLAsymetric Digital Subscriber LineHSSHome Subscriber Server AMCAdvanced Modulation and Coding ASNAcces Service NetworkI ASN-GWAcces Service Network GatewayI-CSCFInterrogating CSCF ATMAsynchronous Transfer ModeIMSIP Multimedia Subsystem BL BEBest EffortLOSLight of Sight BSBase Station M CMACMedia Acces Control CDRCall Detailed RecordMGCMedia Gateway Controller CPSCommon Part SublayerMGCFMedia Gatway Control Function CPECustomer Premise EquipementMGWMedia Gateway CSConvergence SublayeMIMOMultiple Imput Multipe Output CSCFCall State Control FunctionMSMobile Station CSNConnectivity Service Network N DNGNNext Generation Network DSLDigital Subscriber LineNLOSNon Light of Sight E EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution NRTPSNon-Real-Time Polling Service ERTPSExtended Real Time Pooling ServiceO OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing F FDD FFT Frequency Division Duplex Fast Fourrier Transform OFDMAOrthogonal Frequency Division Multiple Access FTPFile Transfer ProtocolP FUSCFull Usage of SubchannelsP-CSCFProxy CSCF GPSPrivacy Sublayer GSMGlobal System for Mobile communicationPUSCPartial Usage of Subchannels xiiIntroduction gnrale Q QoSQuality of Service R RTPSReal Time Pooling Service S S-CSCFServing CSCF SCSingle Carrier SSSubscriber Station SSCSService Specific Convergence Sublayer T TDDTime Division Duplex TUSCTile Usage of Subchannels U UGSUnsolicited Grant Service UMTSUniversal Mobile Telecommunication System V VoIPVoice Over IP W Wi-fiWireless Fidelity WiMAXWorldWide Interoperability for Microwave Access WMANWireless Metropolitan Area Network xiiiIntroduction gnrale Introduction Gnrale DenosjourslademandedeconnexionsInternethautdbitsefaitcroissante, conjointementlesaccsdetypeADSLsemultiplient,maiscestechnologiesprsentent certaines limites relatives aux dbits et la porte, et ne permettent pas la souplesse quoffre une connexion sans-fil. En fait il existe aujourd'hui de nombreuses technologies sans fil standardises, chacune prsenteunquilibreentrediffrentsfacteurs(porte,dbit,capacit,services,niveau dinterfrences...).WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)estune alternative pour des connexions sans-fil haut dbit sur des zones de couverture de plusieurs kilomtres, permettant des usages en situation fixe ou en mobilit. C'est surtout un ensemble de standards en cours de conception, qui porte beaucoup de promesse dans le futur. Avec une grandecouverture,unegrandeefficacitspectraleetundbitimportant,leWiMAX reprsenteunevraiealternativedessystmesncessitantdesconnectionscbles,comme lADSL par exemple.LesapplicationspotentiellesduWiMAXsontnombreuses,maisplusieursdeceux-ci ne sont pas encore connues. L'avantage majeur de cette technologie est de fonctionner sur un rseauIP.TouteslesapplicationsIPsontdoncenvisageables(VoixsurIP,Vidola demande,Pushtotalk,etc).Cependantlespropositionsdoffresdeservicesmultimdias temps-rel comme la voix et la vido sur WiMAX demandent la mise en place de mcanisme deQoSauniveaucurdurseau.Ainsi,pourrpondrecebesoin,ilfautsoitaccrotrela capacit des rseaux des tlcommunications existants, soit implanter de nouveaux rseaux. GrcelintroductiondelIMS(IPMultimediaSubsystem),ilestpossibledassurer un contrle dynamique de la QoS pour le service demand. En effet L'IMS permet de disposer d'uneplateformeuniquecapabledegrerungrandnombred'applicationsmultimdiaavec unetrsbonnequalitdeservicesurlesrseauxdecircuitsetdepaquets,etentrelerseau fixe et le rseau mobile. SachantqueTunisieTlcomestentraindemigrerversunearchitectureIMSet quelleaobtenueunelicencedexploitationdelatechnologieWiMAX,cettedernire technologiepeuttrsbienconvenircetoprateurquisouhaiteoffrirunaccsInternethaut 1 dbitdequalitpartoutosetrouvelademandesanspourautantavoirreprendredes tronons de rseau qui n'offrent pas en ce moment la qualit requise. Cestdanscecontextequesinscritlobjectifdenotreprojetdefindtudespropos danslecadredunecollaborationentrelcoleSuprieuredesCommunicationsdeTunis (SupCom), d'une part et loprateur Tunisie Tlcom et le constructeur Huawei d'autre part. Dansceprojetnousprocderons,dansunpremiertemps,unetudedtaillede larchitecturedelatechnologieWiMAXainsiqusesdiffrentesapplications,ensuitenous aborderons les tapes de sa planification radio et les rgles de dimensionnement des entits du curdurseauIMS .Finalementnousallonsconcevoiretdvelopperunoutilde dimensionnement que nous allons employer dans ltude de cas de Tunisie Tlcom.

Le prsent rapport est organis en quatre chapitres : Lepremierchapitre,seraconsacrdaborduneprsentationgnralepuisdtaille duWiMAXenexplorantlesspcificits des couches Physique et MAC ainsi que les diffrentestechniquesutilises.Onprsenteragalementlarchitectureduntelrseauetles applications que cette norme peut offrir Le second chapitre traitera du processus de dimensionnement radio. Nous prsenterons lestapesdeplanificationradioenprcisantlesdiffrentsmodlesdepropagation susceptiblesdtreutilissetendtaillantleprocessusdeplanificationradio.Unetudedu bilan de liaison sera effectue afin de dterminer la porte maximale dune cellule WiMAX. Le troisime chapitre sera scind en deux parties : La premire donnera un aperu sur lIMSetsoninterconnexionaveclerseaudaccsWiMAXtandisquedansladeuxime partieonsintresseraauxrglesdingnieriededimensionnementdescapacitsdesentits durseaucurdelIMSentenantcomptedautrestechnologiesdaccssupplmentaires telles que : lADSL, lUMTS, lEDGE, le GSM et la tlphonie classique. Lequatrimechapitreseraconsacr,dansunepremiretape,laconceptionet dveloppement de loutil de dimensionnement dun rseau daccs WiMAX et du rseau cur IMS, puis dans une deuxime tape une tude de cas de Tunisie Tlcom pour aboutir enfin une liste de recommandations. 2Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Chapitre I Le rseau daccs large bande WiMAX 3Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX I.Introduction WiMAXouWorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess,estunenorme techniquedveloppeparleconsortiumWimaxForumetbasesurlestandardde transmissionradio802.16,validen2001parl'organismeinternationaldenormalisation IEEE.PourfairesimpleleWiMAXressembleauWi-Fimaisavecdesperformances nettement suprieures en de nombreux points. PlusieursstandardsrelventdutermeWiMAX :lesplusavancsconcernentles usages ensituationfixe(leclient nebouge pas),maisuneversionmobile(connexionhaut dbitensituationdemobilit)estentraindevoirlejouretquipourobjectifdtendre WiMAXdesmachinesterminalesmobiles,impliquantdonclapossibilitderaliserdes connexions xDSL sans fil vers des mobiles. Pourmieuxcomprendrecettetechnologie,cechapitreseraddiuneprsentation gnraledelanorme,enexposantlesdiffrentsstandardsWiMAX,puisdtailleen explorant larchitecture en couches et les diffrentes technologies utilises dans ce rseau. On illustreraaprslesdiffrentesapplicationsquecettenormepeutsatisfairefaceauxrseaux traditionnels. II.WiMAX : Evolution des standards UndesobjectifsfondateursduWiMAXForumestlarecherchedel'interoprabilit : elleestobtenueparlesvoiesdelanormalisationetdelacertification,etestundesenjeux majeursduWiMAX,commeellel'at,avecunassezbonsuccs,pourleWi-Fi.C'estun enjeud'autantplusimportantquelestandard802.16dfinipourunelargebandede frquences, de 2 66 GHz, dans laquelle on trouve des technologies existantes, comme le Wi-Fi, et qui autorise des dbits, des portes et des usages trs varis. LetableausuivantmontrebienqueWiMAXrunitplusieursstandards,tousdes tats d'avancement diffrents, qui sont autant d'axes de travail du groupe IEEE 802.16. StandardDescriptionPubliStatut IEEE std 802.16-2001 Dfinit des rseaux mtropolitains sans fil utilisant des frquences suprieures 10 GHz (jusqu' 66 GHz) 8 avril 2002Obsoltes 4Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX IEEE std 802.16c-2002 Dfinit les options possibles pour les rseaux utilisant les frquences entre 10 et 66 Ghz. 15 janvier 2003 IEEE std 802.16a-2003 Amendement au standard 802.16 pour les frquences entre 2 et 11 GHz. 1er avril 2003 IEEE std 802.16-2004 (galement dsign 802.16d) Il s'agit de l'actualisation (la rvision) des standards de base 802.16, 802.16a et 802.16c. 1er octobre 2004 IEEE std 802.16.2 Interoprabilit entre toutes les solutions 802.16 17 Mars 2004 ActifsIEEE 802.16e (galement dsign IEEE std 802.16e-2005) Apporte les possibilits d'utilisation en situation mobile du standard, jusqu' 120km/h. 7 dcembre 2005 IEEE 802.16f Spcifie la MIB (Management Information Base), pour les couches MAC et PHY22 janvier 2006 En cours Tableau I.1 : Les diffrentes normes 802.16x Les rvisions du standard IEEE 802.16 se dclinent en deux catgories : WiMAXfixe/rsidentiel(802.16-2004) :destinunusagefixe,dudomicile l'antenne relais et oprant dans des bandes de frquences de 2.5 GHz et 3.5 GHz (avec licence d'exploitationobligatoire)et5.8GHz(bandelibre).Ledbitmaximumthoriqueestde75 Mbit/s pour une porte de 50 70 kilomtres sans obstacles. WiMAXmobile/nomade(802.16e) :prvoitlapossibilitdeconnecterdesclients mobiles au rseau Internet. Le WiMAX mobile ouvre ainsi la voie la tlphonie mobile sur IP ou plus largement des services mobiles haut dbit. Le dbit maximum thorique est de 30 Mbit/s pour une porte de 2 4 kilomtres sans obstacles. La porte, les dbits, et surtout la ncessit ou non d'tre en ligne de vue de l'antenne mettrice,dpendentdelabandedefrquenceutilise.Danslabande11-66 GHz,les connexions se font en ligne de vue: LOS (Line Of Sight), alors que sur la partie 2-11 GHz, le NLOS(NonLineOfSight)estpossiblenotammentgrcel'utilisationdelamodulation 5Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX OFDM. Ceci ouvre la voie des terminaux d'intrieur, facilement installables par l'utilisateur final car ne ncessitant pas l'installation d'antennes extrieures par un technicien agr. Figure I.1 : LOS & NLOS ActuellementlesstandardsWiMAXactifsouencoursdenormalisation,sontlimits auxfrquencesentre2et11Ghz.Selonlespays,lesbandesWiMAXsontsoitlibressoit soumises une licence. (Voir Annexe pour la rpartition des bandes de frquences pour le WiMAX dans le monde) III.Etude de la technologie WiMAX 1.Larchitecture en couches de la norme 802.16 La figure I.2 reprsente larchitecture de la norme IEEE 802.16. Figure I.2: Couches protocolaires du 802.16 [1] 6Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Lanorme802.16atdveloppeensuivantunearchitectureencouches.Elleest constitue de deux couches: une PHY (physique) et une MAC (Media Access Control).1.1.La couche MAC LacoucheMACprendenchargeletransportdescellulesATMmaisaussiceluides paquets IP, et joue un rle important dans la gestion de la qualit de service (QoS). Ellesappuiesur3sous-couches:unecouchedeconvergencespcifique(Service SpecificConvergenceSublayer:SSCS),unecouchecommune(MACCommonPart Sublayer: CPS), et une couche scurit (Privacy Sublayer : PS). +La couche SSCSLaSSCSfournittoutetransformationdedonnesoulemappagederseauxexternes reu par la CPS. Pour le raccordement de rseaux externes, la SSCS fournit 2 sous couches de convergence (CS : convergence sublayer ) :PourlesrseauxATM:ilsagitduneinterfacequiassocieles diffrents services ATM avec la couche MAC CPS. Pourlesrseauxbasedepaquet:ilestutilispourlemappagedetout protocole base de paquet, tels que Ethernet,et les protocoles Internet tels que IPv4, IPv6 Enplusdecesfonctionsbasiques,lessouscouchesdeconvergencepeuventaussi mettre en oeuvre des fonctions plus sophistiqus, telles que ladministration de la charge utile vialasuppressiondesenttes,puisleursreconstructionspouramliorerlefficacitdulien hertzien.+La couche CPSCette sous couche forme le noyau de la couche MAC, tant donn quelle contient les fonctions cls relatives au contrle du lien radio. La CPS fournit les rgles et les mcanismes daccs,lallocationdelabandepassante,etlamaintenancedelaconnexion.Ellereoitles donnesdessouscouchesdeconvergence.Enoutre,cestlasouscoucheCPSquigreles mcanismes de qualit de service (QoS). +La couche PSLa PS est le lien qui runit la couche MAC la couche physique (PHY). Elle fournit la scurit travers le rseau sans fil large bande en cryptant la connexion entre la station de baseetlabonnauservice.Deplus,lacouchePSestutilisepourlauthentificationet lchange de clefs de scurit. [1] 7Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX 1.2.La couche physique Lacouchephysiquepourlaspcification11-66GHZsebasesurunepropagation enlignedevue (LOS).Lesstationsquicommuniquentensemblesontvisiblelunede lautre_directement_sans_obstacles. Pour la spcification 2-11 GHZ, la couche physique a t implmente pour rpondre au cas olesstationscommuniquentennonlignedevue(NLOS),danslecasdes environnements urbains avec la prsence dobstacles entre deux stations.Pour rpondre ces spcifications, trois types dinterfaces de transmission ont t dfinies : -SC (Single Carrier): Elle dfini une transmission sur un seul canal de frquence. -OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing):cetteinterfaceutilise plusieursbandesdefrquencequellediviseenplusieursporteusespourla transmission dun signal. Chaque bande est utilise des fins diffrentes. -OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : similaire lOFDM, cetteinterfaceoffreunplusgrandnombredeporteusesdufaitdumultiplexage effectu sur la frquence. Danscequisuit,nousallonsaborderlesdiffrentestechniquesdemultiplexageet duplexagequipeuventtremisesenoeuvreauniveaudelacouchephysiquedelanorme 802.16. 1.2.1. Les techniques de multiplexage a.Le multiplexage par rpartition orthogonale de frquence Lanorme802.16-2004utiliselemultiplexageparrpartitionorthogonaledela frquence (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ou OFDM). Cest est une technique de modulation multi-porteuses base de transforme de Fourier rapide. Figure I.3 : Diffrence entre la modulation mono porteuse et lOFDM [1] 8Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Dunpointdevueimplmentationnumrique,lessystmesOFDMtransmettentles donnes par blocs: le flux originel de donnes de dbit R est multiplex en N flux parallles de dbit R/N. Il s'agit bien d'un multiplexage frquentiel puisque les donnes sont transmises sur N canaux diffrents. Afin deffectuer cette transmission, au lieu de transmettre les donnes ensriecommelefontlessystmesmono-porteuses(SingleCarrier),latechniqueOFDM consistetransmettrelesdonnesparbloc,ounvecteurdeNsymbolesdedonnesest transport par un seul symbole OFDM. Figure I.4 : Transmission des donnes par bloc dans lOFDM Grcelasparationorthogonaledesporteuses,ilestplusfacilelarceptiondefaire lgalisation des sous-porteuses chacune part, au lieu de faire lgalisation dun signal une porteuse unique. Figure I.5 : Diffrence entre les signaux SC et OFDM reus [1] LeWMAN-OFDMutiliselOFDM256porteuses.Lessymbolessortantdela constellationattaquentlIFFT(TransformedeFourrierInverse)etlepremiersymbolequi 9Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX sort de la modulation numrique doit tre port par la sous porteuse de donnes ayant le plus petit indice doffset. Chaquesousporteuseestrfrencieparunindicedoffsetindiquantsapositiondansle symbole (entre -128 et +127). Nous distinguons 3 types de sous porteuses : Sous porteuses de donnes (192 sous porteuses) Sous porteuses pilotes: pour des buts destimation (8 sous porteuses). Sousporteusesnulles:(56sousporteuses)pasdetransmission,pourlesbandesde garde (55 sous porteuses), et la sous porteuse DC. Figure I.6 : Composants frquentiels (ou sous porteuses) du symbole OFDM-256. Alors il y en a, en tout, 256 sous porteuses. Le DC est la frquence du signal portant le symbole OFDM, dindice doffset gale 0. Les sous porteuses de la bande de garde sont des porteusesnullesinsresaux2cotsdusymboleOFDM,pourluttercontrelephnomne CCI (Carrier to Carrier Interference). [2] Les avantages de la technique OFDM sont nombreux: 1. efficacit de lutilisation du spectre et de puissance (utilisation de N porteuses orthogonales trs proche lune de lautre) ; 2. grande immunit contre la propagation multi trajets, o certains symboles dune prcdente transmission peuvent arriver en retard -multi porteuses : si une frquence est affecte, cela ne va pas influer les autres. -insertion du temps de garde : si un symbole dune prcdente transmission arrive en retard d la propagation multi trajets, il entre en collision avec le CP du symbole actuel, et au fur et mesure que la taille du CP est suffisante, cette collision ne peut pas affecter le reste du symbole, o il y a les informations utiles ; 3.immunitcontrelinterfrenceentrelescanaux(insertiondesporteusesnulleschaque extrmit du symbole) ; 4. facilit de synchronisation, et destimation du canal grce aux sous porteuses pilotes. [3] 10Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Ladiffrencequeprsentelacouchephysiquedelanorme802.16eparrapportau 802.16-2004, rside dans lutilisation de lOFDMA comme technique de multiplexage. b.LOFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Cettetechnique-commelOFDM-utilise laIFFTpourgnrerunsymboleOFDMA contenant :desporteusesdedonnes,desporteusespilotes,etdesporteusesnullespourla bande de garde et la frquence DC. DanslatechniqueOFDMA,lessousporteusesactivessontdivisesendessous ensemblesdesousporteuses(subchannels).Danslesensdescendant(downlink),un subchannelpeuttreprvupourdiffrents(groupesde)rcepteurs;danslesensmontant (uplink),unmetteurpeutattribuerunouplusieurssubchannels,etplusieursmetteurs peuvent transmettre simultanment. Les sous porteuses formant un seul subchannel peuvent, mais nont pas besoin dtre adjacents. Le concept est illustr dans la Figure I.7. SubchannelsFigure I.7 : Description frquentielle de lOFDMA [4] LesymboleOFDMAestdivisendessouscanaux(subchannels)logiquesafin dattribuerlesressourcesradioauxutilisateursdunemaniredynamique,desupporter laccs multiple, et pour une meilleure adaptation aux techniques avances des antennes. Pour le downlink on dispose de deux modes dutilisation des subchannels : -FUSC(FullUsageofSubchannels):touslessubchannelssontattribuslmetteur, dans ce mode on attribue dabord les porteuses nulles de la bande de garde et les pilotes, ensuiteonfaitlapartitiondesporteusesrestantesendessubchannels(Lapartitiondes porteusesendessubchannelsestnommepermutation),celasignifiequonaunseul ensemble des pilotes commun toutes les porteuses du symbole. -PUSC (Partial Usage of Subchannels) : quelques subchannels sont attribus lmetteur. Danscemodelapartitionsefaitdelafaonsuivante:dabordonfaitattribuerles porteusesnullesdelabandedegarde,ensuiteonfaitlapartitiondessousporteuses restantes en des subchannels (permutation), et dans chaque subchannel on fait lattribution 11Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX des pilotes et des porteuses des donnes, cela signifie que chaque subchannel a son propre ensemble de porteuses pilotes. Pourluplink,onfaitlapermutationpremirement(partitionendessubchannels), ensuiteonfaitlattributiondesporteusespilotesetdesporteusesdonnesdanschaque subchannel. Dautrestypesdepermutationpeuventtreaussiutilises,dontonpeutciterlAMC (Advanced Modulation and Coding) qui consiste utiliser les sous porteuses adjacentes pour former les subchannels (peut tre utilis en uplink et en downlink) et le TUSC (Tile Usage of Subchannels) qui ne peut tre utilise quen downlink. Un slot dans lOFDMA est la plus petite unit dallocation des donnes possible. Pour quil soit bien dfini, il exige les 2 dimensions : temps et subchannels. La dfinition des slots OFDMA dpend de la structure du symbole OFDMA, qui varie pour luplink et le downlink, pourleFUSCetlePUSC,etpourlespermutationsdessousporteuses.Parexemplesion utilise le mode PUSC pour luplink avec une certaine permutation, le slot utilis est gal 1 subchannel x 3 symboles OFDM. Un exemple des slots physiques est illustr dans la figure I.8, o on montre 2 types de slots utiliss dans le downlink. Le changement du type du slot correspond au changement du mode dutilisation du canal (de PUSC FUSC). Figure I.8 : Exemple de slot dans lOFDMA Plusieursslotssontattribusunmmeutilisateurpourfairesatransmissiondes donnes, et les modes dutilisation des subchannels peuvent varier au sein dune mme trame OFDMA. Figure I.9 : trame OFDMA avec diffrentes zones de permutations. 12Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX La figure qui suit illustre un exemple dallocation des ressources dans le cas de lutilisation de lOFDMA. Figure I.10 : Structure dune trame OFDMA pour la technologie WiMAX [4] CettefigureillustrelastructuredunetrameOFDMApourunduplexagetemporel (TDD), subdivise en deux sous trames, une pour la liaison montante et lautre pour la liaison descendante, les deux spares par un intervalle de garde. Les diffrents champs de la trame sont [4] : Premabule : Ce champ est utilis pour la synchronisation, et se situe au dbut de la sous trame de la liaison descendante (cest le premier symbole OFDM). FrameControlHead(FRH) :Cechampsuitlaprambuleetapourrle dassurerlesinformationsdeconfigurationdelatrame(parexemple,la longueur du message MAP, les subchannels quon peut utiliser) DL-MAP et UL-MAP : Assurent lallocation des subchannels. ULRanging :CechampestallouauxMSs(MobileStation)pourleur permettre dajuster leurs frquences, leurs puissances ainsi que leurs demandes en besoin de bande passante. ULCQICH :AllouauxMSspourleurpermettrederenvoyerles informations concernant ltat du canal. UL ACK : Pour acquitter une demande de DL-HARQ. AveclOFDM,lesutilisateurstransmettentenutilisantlatotalitdelespacedes porteusespendantuntimeslot.Cependant,OFDMApermetauxutilisateursdetransmettre seulement travers les sous canaux qui leurs sont allous. 13Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Figure I.11 : Allocation des sous porteuses pour lOFDMA et lOFDM 1.2.2. Les techniques de duplexage LeWiMAXutilisedeuxtypesdeduplexage :FrequencyDivisionDuplex(FDD)et Time Division Duplex (TDD). Chacun deux prsente des avantages et des inconvnients, qui pourront orienter le choix du type de duplexage. a.FDD : Frequency Division Duplex LutilisationdelamthodeFDDncessitelattributiondunefrquencediffrenteau canal metteur et au canal rcepteur. Ce mcanisme est trs coteux, cest pourquoi une mthode hybride est utilise par le WiMAX. Celle-ci est appele HFDD (half-duplex FDD). La principale diffrence entre cette mthodeetleFDDestlutilisationdediffrentesfrquencespourmettreetrecevoirles donnes de la part dune station de base. Figure I.12 : FDD b.TDD : Time Division Duplex LamthodeTDDconsisteutiliserunseulcanalpourtransmettrelesinformations aussi bien sur le lien montant que sur le lien descendant. Lmission des donnes utilisera la mme frquence ; la distinction entre le lien montant et le lien descendant est effectue grce au temps.14Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Figure I.13 : TDDLe mcanisme TDD divise les donnes en deux trames auxquelles diffrents time slots sontassigns.Cettedcoupepermetdeuxtypesdetransmissionsenutilisantlamme frquence.Un systme TDD peut diviser le canal entre les 2 sens downlink et uplink dune faon adaptative,selonlaquantitdutraficchange.Cetransfertasymtriqueestappropriau trafic Internet o de grandes quantits de donnes peuvent tre tires travers le downlink. La figure ci-dessous rsume le principe dadaptation avec un duplexgeTDD. Figure I.14 : Adaptation des time slots1.2.3. MIMO : Multiple Imput Multipe Output MIMO est un type de multiplexage spatial, cest une technique trs puissante pour les systmesmultiple-antenna.Enprincipe,MIMOaugmenteledbitdesdonnesdansla proportiondunombredantennesdetransmissiondufaitequechaqueantenneporteunflux unique des symboles de donnes. Par consquent, si le nombre des antennes de transmission est M et le dbit des donnes parchaque flux est R alors le dbit total du systme est M*R. MIMOfournitunaccroissementmultiplicatifdudbit,encomparaisonaveclarchitecture Single Input Single Output (SISO), tout en codant soigneusement le signal transmis travers les antennes, les symboles OFDM, et les frquences.IlexisteplusieurstypesdercepteurspourleMIMO,maisunerestrictionpourtous ces rcepteurs est que le nombre des antennes de rception doit tre plus grand, ou au moins gal,aunombredesantennesdetransmission,maispaspluspetit,sinonlesdonnesne peuvent tre dcodes correctement au niveau de la rception. 15Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Figure I.15 : Schma simplifi dun systme MIMO EnvoiciquelquesavantagesdelutilisationdelatechnologieMIMOdanslessystmesde transmission : Array Gain :cest le gain obtenu en utilisant des antennes multiples, alors le signal sadditionne dune faon cohrente. Diversity Gain : cest le gain obtenu en utilisant des trajets multiples, alors sil y en a un trajet bruit, cela ne va pas limiter la performance du systme. 1.2.4. Modulation adaptative IlsagitdedajusterlamodulationdusignalparrapportauSNR(rapportsignalsur bruit)dusignalradio.Quandlelienradioestdetrsbonnequalit,leplushautplande modulation est utilis. Ce qui augmentera la capacit du systme. Sinon, on dgrade la qualit de la modulation pour garder la mme qualit de connexion et la stabilit de lien. Figure I.16 : Couche physique adaptative [5] 16Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Le802.16eestuneversionamlioredustandard802.16-2004,etestconsidre comme la version mobile du standard. De plus cette version porte des nouvelles amliorations pourlescouchesPhysiqueetMACdustandard802.16,cestpourcetteraisonquonva sintresser dans ce qui suit larchitecture en couche du WiMAX mobile. 2.Architecture en couche de la norme 802.16e ou WiMAX mobile. L'enjeuduWiMAXmobileconsisteintroduirelagestiondelamobilitentredes stationsdebaseWiMAXetdesterminauxnomadesquipsd'unclientradioadhoc.Ainsi desnouvellesapplicationspeuvent tre envisages, allant jusqu' la possibilit d'exploiterce rseau pour de la tlphonie sur IP. 2.1.La couche Physique LeWiMAXmobileportedesnouvellesamliorationspourlacouchephysique : lOFDMA, connue dans 802.16e sous le nom de SOFDMA (Scalable OFDMA), et porte des caractristiquesimportantespourlesrseauxfixesetmobiles.SOFDMAintroduitbeaucoup devariationslinterfaceWirelessMAN-OFDMAdustandard802.16-2004,nonpas seulement pour amliorer sa fonction mais aussi pour tre capable de supporter la mobilit des utilisateurs(EffetDoppler,Handover).Unedesplusimportantescaractristiquesintroduites par 802.16e est que SOFDMA supporte les NFFT suivants : 2048, 1024, 512, 128, dans le but daccommoder avec les diffrentes largeurs du canal possibles. Le nouveau standard introduit un autre type de codage correcteur derreurs, optionnel, qui est le codage LDPC (Low Density ParityCheckCode).Ildfinitaussidesnouvellesmthodespourlattributiondessous porteuses dans les subchannels.2.2.La couche MAC Dautrestches supplmentaires, relies la gestion de la mobilit, sont associes la couche MAC dans la norme 802.16e.2.2.1. Contrle de puissance La gestion des ressources radio est ncessaire pour remdier leffet du bruit du canal afin daboutir une bonne qualit de signal ainsi qu un dbit lev, tout en conomisant la puissance des stations mobiles le plus possible. Le WiMAX mobile supporte deux modes pour un contrle efficace de la puissance, le mode sleep et le mode idle . 17Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Le mode sleep est un tat au cours duquel le MS mne des priodes, pr ngocies, dabsenceparrapportlinterfaceairdelastationdebase.Cespriodessont caractrisesparl'indisponibilitduMSenpointdevuetraficascendantou descendant.CemodeviseconomiserlapuissanceauniveauduMSainsiqueles ressourcesauniveaudelaBS(BaseStation).Aussi,lemode sleep fournitune flexibilitpourlesMS,enlespermettantdeparcourird'autresstationsdebasepour rassembler de l'information afin dassurer le handover . Lemode idle fournitunmcanismededisponibilitpriodiquepourletrafic downlink en diffusion, sans que le MS soit inscrit au niveau dune station de base spcifique. [4] 2.2.2.Hand Over Trois mthodes de handover sont supportes par le standard 802.16e, savoir : le Hard handoff (HHO), le Fast Base Station Switching (FBSS) et le Macro Diversity Handover (MDHO).Deceux-ci,leHHOestobligatoirealorsqueFBSSetMDHOsontdeuxmodes optionnels. LeWiMAXforumadveloppplusieurstechniquespourlamliorationduHHOauniveau dustandard802.16e.Cesamliorationsonttdveloppesdanslebutdegarderundlai handover infrieur 50 millisecondes. QuandilsagitdunFBSS,lastationmobile(MS)etlastationdebase(BS) maintiennent une liste des BSs impliques dans le FBSS avec le MS. Cet ensemble est appel unEnsembleActif(ouActiveSet).LeMSsuitdeprslesstationsdebasesincluesdansle ActiveSet .LeBSaveclequelleMSschangelesdonnes(enULetDL)sappelleun BS relais, ainsi le MS communique seulement avec le BS relais du Active Set. La transition dun BS relais un autre se fait sans aucune invocation de messages de signalisation dun HO explicite. Un FBSS est dclanch par une dcision dun MS dchanger du trafic avec un BS relais qui peut changer au sein du Active Set. Le MS commence dabordpar balayer les BS voisines et choisit celles qui sont susceptibles dtre inclues dans le Active Set,puissignalelesBSsslectionnes,etlaprocduredemisejourduActiveSetest excute par le MS et les BSs. UneexigenceimportanteduFBSScestquelesdonnessonttransmises simultanment tous les membres d'un Active Set qui sont capables de servir le MS. 18Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX LorsquilsagitdunMDHO,leBSmaintiennentunActiveSetcontenantlesBSsimpliques avec le MS. Parmi les BS du Active Set, une station de base est choisie comme un BS relais. Lorsquil sagit dun MDHO, le MS communique avec toutes les stations de bases danslActiveSet.UnMDHOestdclanch quand un MS dcide de transmettre ou recevoir des messages de trafic et de la part de plusieurs stations de bases dans le mme intervalle de temps. [4] 2.2.3. La scurit Enadoptantlesmeilleurestechnologiesdisponiblesaujourdhui,leWiMAXmobile supporte plusieurs services de scurit : lauthentification, un protocole flexible de gestion des cls, un algorithme puissant pour le chiffrement dutrafic, etc. Leprotocoledegestiondescls : PrivacyandKeyManagementprotocolv2 : PKMv2 est la base des services de scurit du WiMAX mobiles comme dfinie au standard802.16e.Lauthentification,lechiffrementdesdonnes,lchangedescls du handover sont tous bass sur ce protocole. Lauthentification :sefaitgrceauprotocoleEAP(ExtensibleAuthentication Protocol) Chiffrementdesdonnes :laprotectiondesdonnesestassurpar lalgorithmede chiffrement AES-CCM. [4] 2.2.4. La qualit de service Lesbesoinsenqualitdeservicepeuventtrediffrents.Sionveutdiffuserdela vidolademande,onaurabesoinduntransfertquasitemps-rel,avecunelatencetrs faibleainsiquunegiguefaible.Enrevanche,ilestpermisdeperdreparfoisuneimageou davoir une qualit dimage un peu dgrade. Cependant, si on veut transfrer de gros fichiers via le protocole FTP, il est essentiel que lintgrit des donnes soit prserve, mais on peut tolrer une gigue importante.Plusieursparamtresdequalitdeservicesontalorsdfinistelsque :lagarantiede lintgritdesdonnestransportes,lagarantieduntempsdelatencemaximum,lagarantie dundbitminimum,lagarantiedunevariationdedlai(gigue)maximale,lepartage quitable ou pondr des ressources, etc. La norme 802.16e a t conue d'emble pour offrir diffrents services des clientles diffrentes. Ainsi cinq classes de services ont t dfinies selon la qualit de service exige : 19Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX 1. UnsolicitedGrantServices :Cetteclassedeserviceestutilisepourtransmettredes fluxtempsrels.Latransmissiondoitseffectueravecdestramesdetaillefixe intervalle rgulier. 2. Real-timePollingServices:Cettedeuximeclassedeservicepermetlatransmission defluxtempsrelsdetaillevariableintervallergulier.Sonutilisationconvienttrs bien pour la transmission de vido MPEG. 3. Extended Real Time Pooling Service. 4. Non-Real-time Polling Services: Cette classe de service permet la transmission de flux qui tolrent des dlais. De plus ces flux contiennent des trames de tailles variables. Seul le taux de transfert minimum est garanti. Ce type de qualit de service convient trs bien aux transferts de fichiers. 5. Best effort : Elle ne donne aucune garantie sur lacheminement des flux de donnes. Il convient tout de mme certaines utilisations, par exemple la navigation sur internet.[6] Le tableau suivant rsume ces cinq classes de services, le type dapplications associes ainsi que leurs spcifications correspondantes de qualit de service (QOS). Classe de service UGS Unsolicited Grant Service RTPS Real Time Pooling Service ERTPS Extended Real Time Pooling Service NRTPS Non-Real-Time Polling Service BE Best Effort Caractristiques essentielles Dlai non acceptable Prserve le squencemententre les entits dinformation dans le flot Dlai non acceptablePrserve le contenu. -Motif requte/ rponse.-Prserve le contenu. -Pas de contrainte sur le temps. ApplicationsVoIPStreaming audio ou Video Voix avec activit de dtection (VoIP) File transfer protocol (FTP) -Transfert de donnes. -Navigation Web Tableau I.2 : Classes de services et applications associes IV.Architecture du rseau WiMAX Al'instardesrseauxcellulairesclassiques,nouspouvonsdiviserlerseauendeux partiesdistinctes,lapartieradioourseaud'accslapluscoteusepourunoprateuretqui 20Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX nous intresse le plus pour le dimensionnement radio, et la partie coeur assurant la collecte du traficverslerseauIP.Lafigureci-dessouspermetdemontrerlessimilitudesentre l'architecture du WiMAX et celle d'un rseau de 3me gnration. Figure I.17 : Similitude entre larchitecture du rseau WiMAX et celle UMTS 1.Le sous systme radio : Accs Service Network (ASN) CestlerseaudaccsradioduWiMAX,ilregroupeunouplusieurspasserelleset desstationsdebaseBS.LASNassurelacouvertureradioetlagestiondesfonctionnalits daccsMACcommelepaging,lagestiondesressourcesradio(RRMRadioRessource Management) et la mobilit entre les BS (pour la norme 802.16 e). Les passerelles ASN-GW assurent linterconnexion avec le CSN. Figure I.18 : La dcomposition de lASN 2.Le CSN : Connectivity Service Network CestunensembledefonctionnalitsassurantlaconnectivitIPauxstations dabonns WiMAX. Le CSN regroupe des passerelles pour laccs Internet, des routeurs, des serveursetdes proxy descuritainsiquedesbasesdedonnes.Ilpermetgalementle contrle dadmission et gre la mobilit inter-ASNs (pour la norme 802.16e).21Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX LafigurequisuitillustrelarchitecturecompltedunrseauWiMAX,ainsiqueson interconnexion avec un rseau IP. Figure I.19 : Architecture du rseau WiMAX [4] 3.Les principaux quipements du rseau -LastationdebaseBS:Elleressembleauxstationscellulairesclassiques.Ellepeut comporterunouplusieurssecteurs.Lesfonctionnalitsqu'elleintgrevarientd'un quipementierunautre(bandedefrquence,gain,supportduNLOS)etfontla diffrence en terme de performances et donc de cot -Les stations terminales : A la diffrence des rseaux mobiles, o tous les terminaux ontdesantennesomnidirectionnelles,lesrseauxWiMAXcombinentdes quipementsindooretdesquipementsoutdoorantennessouventdirectionnelles. Lesunitsindoorprsententungaind'antenneplusfaibleafinderduirelataillede l'quipement et rduire les cots ce qui aboutit une diminution du gain du systme de 6dB.Enplus,nousauronsunexcsd'affaiblissementdauxbtimentsetaux obstaclesfranchissurtoutpourleslongueursd'ondecourtes,cequiestlecaspourla bande candidate en Tunisie qui est celle des 3.5 GHz. -LesASN-GW(AccessServiceNetworkGateway):cesontdesrouteursclassiques permettantlacollectedutraficdesstationsdebaseetleroutagedespaquetsdansle rseau. Ils permettent dinterconnecter plusieurs BS la fois. 22Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX V.Applications des rseaux WiMAX 1.La desserte avec WiMAX Lebutdeladesserteestderelierleclientfinalunrseaumtropolitainafinqu'il puisse accder Internet. Figure I.20 : La desserte avec WiMAX Pour cela, le client doit possder un rcepteur WiMAX (une puce intgre ou un CPE : CustomerPremiseEquipement)etsetrouverdanslechampd'actiond'unmetteur.La transmissionentreleclientetsonhotspotWiMAXestditeen"nonlignedevue"(NLOS), c'est--dire que le client ne se trouve pas en vue directe avec l'antenne. En effet, les btiments oulavgtationquel'ontrouvedanslesvilles"forcent"lesignaltredtourngrce l'utilisation de la modulation de frquence OFDM. C'est ce niveau (la desserte) que se joue l'avenir du WiMAX mobile.[7] 2.La collecte avec WiMAX Dansunrseau,lacollecteconsisterelierlespointsd'accs(hotspotsWi-Fiou DSLAM) au baonnette de l'oprateur (dorsale) assurant ainsi la connexion avec Internet. On appelle ce mcanisme le backhauling de hot spots. Contrairement la desserte, la collecte se fait en "ligne de vue" (LOS), grce des metteurs WiMAX placs suffisamment haut. L'avantageduWiMAXrsidedanssasimplicitdemiseenoeuvre.Ilnefaudraque deuxantennespourrelierdeuxrseauxdistants,loilauraitfalludeskilomtresdefibre optique en filaire. [7] 23Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Figure I.21 : La collecte avec WiMAX 3.WiMAX une technologie pour les rseaux mtropolitains Il nes'agitpas principalement de permettre l'accs direct mais plutt d'interconnecter les diffrents points d'accs au niveau d'une ville tels que par exemple des hot spots Wi-Fi ou desaccsrsidentielsouenentreprise(quivalentuneconnexionADSLouuneliaison spcialise).WiMAXpermetd'obteniruneconnectivitdummetypequeleslignesloues utilisesparlesoprateursdetlcommunicationspourletransportdel'Internetoudela tlphonie:T1(pourlesfournisseursamricainsoujaponais1,544Mb/s)ouE1(pourles fournisseurseuropens2Mb/s,50kmmaximum).WiMAX,avecundbitthoriquede70 Mb/sdansdescanauxde20MHz,permetquelquescentainesdeconnexionsquivalentes ADSL.La porte prvue, est au maximum de 50 km. Il faudra dans la pratique prvoir plutt 20oumme8kmlorsqu'ilyadesobstacles,cequipermetcependantdeproposerune interconnexion l'chelle d'une ville. [7] 4.Connecter les endroits inaccessibles Unrseausansfilmaillpeuttreutilispourcrerdesrseauxlaoulesfilsne peuventaller.Parcequeunnoeudsans-filnerequiertpasdeconnexionInternet,onpeutle placer n'importe ou une alimentation lectrique est disponible, et, le signal des noeuds voisins.24Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX Afin d'obtenir le meilleur signal possible, les noeuds sans-fil doivent avoir une "ligne devue"jusqu'aleursvoisins.Cependant,ilpeutseprsenterdessituationsoul'ondoive transmettre un signal travers un mur pais ou une fort.Un rseau maill offre deux possibilits dans ce cas :Disposer les noeuds autour de l'obstacle, le trafic tant relay de noeud en noeud;Disposer les noeuds de chaque cot de l'obstacle : celui-ci affaiblira fortement le signal, mais le noeud suivant le rgnrera pleine puissance. 5.Autres atouts Ctusages,lacouvertureetlesdbitsrenduspossibles,lecaractreentermede mobilit, et des cots de production et de dploiements qu'on espre rduits ouvrent la voie de nombreuses applications. Citons-en quelques-unes : couvertures classiques de hotzones : zones d'activit conomique, parcs touristiques... ; dploiementstemporaires :chantiers,festivals,infrastructuredesecourssurune catastrophe naturelle ; offres triple play : donnes, voix, vido la demande ; VI.Conclusion Lmergencedustandard802.16devraitencouragerlademandeconcernantlaccs Internetetdvelopperconsidrablementlesaccssansfilaudtrimentdesinfrastructures filaires en apportant la mobilit et la flexibilitpour les usagers. WIMAXestunerponsepourdesconnexionssans-filhautdbitsurdeszonesde couverturetrslarge(ported'unedizainedekilomtresenzonesrurales),permettantdes usagesensituationfixeouenmobilit.Cecipermetderpondreauxbesoinsdeszones dpourvues dinfrastructure filaire (DSL, Cble, etc.). En outre les enjeux conomiques peuvent tre importants : Le fait de permettre laccs InternetauxparticuliersainsiquauxPME/PMI,pourraitfavoriserledveloppement conomiqueenattirantlesentreprisessinstallersurdeszonesauparavantdpourvues daccsrseau.Deplus,entermesdecot,samiseenplaceseraitmoinscoteusequele dploiement dune infrastructure filaire. Toutefois,descontraintestechniques,inhrentesauxtechnologiesradio,peuvent limiterlesusagespossibles :Laporteetlesdbitsnerestentquethoriques,etdoivent 25Chapitre I : Le rseau daccs large bande WiMAX sadapterlatopologiedeszonescouvrir.Deplus,lanotiondeLOS/NLOSdpenddela frquence utilise : dans la bande 10-66GHz, les connexions se font en LOS, alors que sur la partie 2-10GHz, seul le NLOS est oprable. Toujours en dveloppement, le Standard 802.16e, la version mobile du WIMAX, est la normequisemblesusciterleplusdintrt.Eneffet,conjointementlanorme802.20,elle pourraitconcurrencerlestechnologiesdetlphoniemobile(3G),etharmoniserles diffrentes normes de tlcommunication sans fil. Leprincipalinconvnientdecettetechnologiesiprometteuserestel'obligation d'obtenirunelicenceafindel'exploiter,maiscelanedevraitpasempchersonadoption travers le monde. Danslechapitresuivantnousallonsaborderleprocessusdeplanificationradiodun rseau WiMAX. 26Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Chapitre II Planification dun rseau WiMAX 27Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX I.Introduction LatachededimensionnementdunrseauWiMAXestlieauprocessusde planification de la couverture. De ce fait, cette opration doit tre ralise en parallle avec la phase de planification. Le dimensionnement dune zone quelconque ncessite en premier lieu lanalysedubilandeliaisonafindestimerlaffaiblissementmaximalduparcoursentre mobile et station de base. Ensuite, Il est question de calculer la porte maximale ou le rayon decouverturemaximaleenutilisantlesmodlesdepropagationconformmentautypede terraindtude.Sachantlatailledelacellule,onpourradoncdterminerpourlazone planifier le nombre de stations de base ncessaire. Cechapitreeststructurendeuxparties.Dansunepremiretapenousnous intresseronsltudedesmodlesdepropagationsusceptiblesdtreutilissdansla planification dun rseau WiMAX. Unefoislesmodlesspcifis,onpasseradansunedeuximetapeltudedubilande liaison dans le but de dterminer la porte des cellules et leur nombre adquat pour servir un terrain de surface bien dtermine. II.Modles de propagation 1. Rle des modles de propagation Lesmodlesdepropagationsimulentlamanireaveclaquellelesondesradiose propagentdansl'environnementd'unpointl'autre.Afindemodliserexactementle comportement des ondes radio, les caractristiques de l'environnement telles que la topologie duterrain(parexemple,collineouappartement)doiventtreprisesenconsidration.La couverture au sol telle que des btiments et des arbres doit galement tre explique ( connue entantquesursolou clutter ) :Unmodledepropagationmodliselamanireavec laquellelesondesradioragissentauxchangementsd'altitudeetausursol(rflexion, diffraction, et dispersion). 2. Types de modles de propagation Dans ce paragraphe, nous commenons par rappeler plusieurs modles de propagation applicables larchitecture multi cellules.Typiquement, le scnario est le suivant : Les cellules < 10 Km de rayon, diffrents types de terrains et de densit des arbres. 28Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Desantennesdirectionnellesouomnidirectionnellessontinstalles,audessousdes toits (2-10 m), au rcepteur. 15 40 m antennes de BS. Condition dune grande couverture de cellule (80-90%) Le canal sans fil est caractris par : Perte due au chemin (effet de masque inclus). Caractristiques dvanouissement. Interfrence co-canal et entre les canaux adjacents. noter que ces paramtres sont arbitraires, et seulement une caractrisation statistique est possible. Typiquement, la moyenne et la variance des paramtres sont spcifies. Lesparamtresdesmodlesdepropagationci-dessusdpendentde:terrain,densitdes arbres, hauteurs dantennes et largeur du faisceau, vitesse du vent, et saison (t ou hiver). 2.1.Le modle de propagation Free-space [8] Lemodledel'affaiblissementduparcoursFreeSpaceestemploypourdterminer laffaiblissement de parcours en espace libre (situation de LOS sans obstructions au niveau de lazonedeFresnel(voir Annexe)).Ilesthabituellementlepointderfrencepartir duquel tous les modles de propagation prennent origine. Ce modle se base sur lquation de Friisquimontrequelapuissancereuechutebeaucoupetelleestcalculecommetantle carr de la distance sparant metteur et rcepteur. L'quation suivante montre le path loss en fonction de la distance: =dLp4log 2010(II.1) Avec: d = distance entre deux antennes dans l'espace libre (m) = longueur d'onde (m) Notons que quand la distance (d) est gale 4, laffaiblissement de parcours est gal 0dB,etpourdesdistancesquiluisontinfrieures,lepathlossseracomptabilis ngativement. Ceci va clairement l'encontre de la logique. Par consquent, cette quation a des limites pratiques. Un principe de base typique est 29Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX de ne pas employer cette quation de lattnuation de parcours pour des distances infrieures lalongueurdonde.Aucasoladistanceseraitinfrieurelalongueurdonde,lesfacteurs physiques comme des dimensions de l'antenne dominent et forcent l'utilisation des quations de champ lectromagntique. Ou autrement (quation de Friis); PRx TxTx RxL dG GP P2 2216=(II.2) Avec:PRx= puissance disponible au niveau de l'antenne rceptricePTx = puissance dlivre par l'antenne de transmission GRx = gain de l'antenne rceptrice GTx = gain de l'antenne de transmission Puisque l'attnuation est gnralement exprime en dB, l'quation II.2 peut s'crire: ( ) f d Lflog 20 log 20 4 . 32 + + = () (II.3) Avec: fL : Free space path loss, en dB; d : Distance, en km; f : Frquence, en MHz. 2.2.Le modle SUI (ou modle IEEE 802.16) CemodleestutilepourlessystmesWiMAXavecdepetitescellules,desantennes deBSfaiblehauteur,etdeshautesfrquences.LemodleIEEE802.16estoptimispour unefrquencede1,9GHz.Laprcisionpeutsedgraderpourdesfrquencessuprieures 5GHz.Typiquementcemodleestutilispourlesrseauxquiseplientauxconditions suivantes : Le rayon de la cellule est entre 100 m et 8 Km ;Les antennes sont installes sur les murs ou au-dessus des toits avec une hauteur de 2-10 m au niveau du rcepteur ; Les antennes de la BS sont de 10 80m ;30Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Les pourcentages de couverture sont levs (80% -90%) ;Les types de terrains suivants sont recommands pour ce modle: Type A : Caractris par des collines, une densit d'arbres modre leve (pour des zones urbaines faibles modres) ;Type B : Caractris par des collines, une densit d'arbres faible ou nulle(valle), une densit modre leve ; Type C : Caractris par des valles plates, une densit darbres faible. En gnral, pour tous les types de terrains, l'attnuation du parcours est donne par l'quation suivante pour d>d0. S X XddLog A Lh f P+ + + + = )] ( 10 [0(II.4) Le premier terme (entre crochets) est la moyenne daffaiblissement de parcours, et le second tant la variation alatoire autour de la moyenne. Avec :=0104log 20dA = longueur d'onde (m) ; d0 =100 m ; d = distance entre transmetteur et rcepteur (m) ; = (a b*hb + c/hb) ; Et hb est la hauteur de la BS en m.a, b, c sont des constantes dpendantes de la catgorie du terrain, dont les valeurs sont donnes dans le Tableau suivant: Paramtresdu modle Terrain deType A Terrain de Type B Terrain deType C a 4.643.6 b 0.00750 .00650.005 c 12.617.120 Tableau II.1 : Valeurs des constantes a,b et c selon le type du terrain 31Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX LestermesXf etXh sontrespectivementdestermesdecorrectionpourlafrquenceetla hauteur du rcepteur par rapport au sol. Ces corrections sont dfinies par :Xf= )1900( log 610fet Xh =)2( log 7 . 1010rh ffrquence en MHz hr hauteur du rcepteur Sreprsenteleffetdeshadowing.LavaleurtypedeSestentre8.2et10.6dB dpendamment de la densit du terrain et des arbres. [9,10] 2.3.Le modle dErceg LemodledErcegestutilispourleszonesurbaines,sous-urbainesetrurales.Il reprsenteunemodificationdumodledeHata-Okumura.Cedernierestlemodledeperte decheminleplusutilispourlaprdictionde lintensitdusignaletlasimulationdansdes environnementsmacrocellulaires.LemodledeHata-Okumuraestvalidepourlesvaleurs des paramtres du Tableau qui suit : ParamtresValeurs Frquence500-1500 MHz Distance Rcepteur BS> 1Km Hauteur de lantenne de BS> 30 m Tableau II.2 : Paramtres de validit du modle Hata-Okumura Lamodification(ouextension)proposeaumodledeHata-Okumuradonneun nouveaumodle,souventconnucommelemodledErceg.Lintervalledefrquencesest prolongjusqu2GHz,avecdescorrectionsconcernantletypedeterrain.3catgoriesde terrain sont dfinies: TerrainA:pertedecheminmaximale,terrainavecdescollines,etunedensit darbresvariable(modregrandedensit).Certainestudesutilisentcemodle pour les zones urbainesTerrain B : perte de chemin intermdiaire entre A et C. Terrain C : perte de chemin minimale, terrain plat, avec une faible densit darbres. 32Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Pour une distance proche de d0, la perte du chemin est donn par : SddA L + + = ) ( log 10010 ; Pour d>d0, d0 = 100 m (II.5) =0104log 20dA , est la longueur donde en m, bbhch b a + = : est lexposant de perte de chemin.Avec : hb est la hauteur de la BS entre 10 et 80 m,a,b,csontdesconstantesdpendantesdelacatgorieduterrain,etsontdonnes par le tableau II.1. S reprsente leffet de shadowing.[11] Termes de correction de frquence et de la hauteur dantenne rceptrice : Lemodleci-dessusestvalablepourdesfrquencesprochesde2GHz,etpourdes hauteurs dantennes rceptrices proches de 2 m. Dans le but dutiliser ce modle pour autres frquences plus leves (le WiMAX Forum White paper utilise ce modle pour les frquences 3.5 et 5 GHz), et pour des hauteurs dantennes entre 2 et 10 m, on ajoute au modle ci-dessus des corrections concernant la frquence et la hauteur de lantenne rceptrice. Le modle de propagation (en dB), avec les termes de correction, sera[11]: Lh Lf L LP + + = (II.6) Avec :Lest la perte de chemin prcdemment donn ( SddA L + + = ) ( log 10010). Lf est le terme de correction frquentielle (en dB) donn par : )2000( log 610fLf = ; est la frquence en MHz.fLh est le terme de correction de hauteur donn par :)2( log 8 . 1010rhLh = ; pour les catgories A et B. )2( log 2010rhLh = ; pour la catgorie C. hr est la hauteur de lantenne rceptrice, entre 2m et 10m. Do : Lh Lf SddA LP + + + + = ) ( log 10010(II.7)33Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX 2.4.Le modle Cost 231 Hata Cemodleestutilispourlesmacrocellules.Ilestessentiellementfaitpourles frquencesinfrieures2GHz.Danslebutdelutiliserpourdesfrquencessuprieures (jusqu6GHz),onluiaintroduitdescorrections,lersultatestdonnparlquation suivante [11]: C d h h A h f dB LBS SS BS c H+ + + = ) ( log )] ( log 55 . 6 9 . 44 [ ) ( ) ( log 82 . 13 ) ( log 39 3 . 46 ) (10 10 10 10 (II.8) cf: Frquence porteuse du signal en MHzBSh: Hauteur de la BS en mtres. SSh: Hauteur de la SS (Subscriber Station) en mtres. d : Distance entre la BS et SS en Km. C : Terme constant (C = 0 dB pour les zones sous urbaines, et C = 3 dB pour les zones urbaines) ) (SSh Aest un terme correctif dpendant de la hauteur de lantenne de SS : Pour les villes de taille moyenne ou petite : ) 8 . 0 ) ( log 56 . 1 ( ] 7 . 0 ) ( log 1 . 1 [ ) (10 10 =c SS c SSf h f h A(dB) Pour une ville de grande taille :97 . 4 ) 75 . 11 ( log 2 . 3 ) (10 =SS SSh h A(dB) Comment choisir le modle de propagation adquat ? Lesmodlesdepropagationvarientselonquelmetteuretlercepteurseraientou non en ligne de vue ou en dautres termes en environnement LOS ou NLOS. EnenvironnementLOS,lemodleFreeSpaceoumodledeFriisestspcifialors quen environnement NLOS, les modles adquats pour prdire ce quadviendra au signal lors de sa transmission vers le rcepteur au niveau dun rseau WiMAX sont le modle dErceg , SUI ou aussi le modle Cost 231 Hata. Le constructeur Huawei, par exemple, se sert du modle Cost 231 Hata dans ses tudes prvisionnellescomme modle de propagation pour la norme 802.16e. III.Bilande liaison 1. Dfinition & utilit Laplanificationdubilandeliaisonfaitpartieduprocddeplanificationderseau, qui aide dimensionner la couverture requise, la capacit et la qualit exiges par le rseau. 34Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Le but du bilan de liaison est de calculer lattnuation de parcours maximale permise entrelastationdebaseetlercepteurpourunservicedonn.Lattnuationdeparcours maximale est alors employe pour choisir des antennes et des configurations pour les stations de base, et pour la planification de la puissance de sortie sur les diffrents canaux des stations debase.LattnuationdeparcoursmaximaledterminelaportedechaqueBSetainsisa couverture et le nombre requis de stations de base pour couvrir une zone donne. Unautrebutimportantdubilandeliaison,cestd'quilibrerlapuissancedulien montantetcelleduliendescendantenajustantlesparamtrescorrespondants.Lapuissance trslevedelaBSestpeuutilesicettedernirenepeutpasentendrelastation rceptrice. Figure II.1 : quilibrage des liens montants et descendants Plusieursparamtresdoiventtre calculs et estims afin de dduire lattnuation de parcoursmaximalepartirdubilandeliaison.Danscequisuitnousallonsexpliquerles formulesgnralesducalculdubilandeliaisonpourlesWMANsdansl'environnementdu ct de lmetteur et du ct du rcepteur travers le canal radio. 2. Elaboration du bilan de liaison NousallonstraiterlesbilansdeliaisonappelsaussiRLB(RadioLinkBudget)des liensmontantetdescendant.DansleRLBplusieursfacteurssontprisenconsidration, savoir : les gains des antennes, les pertes des cbles, les marges dinterfrence, les facteurs de bruit, les marges de Fading, et les marges de pntration. Il est noter que la puissance reue chaque rcepteur doit tre suprieure ou gale sa sensibilit.Le tableau II.3 prsente les diffrents paramtres du bilan de liaison. Emetteur (TX)Puissance mise Petx Gain de lantenne Gatx Pertes dans lescbles et les connecteurs Lftx dBm dBi dBm 35Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Rcepteur (RX) Sensibilit du rcepteur SSrx Gain de lantenne Garx Perte dans les cbles les et les connecteurs Lfrx Facteur de bruit dBm dBi dBm dB Marges Marge de fading Marge dinterfrences Marge de pntration dB dB dB Tableau II.3: Paramtres du bilan de liaison Gain de lantenne (dBi) Le gain d'antenne de l'metteur (respectivement rcepteur) est le gain maximum de l'antenne de l'metteur (respectivement rcepteur) dans le plan horizontal (indiqu en dB relativement uneantenneisotrope).Lavaleurdecefacteurdpendgnralementdutypedelantenne utilise. Pertes dans les cbles et les connecteurs (dB) Cesontlespertescombinesdetouslescomposantsdusystmedetransmissionentrela sortie de l'metteur et l'entre de l'antenne (toutes les pertes sont en valeurs positives de dB). La valeur est gnralement fixe. Marge de Fading Les marges de fading sont dfinies la frontire de la cellule pour les cellules isoles. C'est la marge exige pour fournir une disponibilit indique de couverture sur les diffrentes cellules. Marge dinterfrenceReprsente laugmentation du bruit suite laugmentation de la charge de la cellule Facteur de bruit Il sagit dun facteur de bruit gnr au rcepteur. Marge de pntration Cettemargecaractriselespertesdepntrationslieslenvironnementauquelappartient lquipement utilisateur. Exemple : Calcul de la perte maximale du chemin et de la porte de la cellule Aprsavoirtudithoriquementlenvironnementdepropagationdusignalentre lmetteur et le rcepteur, on va essayer, en se basant sur le modle de propagation dErceg, de dimensionner la couverture du rseau WIMAX dans une rgiondonne. 36Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Etape 1 : Calcul du bilan de liaison Dans cet exemple la modulation utilise est la QPSK-1/2 et ceci pour souligner laplusgrandevaleurquelaportedunecelluleWiMAXpeutatteindrepourunmilieu indoor. Emetteur (TX)DLUL Puissance mise PetxGain de lantenne GatxPertes dans lescbles et les connecteurs Lftx40 17 1,5 27 13 3 dBm dBi dBm Rcepteur (RX) Sensibilit du rcepteur SSrxGain de lantenne GarxPerte dans les cbles et les connecteurs Lfrx-100,83 13 3 -109,05 17 1,5 dBm dBi dBm Marges Marge de fading Marge dinterfrences Facteur de bruit Marge de pntration 2 2 4,5 14 2 2 7 14 dB dB dB dB Perte de chemin maximale143,83136,55dB Tableau II.4 : Exemple de bilan de liaison La perte du chemin maximale est alors 136,55 dB Etape 2 : Calcul des pertes du chemin maximale en fonction de la distance : ParamtreValeur f (GHz)3.5 =0104log 20dA(en dB) 41.2249 hb (m)30 bbhcbh a + = 4.795 pour un terrain du type A 4.375pour un terrain du type B 4.116pour un terrain du type C Lf(dB)1.59 hr (m)2 Lh (dB)0 S (dB)10 Tableau II.5 : Paramtres du modle de propagation 37Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX En se basant sur ces paramtres, on peut dterminer la perte du chemin qui est donne par la formule : Lh Lf SddA L + + + + = ) ( log 10010 Applications Numriques : (II.9, II.10, II.11)La reprsentation graphique de ces trois quations avec MATLAB est illusstre par la figure suivante :+++=C type de un terrain pour 73 . 1 5 (0.01d) 6log 41.1B type de un terrain pour73 . 1 5 (0.01d) 5log 43.7A type de un terrain pour73 . 1 5 (0.01d) log 47.95101010LP Figure II.2 : Les diffrentes pertes de chemin selon le type de terrain Daprs les quations (II.9), (II.10) et (II.11) on obtient les rayons de couverture suivants : Type du terrainABC Porte de la BS (Km)5,578,210,81 Tableau II.6 : Rsultats de planification3. Porte et dbit dans une cellule Laportedune celluleestladistance pour laquelle la puissance reue par la MS est galesasensibilit.Lasensibilitdurcepteurdpendduburstprofileutilis,elleest donne par lquation suivante [12] : () NF pLossNNF Log R Log SNR RFFTUSEDS RX SS+ ++ + = Im 10 10 11410 10(II.12) O : Fs est la frquence dchantillonnage, exprime en MHz, 38Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX 8000 )80001( = BW n floor FS (II.13) Avec :BW est la largeur de bande occupe par le symbole OFDM. n = 28/25 si BW est multiple de 1,25 ; 1,5 ; 2 ou 2,75 Mhz. n = 8/7 si non. NUSED : nombre de sous porteuses utilises. R : facteur de rptition dont la valeur est dans lensemble {2, 4, 6} ImpLoss : Perte d lestimation du canal, sa valeur est assume 5 dB.NF (Noise Figure): perte au niveau du rcepteur, sa valeur est assume 8 dB.SNRRx est le rapport SNR au rcepteur exprim en dB, cette valeur dpend de chaque type de modulation et codage. Exemple de dbits: Danscetexempleonacalcullesdiffrentsdbitsetsensibilitspourchaque modulationselonletypedecodage(Casdelanorme802.16e)etdanslecaso BW=5Mhz. Les rsultats sont illustrs dans le tableau II.7 : ModulationCoding RateSNR (dB) Sensibilit (dB) Dbit (Mbps) QPSK1/25-96,224,97 QPSK3/48-93,227,46 QAM-161/210,5-90,729,95 QAM-163/414-87,2214,92 QAM-641/216-85,2214,92 QAM-642/318-83,2219,9 QAM643/420-81,2222,4 Tableau II.7 : Les valeurs de la sensibilit et du dbit selon la modulation La porte dune cellule diffre pour chaque modle de propagation utilis. Elle dpend fortement de lenvironnement de transmission, par exemple pour un environnement rural, o il ny a pas beaucoup dobstacles entre la BS et les SS, le modle de propagation se rapproche de la propagation LOS o on na pas que la perte du chemin en espace libre (et celui de pluie sil existe). Le modle de propagation utilis dans lexemple qui suit sera le modle IEEE 802.16 (SUI Model) que nous rappelons lquation : S X XddA Ph f L+ + + + = ) ( log 1001039Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Exemple : Variation du dbit en fonction de la porte Les paramtres numriques choisis sont consigns dans le tableau suivant : ParamtreF(GHZ)A bh (m)rh (m) fXhXS Valeur 3.540,644.795 pour un terrain de type A 4.375pour un terrain de type B 4.116pour un terrain de type C3021.5904 Tableau II.8 : Paramtres de lquation de laffaiblissement Lquationdaffaiblissementdeparcoursvanouspermettredisolerleparamtredistance d. Suivant le type de terrain on va obtenir trois quations : +++=C type de un terrain pour 23 . 46 (0.01d) 6log 41.1B type de un terrain pour23 . 46 (0.01d) 5log 43.7A type de un terrain pour23 . 46 (0.01d) log 47.95101010LP (II.14, II.15, II.16) Onaainsitrouvenfonctiondelaported,ilsuffitmaintenantdetrouver laffaiblissement de parcours en fonction du dbit pour pouvoir dduire le dbit en fonction de la porte. LPEn fait, la norme 802.16 dfinit le dbit pour le WiMAX de la manire suivante [13] :

T) C B (NDbitSr m Used =(II.17) Avec :Le nombre de bits par modulation ; mBLe taux de codage ; rCDure symbole OFDM. STDonc on peut facilement dduire queC BT DbitNr mSUsed= (II.18) Dautre part on a lquationLf - GaP - . . . Prx rx L rx+ = E R I P(II.19) Oest la puissance reue. rxPEt sachant qu lextrmit de la cellule, on a rx rxSS P=, on obtient alors lquation suivante : rx rx LLf - GaP - . . . + = E R I P SSrx.(II.20) O : Perte au niveau du cble rcepteur. rxLf: Gain du rcepteur. Garx: Puissance Isotrope Rayonne EquivalenteE R I P . . .40Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Aprspassageauxapplicationsnumriques,etensebasantsurlquation(II.12)ainsiqueles paramtres du tableau II.9 ; ParamtreValeur BW (Mhz)5ModulationQAM16-1/2 nombre de bits par modulation mB 4 RXSNR(dB)10,5 le taux de codage Cr1/2 Dure symbole Ts (microsecondes)102,9 FFTN 512 Puissance Isotrope Rayonne Equivalente PIRE (dBm)50 Perte au niveau du cble pour le rcepteur (dB)0.5 Gain de lantenne rceptrice Garx (dBi)13 Tableau II.9 : Paramtre de propagation On obtient finalement les quations du dbit en fonction de la porte : Pour un terrain de type A: ( ) ( ) dbit d * 56 , 0 log * 01 . 0 log 79 . 4 5 , 1110 10= (II.21) Pour un terrain de type B: ( ) ( ) dbit d * 56 , 0 log * 01 . 0 log 37 . 4 5 , 1110 10= (II.22) Pour un terrain de type C : ( ) ( ) dbit d * 56 , 0 log * 01 . 0 log 11 . 4 5 , 1110 10= (II.23) La reprsentation graphique de ces trois courbes via MATLAB est donne par la figure II.3 : Figure II.3 : Dbit en fonction de la porte 41Chapitre II : Planification dun rseau WiMAX Lorsquon varie le type de terrain, la porte varie aussi. On remarque que le terrain de typeAprsentelaportelaplusfaiblepuisquonluiassocielaffaiblissementleplus important(voirfigureII.3),etlaporteaugmentepourlesterrainsdetypeBetCqui possdent des affaiblissement moins importants.On remarque aussi que la porte maximale, dans les conditions de propagation les plus favorables(C'est--direterrainsdetypeC)estpresque10kmcequiprsentedesrsultats extrmement remarquables face aux portes donnes par la technologie Wi-Fi 4. Nombre de stations de bases Aprsavoirdterminlaportedunecellule,ltapesuivanteconsistecalculerle nombre de stations de base ncessaire la couverture dune zone. Thoriquement, on dcoupe le territoire en cellules hexagonales. Le nombre de stations sera dtermin par la formule suivante :

BStotSSN = (II.24) Stot est la surface de la zone couvrir. SBS est la couverture dune station de base base sur la puissance maximale telle que : 23 32RS BS=(II.25) Ceci pour une cellule hexagonale et R est la porte maximale. IV.Conclusion LtudethoriquedudbitetdelaportesurWiMAXnousindiquequecette technologieaunelongueurdavancedanscecrneausurles autrestechnologiessans-fil (WiFienparticulier,quinepeutatteindrequuneportedenviron300maumaximum)et quelleestpromiseunavenirimportantdanslInternethautdbit.Danslapratique,des mthodes de planification plus sophistiques sont requises, utilisant des cartes gographiques digitales indiquant la localisation des btiments et la hauteur des reliefs. Danslechapitrequisuit,nousallonsnousintresser,dansunepremiretapeau rseau coeur le mieux adapt pour supporter les services offerts par le WiMAX, puis dans une deuximetapenousallonsnousfocalisersurlesrglesdedimensionnementdecertaines entits de ce rseau. 42Chapitre III : Interconnexion WiMAX-IMS et dimensionnement cur du rseau Chapitre III Interconnexion WiMAX-IMS et dimensionnement cur du rseau 43Chapitre III : Interconnexion WiMAX-IMS et dimensionnement cur du rseau Partie I : Interconnexion WiMAX-IMS I.Introduction WiMAXsupportetouteunepanopliedeservicespourunusagefixeetmobile(Voix sur IP, portails Web, vido, push to talk, confrence sur le Web...), et qui doivent tre grs au niveau du rseau IP. Ainsi le rseau fait face au transport de la voix et des donnes, mais aussi dumultimdiaainsiquunenouv