modélisation du saut de fréquences des systèmes ftdma pour

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Modélisation du saut de fréquences des systèmesFTDMA pour l’évaluation de la Qualité de Service en

GSM/GPRS/EDGE et le choix d’ingénieries defréquences

Pascal Chambreuil, Alexandre Caminada

To cite this version:Pascal Chambreuil, Alexandre Caminada. Modélisation du saut de fréquences des systèmes FT-DMA pour l’évaluation de la Qualité de Service en GSM/GPRS/EDGE et le choix d’ingénieries defréquences. Réseaux et télécommunications [cs.NI]. Université de Technologie de Belfort-Montbéliard(UTBM); Université de Franche-Comté (UFC), 2006. Français. �tel-01524807�

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THESE N° 051

THESE

présentée en vue de l’obtention du titre de

Docteur de

l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard et de

l’Université de Franche-Comté (Arrêté ministériel du 30 mars 1992)

Spécialité : Informatique

par

Pascal CHAMBREUIL

Modélisation du saut de fréquences des systèmes FTDMA pour l'évaluation de la Qualité de Service en

GSM/GPRS/EDGE et le choix d'ingénieries de fréquences

Soutenue le 23 juin 2006 devant le jury composé de :

Rapporteurs Alain JEAN-MARIE, professeur, Université de Montpellier II et INRIA Sophia Xavier LAGRANGE, professeur, Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne Examinateurs Alexandre CAMINADA, professeur, UTBM (Directeur de thèse) André-Luc BEYLOT, professeur, ENSEEIHT de Toulouse Pascal LORENZ, professeur, Université de Haute Alsace Sara OUESLATI, responsable unité de recherche, France Telecom R&D

3

Remerciements

Table des matières 4

Table des matières

INTRODUCTION ...................................................................................................................................... 7 1 CONCEPT CELLULAIRE ET CONCEPTION THEORIQUE DE RESEAUX FTDMA LIMITES EN INTERFERENCE .............................................................................................................. 9

1.1 LES RESEAUX CELLULAIRES ..................................................................................................... 10 1.1.1 Définition fonctionnelle et objectifs du concept cellulaire ................................................. 10 1.1.2 Principes du concept cellulaire .......................................................................................... 11 1.1.3 Concept cellulaire et études d'ingénierie ............................................................................ 12

1.2 CONCEPTION THEORIQUE DES RESEAUX CELLULAIRES FTDMA .............................................. 12 1.2.1 Principes de base des réseaux FTDMA .............................................................................. 13 1.2.2 Dimensionnement en puissance et bilan de liaison ............................................................ 14 1.2.3 Dimensionnement en capacité dans un système limité par l'interférence ........................... 15 1.2.4 Intérêts et limitations .......................................................................................................... 19

1.3 PRISE EN COMPTE DE MODELES DE PROPAGATION COMPLEXES ................................................ 19 1.3.1 Les modèles empiriques et statistiques ............................................................................... 20 1.3.2 Les modèles théoriques ....................................................................................................... 20 1.3.3 Les modèles semi-empiriques ............................................................................................. 21

1.4 INTRODUCTION DU MECANISME DE SAUT DE FREQUENCES ....................................................... 21 1.4.1 Gains liés au saut de fréquences ........................................................................................ 21 1.4.2 Saut de fréquences en "Bande de Base" ............................................................................. 22 1.4.3 Saut de fréquences en "Saut Synthétisé" ............................................................................. 23 1.4.4 Discontinuité de brouillage et gain en interférence............................................................ 24 1.4.5 Paramétrage du saut de fréquences.................................................................................... 26

1.5 CONCLUSION ............................................................................................................................ 28 2 CONCEPTION D'UN CRITERE EVOLUE DE C/I ................................................................... 29

2.1 GESTION DE LA MOBILITE ET CRITERES DE SERVICE ................................................................. 30 2.1.1 Principes généraux ............................................................................................................. 30 2.1.2 Prise de mesures ................................................................................................................. 32 2.1.3 Principe de calcul de mesure moyenne ............................................................................... 33 2.1.4 Utilisation des moyennes pour la détection d’alarmes de HO ........................................... 34 2.1.5 Choix de la cellule cible ..................................................................................................... 35 2.1.6 Critères de services ............................................................................................................ 36

2.2 CALCUL DES PROBABILITES DE PRISE DE SERVICE .................................................................... 37 2.2.1 Formulation générale du problème .................................................................................... 37 2.2.2 Résolution proposée dans le cas d'une couverture de deux BS .......................................... 37 2.2.3 Résolution proposée dans le cas général ............................................................................ 39

2.3 CALCUL DE L'INTERFERENCE POUR UN CRITERE DE C/I ............................................................ 40 2.3.1 Calcul du niveau de C/I sur un secteur et une maille ......................................................... 41 2.3.2 Calcul de l'interférence pour un ensemble de secteurs sur une maille ............................... 41 2.3.3 Calcul de l'interférence sur un ensemble de mailles........................................................... 42

2.4 CONCLUSION ............................................................................................................................ 46 3 MODELE GENERAL DE QUALITE DE SERVICE EN FTDMA ........................................... 47

3.1 LIMITE DES DIFFERENTES APPROCHES D'EVALUATION ............................................................. 48 3.1.1 Complexité .......................................................................................................................... 48 3.1.2 Approches analytiques ........................................................................................................ 48 3.1.3 Approches par simulation ................................................................................................... 49 3.1.4 Approche retenue ................................................................................................................ 50

3.2 MODELE DE PROBABILITE DE COLLISION ENTRE TS ................................................................. 51 3.2.1 Objectifs .............................................................................................................................. 51 3.2.2 Modèle de probabilité de collision pour un secteur brouilleur unique............................... 52 3.2.3 Modèle de probabilité de collision pour plusieurs secteurs brouilleurs ............................. 58 3.2.4 Prise en compte des conditions de saut de la serveuse ....................................................... 60

3.3 PRISE EN COMPTE DE LA PUISSANCE DES SECTEURS ET CALCUL DE LA DISTRIBUTION DE BER . 63 3.3.1 Problématique .................................................................................................................... 63

Table des matières 5

3.3.2 Cas du saut de fréquences en motif 1x1 .............................................................................. 64 3.3.3 Cas général ......................................................................................................................... 66 3.3.4 Prise en compte des spécificités de saut des secteurs ......................................................... 71

3.4 EVALUATION DE LA QUALITE VOIX EN GSM ............................................................................ 71 3.4.1 Transmission de la parole en GSM..................................................................................... 72 3.4.2 Adaptation des modèles d'évaluation de l'interférence ....................................................... 73 3.4.3 Comparaison des modèles d'évaluation du FER ................................................................ 75

3.5 CONCLUSION ............................................................................................................................ 78 4 TESTS ET RESULTATS EXPERIMENTAUX........................................................................... 79

4.1 VALIDATION DU MODELE PAR CAMPAGNE DE MESURES ........................................................... 80 4.1.1 Protocole expérimental ....................................................................................................... 80 4.1.2 Parcours secteur DR_Bagnolet_3 ...................................................................................... 82 4.1.3 Parcours Station DR_Bagnolet_2 ...................................................................................... 89 4.1.4 Conclusion .......................................................................................................................... 95

4.2 IMPACT DU SAUT DE FREQUENCES SUR LE CHOIX DE L'INGENIERIE DE FREQUENCES ................ 96 4.2.1 Rappel sur les stratégies d'allocation de fréquences en situation de saut de fréquences ... 96 4.2.2 Choix de la taille de la MAL pour le Saut Synthétisé motif 1x1 ......................................... 98 4.2.3 BBFH ou SFH_1x1, un compromis entre qualité et coûts opérationnels ......................... 103 4.2.4 Résultats opérationnels et comparaison aux prédictions ................................................. 104

4.3 CONCLUSION .......................................................................................................................... 109 5 EVALUATION DE LA QUALITE POUR LES SYSTEMES DE DONNEES ....................... 110

5.1 EVALUATION DU SYSTEME DE TRANSMISSION GPRS ............................................................. 111 5.1.1 Spécificités de l'interface radio impactant le modèle ....................................................... 111 5.1.2 Partage des ressources physiques avec le service GSM voix ........................................... 112 5.1.3 Evaluation de la qualité du service GPRS ........................................................................ 113 5.1.4 Comparaison d'ingénieries et montée en charge du service GPRS .................................. 116 5.1.5 Conclusion ........................................................................................................................ 123

5.2 EVALUATION DU SYSTEME DE TRANSMISSION EDGE ............................................................ 124 5.2.1 Introduction de la norme EDGE ....................................................................................... 124 5.2.2 Modulation ....................................................................................................................... 125 5.2.3 Schémas de modulation et de codage MCS ...................................................................... 127 5.2.4 Construction d'un burst .................................................................................................... 128 5.2.5 Adaptation de lien ............................................................................................................. 129 5.2.6 Protocole de retransmission IR ........................................................................................ 130 5.2.7 Partage des ressources et multiplexage ............................................................................ 131 5.2.8 Conséquences pour le modèle probabiliste ...................................................................... 132

5.3 CONCLUSION .......................................................................................................................... 136 CONCLUSION ....................................................................................................................................... 137 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................................. 140

Table des acronymes utilisés 6

Tableau des acronymes utilisés

8PSK 8-level Phase Shift KeyingARCEP Autorité de Régulation des Communications Electroniques et des PostesARQ Automatic Repeat RequestBBFH Base Band Frequency HoppingBCCH Broadcast Control CHannelBER Bit Error RateBLER Block Erasure RateBS Base StationBSC Base Station controllerBSIC Base Station Identity CodeC/I Carrier-to-Interference ratioCL Critère de LiaisonCP Critere de PuissanceCRC Cyclic Redundancy CheckCRC Communication Reussie de qualite CorrecteCS Coding SchemeDDFSE Delayed Decision-Feedback Sequence EstimationDL DownlinkDTX Discontinuous TransmissionECSD Enhanced Circuit Switched DataEDGE Enhanced Data Rates for GSM EvolutionEGPRS Enhanced GPRSFER Frame Erasure RateFN Frame NumberFTDMA Frequency Time Division Multiple AccessGMSK Gaussian Minimum Shift KeyingGPRS General Packet Radio ServiceGPS Global Positioning SystemGSM Global System for Mobile communicationHC2 Heure Chargée 2HO HandoverHSN Hopping Sequence NumberIQR Indice de Qualite RadioIR Incremental RedundancyLLC Logical Link ControlLPC Linear Predictive CodingLTP Long Term PredictionMAL Mobile Allocation ListMAC Medium Access ControlMAI Mobile Allocation IndexMAIO Mobile Allocation Index OffsetMAL Mobile Allocation ListMCS Modulation Coding SchemeMSC Mobile-services Switching CenterNCOUP Nombre de CoupuresPBCCH Priorite au BCCH PBGT Power BudgetPCU Packet Control UnitPIRE Puissance Isotrope Rayonnée EquivalentePPS Probabilité de Prise de Service PPT Probabilité de Perte de TramePS Priorite au SautRLC Radio Link ControlRPE Regular Pulse Excitation RPE-LTP Regular Pulse Excitation - Long Term predictionRSSE Reduced-State Sequence EstimationSACCH Slow Associated Control CHannelSCH Synchronization ChannelSFH Synthesized Frequency HoppingTCH Traffic ChannelTDMA Time Division Multiple AccessTRX Transceiver EquipmentTS Time SlotUL UplinkUMTS Universal Mobile Telecommunication SystemUSF Uplink Status Flag

Introduction 7

Introduction Les systèmes cellulaires basés sur des méthodes de multiplexage de type FTDMA, et notamment le GSM, représentent en 2005 plus de 75 % du marché des services mobiles dans le monde (sources 3G America). Loin de disparaître avec l'apparition des réseaux de 3e génération et l'attente générée en termes de services de données, ces réseaux ont encore une croissance en abonnés de 90% par an. Cette évolution soumet les réseaux FTDMA à deux types de problématiques. La première consiste à s'adapter à une demande en capacité de plus en plus forte tout en restant à spectre constant. La seconde consiste à introduire des services de données en modifiant le moins possible l'architecture GSM pour profiter de la couverture de ces réseaux matures. Cette évolution s'est faite et continue de se faire en deux parties avec l'introduction des normes GPRS et EDGE. Les opérateurs sont donc amenés à considérer de nouvelles technologies et de nouvelles ingénieries sur leur réseau. Leur but est de pouvoir assurer une densification de capacité sur le réseau existant du fait de l'arrivée tardive de l'UMTS et de son coût de déploiement très important. Leur but est également d'améliorer la qualité générale du réseau pour permettre la mise en place de services de transmission de données, dont la demande est extrêmement forte, et qui sont plus sensibles à l'interférence que les services vocaux. Prévu dans la norme GSM et mis en place sur les réseaux à la fin des années 90, le saut de fréquences lent est une méthode permettant d'accroître la qualité du réseau et d'en augmenter la capacité lorsque celle-ci est limitée par l'interférence. Le saut de fréquences induit une diversification des fréquences utilisées par une communication et une meilleure répartition des interférences sur le spectre. Cette technologie est la solution la moins coûteuse pour atteindre ces objectifs de qualité et de capacité. L'étude de méthodes d'ingénierie et notamment d'allocation des fréquences sur les réseaux utilisant le saut de fréquences a souvent été limitée dans son périmètre. On trouve des études théoriques basées sur des réseaux hexagonaux et des études de simulation réalisées sur des réseaux de très petite taille. L'absence d'outils d'analyse du saut de fréquences prenant en compte la complexité de configurations réalistes de réseaux a poussé les opérateurs à effectuer directement des expérimentations de grandeur réelle. Ces expérimentations coûtent très cher en moyens humains et matériels et sont longues à réaliser. Par ailleurs, faute de modélisation des phénomènes, la généralisation et la reproductibilité des résultats sont impossibles. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle mathématique permettant d'analyser l'interférence générée par les systèmes à saut de fréquences dans des conditions évoluées de simulation de la propagation des ondes radioélectriques et sur des réseaux FTDMA de taille réelle. La construction de ce modèle mathématique tentera donc toujours de respecter des contraintes d'efficacité permettant l'évaluation de réseaux dans un délai acceptable, c'est-à-dire en moins d'une heure pour un réseau de quelques centaines de secteurs. Le document de thèse est structuré en cinq chapitres, chaque chapitre étant introduit par un résumé avec une liste de mots clefs et sa table des matières. Le premier chapitre est une introduction aux principes fondamentaux à l'origine des réseaux cellulaires. La relation, dans les systèmes FTDMA, entre densité du réseau, ressources fréquentielles, interférence et capacité est montrée sur un réseau théorique. Ce chapitre présente les limitations de ces principes pour évaluer des réseaux réels, et introduit les mécanismes liés au saut de fréquences.

Introduction 8

L'objectif du second chapitre est de présenter, sur un critère simple, la méthodologie qui sera utilisée pour évaluer globalement la qualité de service sur un réseau. Cette méthodologie utilise dans un premier temps des modèles évolués de prévision du champ radioélectrique. Dans un deuxième temps, il est expliqué comment est prise en compte la multiplicité des stations de base pouvant offrir le service en un point donné du réseau. Ensuite, un critère d'interférence, en termes de signal sur interférence, est calculé pour chaque station de base offrant potentiellement un service en chaque point. Il est enfin expliqué comment l'ensemble de ces données est regroupé afin d'obtenir une évaluation globale de la qualité sur l'ensemble du réseau. Cette qualité est exprimée à la fois en termes de volumes de surface et de trafic dégradés. Le troisième chapitre présente la problématique de la construction d'un critère d'interférence cohérent avec les mécanismes du saut de fréquences en FTDMA. Il constitue le cœur de l’innovation apportée par le travail de thèse. Après avoir montré les lacunes des études présentées dans la littérature pour évaluer la qualité de réseaux réels en saut de fréquences, un nouveau modèle d'interférence est défini. Il intègre les phénomènes de diversité de fréquences et de diversité d’interférence induit par l’utilisation de canaux en situation de saut de fréquences. Ce modèle s'appuie sur un calcul de distribution de probabilité de collision entre les unités temporelles de la transmission (ou Time-Slots) pour une communication soumise à l'interférence d'un secteur partageant au moins un canal de fréquences identique avec des stations brouilleuses. Ces probabilités de collision sont ensuite transformées en probabilités de taux d’erreur binaire afin de pouvoir cumuler les effets brouilleurs conjugués de plusieurs secteurs interférents. Une fois ce cumul effectué, ces probabilités de taux d’erreur binaire sont transformées en probabilité de taux d’effacement de trame vocale afin d'obtenir une métrique d'évaluation directe de la qualité de service mesurée par l'utilisateur. L'adaptation de ce modèle d'interférence à l'évaluation de la qualité de service voix sur les réseaux GSM est ensuite présentée et discutée. Le quatrième chapitre constitue une validation opérationnelle du modèle. Dans un premier temps, les prévisions du modèle en un point et pour une station de base offrant le service sont comparées à des mesures réelles de deux parcours de mesures effectuées sur la ville de Paris en 2002. Dans cette validation, le nombre de canaux de fréquences de saut est identique au nombre d’émetteurs par station de base. Dans un deuxième temps, le modèle est utilisé globalement pour évaluer et comparer la qualité de différentes ingénieries de fréquences utilisant le saut de fréquences. Cette expérimentation permet de tester la robustesse du modèle pour des configurations de réseaux où le nombre de canaux de fréquences de saut est supérieur au nombre d’émetteurs par station de base. Elle permet également de vérifier la qualité de la méthodologie d'évaluation à l'échelle d'un réseau complet présentée dans le chapitre 2. Enfin elle permet d'examiner la corrélation entre un indicateur de qualité simulé en FER et différents indicateurs de qualité remontés du réseau ou ressentis par des utilisateurs. En particulier, ces évaluations sont comparées aux indicateurs de qualité mesurés sur un réseau réel lors d'un changement d'ingénierie de fréquences. Le cinquième et dernier chapitre décrit l'adaptation du modèle d'interférence pour l'analyse de la qualité des services de données aux normes GPRS et EDGE. Après une description de GPRS et des adaptations des métriques de qualité calculées à partir du modèle de probabilité, une étude d'ingénierie est menée pour l'introduction de services de données sur un réseau GSM/GPRS. Cette étude discute du choix de l'ingénierie de fréquences et des priorités d'allocation des ressources radio dans un scénario de forte montée en charge de services de données GPRS dans un réseau GSM mature. Les spécificités de la norme EDGE sont ensuite discutées et un certain nombre d'hypothèses sont faites afin d'assurer une adaptation du modèle d'interférence à l'évaluation de la qualité de service EDGE. Cette évaluation est plus complexe à réaliser car elle dépend de couches de réseau supérieures à la couche physique. Le document se termine par un chapitre de conclusion qui reprend l’ensemble des travaux présentés et donne des perspectives liées aux limites du modèle que nous avons défini et à son exploitation de la version présentée.

Chapitre 1 - Concept cellulaire et conception théorique de réseaux FTDMA limités en interférence 9

1 Concept cellulaire et conception théorique de réseaux FTDMA limités en interférence

Ce chapitre présente l'influence des études initiales liées au concept cellulaire sur l'architecture moderne des réseaux radio mobiles de grande capacité. Sur la base de ces concepts, un exemple classique de dimensionnement et de conception théorique d'un réseau de capacité limitée en interférence est décrit. Les limitations liées à l'irrégularité du réseau, à la complexité de la propagation et à l'impact de l'interférence sur la qualité de service sont ensuite introduites. C'est l'analyse de ces limitations dans l'application de cette méthode qui conduira dans les chapitres suivants à la construction de nouveaux critères permettant de juger de la qualité d'un réseau radio mobile et ainsi d'en optimiser la conception et la capacité. Enfin la technologie du saut de fréquences est introduite. On considérera le saut en Bande de Base et le Saut Synthétisé, ainsi que leurs paramètres. Le saut de fréquences a un impact majeur sur la qualité de la porteuse et sur la qualité de service à travers les gains en interférence. La modélisation de cette qualité interviendra en particulier au chapitre 3. Mots clefs : concept cellulaire, dimensionnement, modèle de propagation, saut de fréquences, interférence.

1.1 LES RESEAUX CELLULAIRES..................................................................................................... 10 1.1.1 Définition fonctionnelle et objectifs du concept cellulaire ................................................. 10 1.1.2 Principes du concept cellulaire .......................................................................................... 11 1.1.3 Concept cellulaire et études d'ingénierie ........................................................................... 12

1.2 CONCEPTION THEORIQUE DES RESEAUX CELLULAIRES FTDMA.............................................. 12 1.2.1 Principes de base des réseaux FTDMA.............................................................................. 13 1.2.2 Dimensionnement en puissance et bilan de liaison ............................................................ 14 1.2.3 Dimensionnement en capacité dans un système limité par l'interférence .......................... 15 1.2.4 Intérêts et limitations.......................................................................................................... 19

1.3 PRISE EN COMPTE DE MODELES DE PROPAGATION COMPLEXES ................................................ 19 1.3.1 Les modèles empiriques et statistiques............................................................................... 20 1.3.2 Les modèles théoriques ...................................................................................................... 20 1.3.3 Les modèles semi-empiriques ............................................................................................. 21

1.4 INTRODUCTION DU MECANISME DE SAUT DE FREQUENCES....................................................... 21 1.4.1 Gains liés au saut de fréquences ........................................................................................ 21 1.4.2 Saut de fréquences en "Bande de Base" ............................................................................. 22 1.4.3 Saut de fréquences en "Saut Synthétisé"............................................................................. 23 1.4.4 Discontinuité de brouillage et gain en interférence ........................................................... 24 1.4.5 Paramétrage du saut de fréquences ................................................................................... 26

1.5 CONCLUSION ........................................................................................................................... 28


1.1 Les réseaux cellulaires La recherche sur la conceptualisation des réseaux cellulaires date d’avant la seconde guerre mondiale. Elle s’est faite essentiellement aux Etats-Unis chez Bell Labs de manière confidentielle. En décembre 1947, D.H. Ring pose les fondations du concept cellulaire dans un mémorandum interne avec la collaboration de W.R. Young [Young79]. En plus des blocages politiques liés à l'attribution de fréquences et à la position de monopole de Bell Labs, des difficultés techniques dues à l'évolution des matériels électroniques pour la gestion de la mobilité retardent l'apparition de réseaux cellulaires expérimentaux jusqu'à la fin des années 60 [Farley04]. Une fois les blocages techniques levés, un brevet structurant l'application du concept cellulaire vers une architecture concrète de réseau cellulaire basé sur la réutilisation de fréquences est soumis par Bell Labs en 1970 et accepté en 1972 [BellLabs70]. Ce n'est que six ans plus tard que l'autorité américaine de régulation des télécommunications autorisera l'implémentation du premier réseau expérimental basé sur ce brevet. Avec la confrontation à la réalité du déploiement des réseaux, les travaux sur les ingénieries prennent le pas sur les recherches théoriques concernant le concept cellulaire lui-même [SRI98]. L’apparition de modèles de propagation évolués permet alors de créer des outils de visualisation et d’aide à la conception des réseaux plus proche des problématiques de déploiement. Ensuite les problèmes de l’allocation des ressources fréquentielles et d'efficacité spectrale de l'interface radio ont monopolisé la recherche des opérateurs téléphoniques qui maintenant sont plus sensibles à l'introduction de nouveaux services basés sur la transmission de données haut débit. Le délai entre les premières études théoriques sur le concept cellulaire et l'apparition des premiers réseaux commerciaux a fait que la théorie mise en place avant la fin des années 50 a été plus utilisée comme une base acquise de la conception de réseaux cellulaires que comme un état de l'art à faire évoluer. Ainsi les études de Bell Labs sur le concept cellulaire restent véritablement fondatrices de toute la conception moderne des réseaux cellulaires.

1.1.1 Définition fonctionnelle et objectifs du concept cellulaire Du point de vue des usagers, les réseaux cellulaires se différencient des autres réseaux téléphoniques par la capacité à fournir un service téléphonique mobile à un grand nombre d’utilisateurs et de permettre à ces utilisateurs de se déplacer librement et rapidement durant une communication sans dégradation significative de la qualité de service, ceci presque sans limite géographique. Un système cellulaire est alors défini comme un système capable de satisfaire un grand nombre d’utilisateurs dans une zone géographique donnée en utilisant une portion limitée du spectre des fréquences. La capacité est obtenue en utilisant un grand nombre de stations émettrices basse puissance (notées BS pour Base Station dans la suite) pour servir des zones géographiques appelées "cellules". La réutilisation des fréquences d’une cellule à une autre permet de multiplier le nombre de canaux de fréquences utilisables dans une zone. De plus, lorsque la demande augmente, les cellules peuvent être divisées en cellules plus petites de manière à augmenter encore le taux de réutilisation des fréquences dans une zone. Lorsque les utilisateurs se déplacent, ils sont commutés de manière instantanée et transparente d’une station à une autre par l’intermédiaire d’un mécanisme appelé "handover" (noté HO dans la suite). Un système informatique automatisé et centralisé dirige l’ensemble du réseau, identifiant les mobiles et établissant les connexions.


On peut lier cette approche descriptive [SRI98] des réseaux cellulaires aux objectifs que s'était imposé Bell Labs lors de l'élaboration du concept cellulaire. Ces objectifs étaient [Young79] :

o une grande capacité d’abonnés, o une utilisation efficace du spectre, o une compatibilité nationale, o une grande disponibilité spatiale et temporelle, o une adaptabilité à la quantité de trafic, o un service accessible aux véhicules et aux portables, o la possibilité d’avoir des services autres que téléphoniques, o une qualité téléphonique proche de celle du réseau fixe, o un prix abordable pour un large public.

Si l’on omet les deux premiers objectifs, de nombreux systèmes pouvaient répondre aux attentes, cependant c’est le concept cellulaire qui permet de faire évoluer la capacité "indéfiniment" sans augmentation du spectre alloué [McDonald79].

1.1.2 Principes du concept cellulaire Le concept cellulaire (Figure 1) est basé sur quatre principes fondamentaux :

o La réutilisation de fréquences : il s'agit de l’utilisation de canaux radios de mêmes fréquences pour couvrir différentes zones d'un même réseau tout en contrôlant l’interférence. Cette idée n’était pas nouvelle en soi, mais elle est devenue critique pour la radiotéléphonie à cause du faible ratio entre bande de fréquence disponible et quantité d’information à transmettre.

o Le fractionnement cellulaire : il consiste à diviser une cellule en plusieurs cellules plus

petites qui auront ainsi moins de trafic à écouler. On parle aussi de densification dans le sens où il s’agit d’une application récursive du concept cellulaire sur lui-même. Le fractionnement cellulaire intervient lorsqu’une cellule est saturée en trafic. Il oblige une maîtrise de la puissance d’émission des stations pour ne pas augmenter l’occupation du spectre en un point. C’est cette maîtrise qui donne la limitation en densification (et donc en capacité) d’un système.

o La géométrie cellulaire : elle doit permettre de se donner une représentation simple du

système cellulaire. De plus, l’absence d’une structure géométrique régulière dans un motif cellulaire rend difficile l’adaptation à une augmentation de trafic. Le spectre risque ainsi d’être utilisé de manière inefficace et trop d’équipements seront déployés. Cela oblige également beaucoup d’improvisation et une grande maîtrise empirique des systèmes radios pour assurer la croissance du système [McDonald79]. Seuls trois polygones réguliers permettent d’effectuer un pavage parfait du plan. Il s’agit du triangle équilatéral, du carré et de l’hexagone. C’est l’hexagone qui a été retenu pour la géométrie cellulaire car c’est la figure la plus proche du cercle en surface, le cercle étant la forme d’une couverture obtenue à partir d’une antenne isotrope dans un milieu sans obstacle.

o La gestion globale du réseau : elle doit permettre non seulement la communication

entre usagers mobiles, mais aussi entre usagers mobiles et usagers du réseau commuté [SRI98]. Elle doit également permettre l’itinérance, c’est à dire la possibilité d’utiliser un terminal de télécommunication en un point quelconque du réseau, mais aussi le transfert intercellulaire, c’est à dire le mécanisme grâce auquel un mobile peut transférer, de manière transparente pour l’utilisateur, sa connexion d’une BS vers une autre, assurant ainsi la mobilité.


Figure 1 : Schéma d'un réseau cellulaire imaginé par Bell [Farley04]

1.1.3 Concept cellulaire et études d'ingénierie C’est la notion de géométrie cellulaire qui a créé le décalage avec les réseaux cellulaires réels [Lee86]. En effet, la propagation des ondes se fait dans un environnement inhomogène (urbain, rural, montagneux…) et en présence de nombreux obstacles (immeubles, arbres,…). La propagation des ondes se fait alors suivant des phénomènes physiques complexes (réfection, diffraction, etc.). Il n'est donc pas possible de représenter simplement des cellules par des formes régulières et l'on perd ainsi la majeure partie des résultats théoriques obtenus à l’aide du modèle théorique hexagonal. Cet écart entre le modèle théorique d’application du concept cellulaire utilisé habituellement et la réalité ne remet cependant pas en cause le concept cellulaire lui-même. En effet, le concept cellulaire ne doit pas être assimilé au pavage hexagonal et les autres parties du concept (réutilisation des fréquences, densification, gestion centralisée) ne doivent pas être appréhendées comme des éléments indépendants entre eux, et indépendants de la géométrie cellulaire. Cette dissociation des éléments du concept cellulaire a eu pour effet de séparer deux approches d'étude de l'ingénierie des réseaux cellulaires. L'une, théorique, est basée sur le modèle hexagonal et se retrouve dans les articles de recherche. L'autre, très pragmatique est basée sur des critères de fonctionnement lors d'un déploiement terrain et se retrouve dans les méthodologies des opérateurs et les logiciels commerciaux d'aide à l'ingénierie.

1.2 Conception théorique des réseaux cellulaires FTDMA La problématique abordée ici consiste à déterminer, dans une perspective de modélisation basée sur le concept cellulaire (modèle de cellules hexagonales régulières), le nombre de BS nécessaires à la garantie d'un service pour une densité d'utilisateurs donnée constante sur une zone de taille très supérieure à la taille d'une cellule. En même temps qu'un dimensionnement en BS nécessaires, cette approche donne une localisation théorique des sites pour les BS et un


schéma de réutilisation des fréquences sur chaque BS pour contrôler les phénomènes d'interférence. Cette problématique prend en compte :

o le nombre de canaux fréquentiels disponibles pour assurer ce service, o la capacité de chaque canal fréquentiel en nombre d'utilisateurs simultanés, o la sensibilité du service à l'interférence, o le taux de blocage maximum toléré pour l'accès d'un usager au service.

Cet exemple théorique permet de positionner simplement l'évaluation de l'interférence par rapport aux autres problématiques dans le processus de conception du réseau.

1.2.1 Principes de base des réseaux FTDMA La transmission FTDMA (Frequency Time Division Multiple Access) est basée sur un double multiplexage de la transmission en fréquences et en temps. La bande de fréquences disponible est séparée en plusieurs canaux de fréquences de même taille. La transmission de données pour un utilisateur est effectuée de manière régulière, mais discontinue dans le temps. Les intervalles élémentaires de temps sont appelés TS (Time Slot). Ces intervalles de temps sont regroupés en trames appelées trames TDMA qui définissent la périodicité de transmission d'un TS associé à une communication. On définit ainsi un canal physique comme constitué par la répétition périodique d'un TS dans les trames TDMA. Une communication correspond alors à l'occupation d'un canal physique.

Canal de fréquences

Bande de fréquences allouée à la

mise en place d'un service de

téléphonie mobile

Fréq

uenc

es

Temps


permettant la transmission du service

pour un utilisateur

Unité élémentaire de découpage en temps (TS)

Trame TDMA GSM (regroupant 8TS)

Canal Physique

10110010

Burst


Bande de fréquences allouée à la

mise en place d'un service de

téléphonie mobile

Fréq

uenc

es

Temps


permettant la transmission du service

pour un utilisateur

Unité élémentaire de découpage en temps (TS)


Canal Physique

10110010

Burst Figure 2 : Principe de multiplexage en fréquences et en temps

L'information transmise pendant la durée d'un TS est appelée un burst (Figure 2). L'émission par une BS de bursts sur une structure temporelle de trames TDMA sur un canal fréquentiel est gérée par un équipement appelé TRX (Transceiver Equipment). Un TRX peut, grâce au multiplexage en temps, émettre plusieurs canaux physiques de manière "simultanée" sur un même canal de fréquences. Une BS peut être équipée de plusieurs TRX et peut donc émettre simultanément sur plusieurs canaux fréquentiels, augmentant d'autant sa capacité.


Une trame de service est définie comme une unité élémentaire d'information associée à un service. Cette trame de service est transformée après codage et entrelacement en un ensemble de bursts qui sont alors transmis sur le canal physique.

1.2.2 Dimensionnement en puissance et bilan de liaison Dans un environnement sans interférences ni bruit, une liaison radioélectrique rend possible la transmission d'informations si le signal provenant d'un transmetteur est supérieur au seuil de sensibilité en réception du récepteur. Entre l'émission et la réception d'un signal radioélectrique, un certain nombre de pertes et de gains sont enregistrés sur la puissance radioélectrique du signal. L'ensemble de ces pertes et de ces gains doit aboutir à un signal recueilli par le récepteur supérieur à son seuil de sensibilité en réception. La mise en équation de l'ensemble de ces pertes et de ces gains constitue le bilan de liaison radioélectrique. Ce bilan de liaison permet de déterminer une portée maximale du signal entre l'émetteur et le récepteur. Pour un réseau radio mobile cellulaire, ce bilan de liaison est double, chaque équipement (mobile et BS) ayant simultanément un rôle de transmission et de réception. On distingue en général trois parties dans un bilan de liaison (Figure 3) :

o La partie émission regroupe la puissance d'émission de l'émetteur et les gains et pertes liés aux équipements électroniques de l'émetteur. La PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) est alors la puissance réellement émise.

o La partie réception regroupe la sensibilité du récepteur, les gains et pertes liés aux équipements électroniques du récepteur, ainsi que des marges permettant de se prémunir de phénomènes de pertes non directement modélisables liés à la réception.

o La partie affaiblissement regroupe les éléments liés à la perte en puissance de l'onde radioélectrique lors de sa propagation sur l'interface air entre l'antenne d'émission et l'antenne de réception.

Sens de la liaison Montante Descendante Partie réception BS MS Sensibilité - 104 dBm - 102 dBm C Marge de protection 3 dB 3 dB D Perte totale câble et connecteur 4 dB 0 dB E Gain d'antenne 12 dBi 0 dBi F Marge de masque 5 dB 5 dB G Puissance médiane nécessaire - 104 dBm - 94 dBm H=C+D+E - F+G

Partie émission MS BS Puissance d'émissio n (classes 2 et 7) 33 dBm 38 dBm I Perte de couplage + isolateurs 0 dB 3 dB K Perte totale câble et connecteurs 0 dB 4 dB L Gain d'antenne 0 dBi 12 dBi M PIRE 33 dBm 43 dBm N=I - K - L+M

Bilan de liaison Affaiblissement maximal 137 dB 137 dB O=N - H Perte due au corps humain 3 dB 3 dB P Affaiblissement de parcours 134 dB 134 dB O - P Portée en extérieur 2 km 2 km Okumura Hata pour zone urbaine Portée en intérieur (marge de 15 dB) 0 ,7 km 0,7 km

Figure 3 : Exemple de bilan de liaison [GSM03.30]


Lors du dimensionnement en puissance, les parties émission et réception sont supposées connues. La différence entre la puissance globale émise par la partie émission et la sensibilité globale de la partie réception permet de déterminer l'affaiblissement maximum pouvant être subi par la puissance de l'onde radioélectrique entre l'émetteur et le récepteur. Pour une fréquence donnée, si l'on suppose une propagation uniforme sur la zone étudiée, cet affaiblissement est une fonction directe de la distance. On peut alors déterminer la distance maximum autorisée entre une antenne et un mobile pour assurer le service comme étant le minimum entre la distance maximale d'affaiblissement en considérant la BS comme émetteur et la distance maximale d'affaiblissement en considérant la BS comme récepteur. Dans la modélisation du concept cellulaire par géométrie hexagonale régulière, cette distance correspond au rayon maximum d'un hexagone dû à la limitation en puissance du système.

1.2.3 Dimensionnement en capacité dans un système limité par l'interférence

Lors de la réception d'un service sur une fréquence, un mobile reçoit un signal utile de puissance C, émis par la BS auquel il est rattaché et portant le service. Cette BS sera désignée par le terme de "BS serveuse" ou "serveuse" par la suite. Cependant le mobile reçoit également un ensemble de signaux interférant ce signal serveur. On peut distinguer une interférence parfaitement aléatoire provenant essentiellement du bruit thermique lié au matériel électronique du récepteur et une interférence structurée, due à la réutilisation de fréquences, provenant de l'émission de service par les autres BS du réseau sur le même canal de fréquences ou sur des canaux de fréquences voisins. Ces BS seront appelées "BS interférentes" ou "interférentes" par la suite. Il est à noter que bien évidemment une BS interférente pour un mobile peut être serveuse pour un autre mobile. On note N la puissance de l'interférence due au bruit et I la puissance totale des interférences liées aux BS interférentes. Afin de pouvoir décoder le service reçu, le mobile doit recevoir le signal avec un niveau de qualité défini par C/(I+N) supérieur à une valeur seuil dépendante de la sensibilité à l'interférence du service en question. Dans des réseaux de grande capacité où la réutilisation des fréquences est effectuée de manière intensive, on a souvent I >> N. Dans la suite de ce chapitre, on fera donc l'hypothèse que N est négligeable devant I. On parle de système limité par l'interférence par opposition aux systèmes limités par le bruit. La suite de cette partie présente un exemple de dimensionnement en capacité basé sur la géométrie hexagonale régulière dans un système limité par l'interférence. On considère des BS ayant des antennes à rayonnement omnidirectionnel de telle sorte qu'une seule BS est installée par site. La zone de service principale de cette BS est représentée par un hexagone régulier et la BS se trouve au centre de celui-ci. Cette présentation simplifiée du dimensionnement d'un réseau FTDMA limité par l'interférence est basée sur [Lee93] et [Zander00].

• Rayon cellulaire Le rayon R d'une cellule est défini comme la distance entre la BS au centre de la cellule et le point appartenant à la cellule à la distance la plus élevée de la BS. La distance inter sites d est définie comme la distance entre deux BS distinctes et adjacentes sur la grille. Dans le cas


d'hexagones réguliers, cette distance est une constante sur la zone à dimensionner et la relation liant R à d est :

36cos2

Rd

Rd

=

= π

• Distance inter sites On considère maintenant la distance inter sites d comme l'unité de mesure de référence. Soit D la distance entre 2 sites quelconques en se plaçant dans un repère centré sur l'un des sites, normé par rapport à d et d'axes présentant un angle de 60 degrés, comme présenté ci-contre. Si x et y sont les coordonnées du second site dans ce repère, on a :

xyyxD ++= ²²

• Motifs de réutilisation de fréquences On associe maintenant un groupe de canaux de fréquences à chaque BS en maîtrisant l'interférence liée à la réutilisation des fréquences en tout point de l'espace. Un motif de réutilisation de fréquences est défini comme un ensemble connexe d'hexagones permettant de paver parfaitement un plan et de telle sorte que la distance minimale entre deux sites réutilisant le même canal de fréquences est la même en tout point (Figure 4). On appelle cette distance la distance de réutilisation d'un canal de fréquences. Il est possible de démontrer en géométrie analytique que la taille N de ces motifs (nombre de cellules composant le motif) est régie par l'équation :

ijjiN ++= ²² , où i et j sont des entiers naturels. Les premières tailles de motifs possibles sont donc : 1, 3, 4, 7, 9, 12, …

Figure 4 : motifs de réutilisation de fréquences de tailles 4 et 7

x

y

R

d

30°

R

d

30°


Une étude complète de la planification de fréquences sur une grille hexagonale peut être trouvée dans [Leese97].

• Distance de réutilisation et rayon cellulaire On déduit des équations qui précèdent que le rapport entre la distance de réutilisation D et le rayon cellulaire R peut s'écrire en fonction de la taille du motif de réutilisation des fréquences et vaut :

NRD 3=

• Interférence maximale et géométrie hexagonale On calcule maintenant le niveau de qualité (rapport C/I) le plus élevé pouvant être rencontré par un mobile sur le réseau construit. De par la complète symétrie du réseau construit, ce C/I est indépendant de la cellule considérée et apparaît à l'endroit où le champ serveur est le moins fort et les champs interférents les plus forts. Ce point est donc situé en bordure de cellule à la distance R de la BS. Ce calcul est effectué dans des hypothèses très simples. On ne prend en compte que l'interférence générée par l'utilisation de canaux de fréquences identiques (interférence co-canal). On utilise un modèle de propagation simplifié de la forme :

αrcPP transmise

reçue =

Où

Preçue est la puissance reçue par le mobile, Ptransmise est la puissance transmise par la BS, c et α sont deux constantes dépendantes du

milieu de propagation, r est la distance entre le mobile et la BS.

Le pavage régulier du réseau hexagonal par le motif de réutilisation des fréquences présente la propriété de positionner pour chaque BS, une couronne de 6 BS équidistantes, interférentes en co-canal tous les Dxyyx ++ ²² , où x et y sont des entiers naturels. En négligeant la distance R devant D et en supposant que toutes les BS émettent avec la même puissance sur le réseau, on obtient un rapport de C/I en bordure de cellule pouvant s'écrire :

++++×

×=

++++=

...7

1

4

1

3

116

1

...7

64

63

66

222

222

ααα

α

α

αα

αα

ααα

α

RD

IC

D

cP

D

cP

D

cPDcP

RcP

IC

D

D3

D

D3


• Seuil de fonctionnement et taille du motif de réutilisation de fréquences Soit C/ISeuil le seuil de fonctionnement en interférences du service considéré. On peut déduire des équations précédentes le rapport D/R minimal, donc la taille N du motif minimal de réutilisation de fréquences pour assurer le seuil de fonctionnement :

( )seuilI

CNIC >

++++×

×=

...7

1

4

1

3

116

13

222

2

ααα

α

• Taille de motif et capacité cellulaire On en déduit, à partir du nombre de canaux alloués à un opérateur, le nombre de canaux de fréquences disponibles par BS :

= NNN totalcanaux

BScanaux_

_

En considérant une arrivée d'utilisateurs suivant une loi de Poisson, des tables obtenues par simulation de files d'attentes (tables d'Erlang) permettent d'évaluer le trafic pouvant être écoulé sur un nombre Ncp de canaux physiques. Cette évaluation est effectuée en fonction du taux de blocage des utilisateurs toléré. Si on considère que le système de transmission permet d'écouler simultanément un nombre donné de communications par canal de fréquences Nutilisateurs/canal, le nombre de canaux physiques disponibles par BS vaut : BScanauxcanalrsutilisateuBScp NNN _/_ ×= Ce trafic est exprimé en Erlang, un Erlang correspondant à l'utilisation d'un canal physique pendant une heure. On déduit donc de ces tables le nombre maximum d'Erlangs MaxE pouvant être écoulés par cellule avec un taux de blocage fixé.

• Capacité cellulaire et résultats de dimensionnement On considère maintenant la zone géographique sur laquelle on veut effectuer le dimensionnement. On considère comme une entrée du problème le fait que cette zone ait une surface SZone et une densité d'utilisateurs Tdensité exprimée en Erlangs/km². La surface d'une cellule hexagonale en fonction de son rayon est donnée par :

2

3²3RS =

Considérant une densité de trafic homogène sur la zone, on déduit le nombre d'Erlangs qui devront être écoulés sur une cellule en fonction de son rayon :

densitédemande TRE2

3²3=

Ce nombre d'Erlangs doit correspondre à MaxE .


On en déduit donc le rayon cellulaire ainsi que le nombre de cellules nécessaires (donc de BS) pour écouler le trafic sur la zone considérée en garantissant des conditions de brouillage permettant l'établissement du service.

1.2.4 Intérêts et limitations L'objectif est de montrer de manière simple les relations pouvant exister entre l'organisation des BS sur le territoire, l'allocation des fréquences, le trafic à écouler et la qualité de service à fournir. L'hétérogénéité de la propagation des ondes dans un contexte non théorique et l'impossibilité de positionner des sites sur leur localisation idéale théorique génèrent des réseaux réels très irréguliers ne pouvant être étudiés sur la base de grilles hexagonales. Cet irrégularité rend également obsolète l'utilisation de motifs de réutilisation des fréquences sur les réseaux réels. De plus, l'implémentation de mécanismes d'amélioration de l'efficacité spectrale tels que le saut de fréquences rendent obsolètes des critères d'évaluation de la limitation en interférences tels qu'un niveau de C/ISeuil.

1.3 Prise en compte de modèles de propagation complexes La position des émetteurs et récepteurs dans l'environnement d'un réseau radio mobile ne permet pas en général une visibilité directe entre le mobile et la BS assurant son service.

Figure 5 : mécanismes de propagation [Sizun03]


L'étude de la propagation des ondes pour les réseaux cellulaires doit s'appuyer sur des modèles complexes prenant en compte la présence d'obstacles entre l'émetteur et le récepteur. Les phénomènes électromagnétiques rencontrés sont bien cernés (Figure 5) : diffraction, absorption, diffusion, guidage, trajets multiples... Il résulte de ces phénomènes un ensemble de chemins élémentaires pour l'onde caractérisés par une atténuation, une amplitude et une phase différente. Au moment de la réception, plusieurs répliques de l'onde initiale se combinent de manière constructive ou destructive. Pour une description très complète de la problématique de modélisation de la propagation des ondes radioélectriques, on pourra se référer à [Sizun03]. Seuls quelques éléments tirés de cette référence sont présentés ici. Les parties suivantes présentent les trois familles de modèles de prévision de champ radioélectrique de la littérature.

1.3.1 Les modèles empiriques et statistiques Les modèles statistiques sont le résultat d’ajustements de mesures. Un des exemples les plus connus est le modèle d’Okumura-Hata [Hata80] [COST231] basé sur l'analyse d'une large campagne de mesures effectuées à Tokyo et dans ses environs. L'atténuation du signal Ap est obtenue par l'équation suivante :

)(log)log55.69.44(log82.13log16.2655.69 10101010 mBB hadhhfAp −−+−+=Avec : o f la fréquence de transmission (entre 50 MHz et 1500 MHz) o hB la hauteur de la station de base (entre 30 et 200 mètres) o hm la hauteur du mobile (entre 1 et 10 mètres) o d la distance entre le mobile et la station de base (entre 1000 et 20000 m) o pour les petites et les villes moyennes :

( ) ( ) ( )8.0log56.17.0log1.1 1010 −−−= fhfha mm

o pour les grandes villes et f ≤ 200 MHz : ( ) ( )( ) 1.154.1log29.8 210 −= mm hha

o pour les grandes villes et f ≥ 400 MHz : ( ) ( )( ) 97.475.11log2.3 210 −= mm hha

Ce type de modèles est encore largement utilisé pour des études car il offre une facilité d'implémentation et des performances de calculs de qualité correcte sans avoir recours à des bases de données géographiques précises. Il reste cependant limité pour des environnements géographiques spécifiques ou des cellules de très petite taille en milieu urbain.

1.3.2 Les modèles théoriques Ces modèles sont basés sur la résolution des équations de Maxwell et s'appuient sur un certain nombre d'approximations des phénomènes de propagation. La lourdeur des calculs générés par ces modèles (éléments finis par exemple) fait qu'ils ne sont utilisés qu'à des fins d'étude ou comme référence de comparaison pour la construction de modèles empiriques ou semi-empiriques.


1.3.3 Les modèles semi-empiriques Ces modèles combinent à la fois des formulations analytiques de phénomènes tels que la diffraction ou la réflexion [Deygout66] [Vogler82] et un ajustement statistique de variables par l'utilisation de mesures expérimentales [Balandier95]. Ces modèles sont ceux le plus largement utilisés en ingénierie des réseaux radio mobiles. C'est un modèle semi-empirique développé à France Telecom et relativement proche d'un modèle semi-empirique de type COST-231 qui sera utilisé par la suite. Une description de ce modèle peut être trouvée dans [Sizun03].

1.4 Introduction du mécanisme de saut de fréquences

1.4.1 Gains liés au saut de fréquences Supposons une allocation des fréquences imparfaite sur le réseau, c'est-à-dire qu'il persiste sur le réseau de l'interférence due à la réutilisation de fréquences. Lorsqu'une communication est portée par un canal physique de manière continue sur un unique canal de fréquences, cette communication peut être brouillée en permanence par un ou plusieurs autres secteurs transmettant sur le même canal (Figure 6).

11111111Canal f1

Transmission du BCCH

Transmission de la communication n°3

TRX1 TRX1 TRX1 TRX1 TRX1

TRX2 TRX2 TRX2 TRX2 TRX2TRX2 TRX2 TRX2 TRX2 TRX2


Canal f3

Canal f5

11

432 432

55

TEMPS

Trame TDMA

432 432 432 432 432 432 432 432

55 55 55 55

Figure 6 : Illustration de la transmission sans saut de fréquences

Une fonctionnalité a été prévue dans la norme GSM (Global System for Mobile communication) afin d'éviter cette situation binaire d'interférence, il s'agit du saut de fréquences. En situation de saut de fréquences, le canal physique change de canal de fréquences à intervalles de temps réguliers suivant une séquence de saut connue sur un ensemble prédéfini de fréquences [Mouly92].


De cette manière, en chaque point du réseau, les communications sont réparties plus largement sur l'ensemble des canaux fréquentiels. L'interférence se fait donc également de manière plus étalée sur les communications. Si pour un secteur serveur donné un seul canal de fréquence est interféré, une communication n'est plus que partiellement brouillée et l'information transmise peut être reconstituée à l'aide des codes correcteurs d'erreur. Ce gain est appelé "gain en diversité d'interférences" [Verhulst84]. Les mécanismes de ce gain sont détaillés par la suite (paragraphe 3.1.5). Le saut de fréquences agit aussi directement sur la qualité de la porteuse. Du fait de la présence d'obstacles pour la propagation des ondes, le signal reçu par le mobile est la somme de plusieurs copies du signal original. Ces copies ont des phases différentes dont la distribution peut être considérée comme aléatoire. La somme de ces copies a une enveloppe suivant une distribution de Rayleigh [Sizun03]. L'opposition des phases peut faire apparaître des variations très importantes dans l'amplitude du signal reçu. Les principaux évanouissements de champs apparaissant par ce phénomène sont appelés évanouissements de Rayleigh. En un même point de l'espace, l'occurrence de ces évanouissements varie de manière importante suivant le canal de fréquences de transmission. Sur deux canaux de fréquences dont l'écart est suffisamment important (2 à 3 canaux GSM), on peut même démontrer que les évanouissements n'apparaîtront pas sur le même point de réception. En situation de saut de fréquences sur des canaux fréquentiels suffisamment séparés, la communication est donc protégée de la répétition d'évanouissements de Rayleigh. Ce gain est appelé "gain en diversité de fréquences" [Verhulst84]. L'augmentation du trafic sur les réseaux a poussé les opérateurs à implémenter le saut de fréquences pour profiter de ces gains en diversité de fréquences et d'interférences. Ce saut de fréquences, mis en place actuellement sur les réseaux FTDMA, est essentiellement basé sur un rythme de saut égal à la transmission d'une trame TDMA. On parle alors de saut de fréquences lent. Deux techniques matérielles concurrentes ont été définies par les constructeurs pour réaliser le saut de fréquences lent sur le canal physique.

1.4.2 Saut de fréquences en "Bande de Base"

432 432Canal f1






Canal f3

Canal f5

11 55 55 11

432 432 11 11 432 432 55

11432 432 432 43255 55

TEMPS

Trame TDMA

Figure 7 : Illustration du saut de fréquences en Bande de Base (séquence pseudo aléatoire)


Le saut de fréquences en Bande de Base est une adaptation directe des réseaux sans saut de fréquences. Un canal fréquentiel est associé en permanence à chaque TRX du secteur (on parlera dans la suite de plan de fréquences classique). Le saut de fréquences est obtenu par un changement de TRX (et donc de canal de fréquences) à chaque intervalle de temps du canal physique. Chaque burst d'une communication est donc transmis sur un TRX déterminé par une séquence de saut cyclique ou pseudo aléatoire (Figure 7). Afin de garantir la réception du canal BCCH (Broadcast Control Channel), celui-ci est transmis en permanence sur le premier intervalle de temps, noté TS pour Time Slot, du premier TRX de chaque secteur et ainsi ne saute pas en fréquences.

1.4.3 Saut de fréquences en "Saut Synthétisé" En saut de fréquences synthétisé, le saut en fréquences du canal physique est obtenu par le changement de canal fréquentiel des TRX à intervalles de temps réguliers (toutes les trames TDMA en saut de fréquences lent). A chaque TRX est donc associé une liste de canaux de fréquences appelée MA ou MAL (Mobile Allocation List). A chaque trame TDMA, le TRX émet sur une fréquence de sa MAL, fréquence déterminée suivant une séquence de saut cyclique ou pseudo aléatoire. Une communication reste donc attachée au même TRX durant toute sa durée de transmission, assurant ainsi le saut en fréquences sur son canal physique. Afin de garantir la réception du canal BCCH, celui-ci doit être transmis en permanence sur le même canal de fréquences et sur le premier TS du premier TRX de chaque secteur. Sur un secteur en saut de fréquences synthétisé, le premier TRX est donc configuré de telle sorte qu'il reste sur un canal de fréquences fixe au cours du temps.

11111111Canal f1




TRX2Canal f3

Canal f5

11

432 432

TRX355

TRX355

TEMPS

Trame TDMA

TRX2432 432

TRX2432 432

TRX2432 432

TRX2432 432

TRX355

TRX355

TRX355

TRX355

TRX355

TRX355

TRX355

TRX355

Figure 8 : Illustration du Saut de fréquences Synthétisé (plan classique, séquence pseudo

aléatoire)


L'ensemble des communications transmises sur ce TRX ne bénéficie donc pas du saut en fréquences. Ainsi, dans une configuration fréquentielle équivalente à celle du saut en Bande de Base (plan classique), le gain en diversité de fréquences est réduit d'une fréquence sur les communications transmises sur les TRX de saut, et il est nul sur celles transmises par le TRX portant le BCCH (Figure 8). Le saut de fréquences synthétisé permet cependant d'avoir une MAL comportant un nombre de fréquences allant du nombre minimum de TRX sautant simultanément sur le secteur jusqu'à un maximum de 64 (Figure 9). On peut obtenir de cette manière des gains en diversité de fréquences maximum sur les communications transmises sur les TRX de saut. Ces gains sont significatifs jusqu'à 8 fréquences de saut [Halonen03].

11111111Canal f1




TRX2Canal f3

Canal f5

11

432 432

TRX355

TRX355

TEMPS

Trame TDMA

TRX2432 432

TRX2432 432

TRX355

TRX355

Canal f7TRX2

432 432TRX3

55TRX3

55TRX3

55TRX3

55

Canal f9TRX2

432 432TRX3

55TRX3

55

Figure 9 : Illustration du Saut de fréquences Synthétisé (cas général, séquence pseudo aléatoire)

1.4.4 Discontinuité de brouillage et gain en interférence L'évolution technologique liée à la mise en place du saut de fréquences soulève une problématique nouvelle quant à la gestion du spectre lors de l'allocation de fréquences. Cette problématique se retrouve lors de la conception de modèles de prévision de la qualité capables d'évaluer les performances des différentes stratégies d'allocation de fréquences pouvant être déployées sur le réseau.

• Discontinuité de brouillage due au trafic Tous les canaux physiques du réseau ne sont pas toujours occupés simultanément. Ainsi le trafic écoulé par les stations impacte directement le niveau d’interférence et donc de qualité sur le réseau. En effet, à l'exception de la transmission sur le TRX portant le canal BCCH, les TS non occupés par des bursts de service ou de signalisation sont transmis sans puissance. C'est-à-dire


que la puissance émise par un secteur est discontinue dans le temps et ceci de manière fortement dépendante de la charge en trafic de ce secteur. Il est donc essentiel d’introduire la charge des secteurs sur les fréquences brouilleuses pour estimer le niveau d’interférence d’un plan de fréquences.

• Discontinuité de brouillage due au saut en fréquences Le niveau de qualité (C/I) reçu sur un burst d'une trame de service génère, à la réception, le remplacement d'un certain nombre des bits initiaux d'information par des bits aléatoires ne correspondant pas au service transmis. En moyenne la moitié de ces bits sont des bits erronés par rapport à l'information d'origine. Le rapport entre le nombre de bits erronés reçus et le nombre de bits transmis est appelé BER (Bit Error Rate). Le processus de reconstitution de la trame de service (démultiplexage, désentrelacement, décodage) s'opère sur l'ensemble des bursts modifiés par les conditions d'interférence. Ce processus aboutit en cas de succès à la restitution de la trame de service. En cas d'échec, la trame est perdue et, soit ignorée pour la transmission des services voix, soit retransmise par le système à l'aide de l'ARQ (Automatic Repeat Request) pour la transmission des services de données. Le rapport entre le nombre de trames perdues et le nombre de trames transmises prend différents noms suivant le service concerné. On parle par exemple de FER (Frame Erasure Rate) lors de la transmission d'un service voix en mode circuit et de BLER (Block Erasure Rate) en transmission de données en mode paquet (Figure 10).

Codage, entrelacement, multiplexage

10010011100011010101001111011010101101

Trame de service initiale10010011100011010101001111011010101101

Trame de service initiale

101110101 101110101

101110101 101110101

Groupe de bursts

101110101 101110101

101110101 101110101

Groupe de bursts

Transmission

radio TDMA

Transmission

radio TDMA

Time

Frequency channels

Communication 1Communication 2Communication 3

Communication 1Communication 1Communication 2Communication 2Communication 3Communication 3

Réception

radio TDMA

Réception

radio TDMA

101110101

101100101

101110101

101000111

Groupe de Bursts après interférence

101110101

101100101

101110101

101000111

Groupe de Bursts après interférence

Reconstitution de la trame de serviceReconstitution de

la trame de service

Interference

Interference

C/I

BLER ; FER

Trame perdue

Trame de service reçue

BER

Figure 10: Intervention des différents indicateurs d'interférence dans la chaîne de transmission

FTDMA Pour un service et un système de transmission radio fixé, il est possible de déterminer la capacité du système à résister à un niveau d'interférence. Des seuils de qualité peuvent alors être obtenus à l'aide de simulateurs du canal radio [Wigard96b].


Dans un système sans saut de fréquences, une communication est émise en permanence sur le même canal fréquentiel. On peut considérer que les niveaux de champs et d'interférence moyens reçus à l'échelle d'un burst de communication sont constants à l'échelle de la transmission de plusieurs trames TDMA (hormis phénomènes d'évanouissement lent). Tous les bursts d'une trame de service subissent environ la même interférence et l'on peut déterminer la reconstitution ou non de la trame de service à partir du niveau d'interférence moyen reçu lors de son émission. Ainsi, les indicateurs de BER et de FER ou BLER sont relativement constants pour un niveau de C/I reçu sur la trame de service d'un utilisateur. Dans un système en situation de saut de fréquences, le niveau de champ moyen reçu a la même constance temporelle. Par contre, le niveau d'interférence moyen est modifié à chaque changement de canal de fréquences lors de la communication (Figure 10), c'est-à-dire à chaque trame TDMA. Les niveaux d'interférence reçus lors de la transmission d'une trame de service ont donc une distribution présentant potentiellement un fort écart type entre les différents bursts la constituant. Le BER associé à chaque burst de la trame de service est donc différent et la reconstitution ou non de la trame de service dépend de la distribution de ces BER sur l'ensemble des bursts de la trame. La notion de C/I telle que définie précédemment n'a donc plus réellement de sens en termes d'évaluation de la qualité du service reçu dans le cas du saut de fréquences.

1.4.5 Paramétrage du saut de fréquences La résolution du problème d’allocation de fréquences consiste à déterminer pour chaque secteur les fréquences qui lui sont nécessaires pour satisfaire son trafic, dans le but de minimiser la quantité globale de service perdu dû à l'interférence. Un certain nombre de contraintes doivent être impérativement respectées pour assurer le bon fonctionnement du système. Dans le problème d'allocation de fréquences, ces contraintes sont considérées comme "dures", c'est-à-dire qu'une solution acceptable pour le problème devra forcément les résoudre. Les contraintes "dures" les plus courantes sont :

o Le spectre de fréquences disponible. o L’écartement co-secteur entre les fréquences d’un même secteur : les TS émis

simultanément par un secteur doivent être portés par des canaux de fréquences respectant un écartement fixé afin de ne pas interférer les uns avec les autres. L’écartement co-secteur nécessaire est en général de 2 ou 3 canaux de fréquences.

o L’écartement co-site entre les fréquences des secteurs d’un même site : les TS émis simultanément par des secteurs situés sur un même site doivent être portés par des canaux de fréquences respectant un écartement fixé afin de ne pas interférer les uns avec les autres. L’écartement co-site nécessaire est en général de 2 canaux de fréquences.

Avec l’allocation des fréquences sans saut, la satisfaction de ces contraintes "dures" limite la capacité à réduire le brouillage. Par exemple, la satisfaction des contraintes co-site sur un site possédant 3 secteurs ayant chacun 8 TRX, pour un écartement co-site de 2, nécessite 3x8=24 intervalles de 2 canaux de fréquences et donc un spectre minimal de 47 canaux de fréquences. Si le spectre disponible est proche du nombre de fréquences minimal pour allouer les fréquences d'un site (par exemple 50 canaux), le nombre de configurations possibles pour l’organisation des fréquences entre plusieurs sites est fortement réduit.


En situation de saut de fréquences, des paramètres permettent de bénéficier des séquences de saut pour satisfaire ces contraintes co-site et co-secteur. Ces paramètres sont importants dans le cas où un grand nombre de canaux sont alloués à la MAL d'un même secteur et où les contraintes ne peuvent être satisfaites par simple écartement des canaux lors de l'allocation des fréquences. Soit N le nombre de canaux de fréquences de la MAL d'un secteur. Les MAI (Mobile Allocation Index) sont les indices des fréquences dans l’ensemble ordonné des canaux de la MAL.

N = 7 MAL = {1;5;7;13;16;19;20} MAI = 0 pointe la fréquence 1 MAI = 1 pointe la fréquence 5 … MAI = 6 pointe la fréquence 20

Le HSN (Hopping Sequence Number) est le numéro définissant la loi de saut. 64 lois de saut sont disponibles. Le HSN = 0 correspond à une loi cyclique, c’est à dire que les fréquences de la MAL sont parcourues cycliquement. Les HSN ≠ 0 correspondent à différentes lois de saut pseudo aléatoires, c’est-à-dire que les fréquences de la MAL sont parcourues aléatoirement. Chaque trame TDMA est identifiée par un FN (Frame Number). La trame est émise sur une fréquence identifiée par un MAI. Le calcul du MAI est déterminé par la donnée du FN, du HSN, de N et du MAIO (MAI Offset), qui est une valeur de décalage entre 2 MAI. Pour HSN = 0 :

MAI= (FN+MAIO) modulo N Pour HSN ≠ 0 :

MAI=(S(FN,HSN)+MAIO) modulo N avec S(FN,HSN) le décalage pseudo aléatoire imposé par le HSN pour l’émission de la trame TDMA de numéro FN.

Suivant ce principe, deux trames TDMA ayant les mêmes paramètres N, FN, HSN et MAL mais utilisant des MAIO différents ne peuvent être émises simultanément sur la même fréquence car les fréquences utilisées par les trames sont séparées de la différence des MAIO. Dans toutes les études présentées par la suite, on considérera que les fréquences, HSN et MAIO sont alloués correctement au niveau d'un site, c'est-à-dire de telle sorte qu'il n'existe aucune interférence entre TRX d'un même secteur et entre secteurs d'un même site. Ces allocations se feront à l'aide d'un logiciel d'allocation automatique de fréquences développé par France Telecom [Renaud97] [Floc'h00].


1.5 Conclusion Ce chapitre a permis de présenter pour la conception des réseaux cellulaires le lien entre la propagation des ondes, l'allocation des ressources fréquentielles, l'interférence et la capacité. Ce lien a été mis en évidence dans un contexte d'hypothèses simplificatrices offrant une description simple et complètement analytique de ces relations. Les problématiques de conception et d'optimisation de réseaux matures en termes de couverture sont essentiellement liées aux phénomènes d'interférence. Ce chapitre a mis en évidence le caractère non trivial du calcul de l'impact de l'interférence sur le service offert aux usagers et sur la capacité du réseau. Ce calcul est en effet fortement lié à la non régularité des réseaux réels et à la complexité des phénomènes de propagation des ondes radioélectriques. D'autre part, la mise en place de mécanismes tels que le saut de fréquences pour augmenter l'efficacité spectrale du système FTDMA ne permet plus de faire un lien simple entre la réutilisation de fréquences et l'impact de l'interférence sur la qualité de service. L'objectif est donc maintenant de lever les hypothèses du contexte théorique liées au calcul de l'interférence et à son impact sur la conception de réseaux radio mobiles. Le prochain chapitre présente une méthodologie de calcul permettant d'évaluer la qualité globale d'un réseau en termes d'interférences. Cette méthodologie est basée sur un découpage de la zone de couverture du réseau en un ensemble de mailles. Le chapitre 3 présentera ensuite un modèle de calcul de l'impact de l'interférence sur la qualité de service pour les réseaux FTDMA en situation de saut de fréquences.

Chapitre 2 - Conception d'un critère évolué de C/I 29

2 Conception d'un critère évolué de C/I L'approche unanimement utilisée par les opérateurs pour l'analyse de leur réseau en simulation est une approche de calcul maillé. Le territoire est découpé de manière régulière en mailles carrées de côté plus ou moins long suivant la précision d'analyse souhaitée [Reininger00]. L'objectif de ce chapitre est de proposer un principe général original de calcul maillé sur des réseaux FTDMA pour un critère simple d'interférence sans saut de fréquences : le rapport C/I. Ce principe peut être décomposé de la manière suivante :

o Calcul de l'ensemble des champs des stations intervenant en une maille : l'objectif est d'avoir la prévision de propagation la plus précise possible.

o Identification des stations candidates au service sur la maille et calcul de la probabilité de prise de service de chaque station potentiellement serveuse : l'objectif est d'introduire une notion de flou dans la limite entre les cellules pour prendre en compte le fait que plusieurs stations peuvent offrir le service en un point.

o Calcul de l'interférence subie par chacune de ces stations sur le service qu'elle offre : le développement de nouvelles fonctionnalités de lutte contre l'interférence et la modélisation de leur impact sur la qualité de service sera le point d'étude principal des prochains chapitres.

o Calcul de la probabilité d'obtention d'un service de bonne qualité pour un utilisateur sur la maille et calcul de statistiques globales à l'échelle d'une sous-partie du réseau : l'objectif est de permettre d'obtenir des évaluations cohérentes à la fois localement et globalement pour l'analyse de la qualité sur les réseaux.

On rappelle que les résultats de calculs de propagation utilisés dans cette thèse ont été obtenus à partir d'un modèle interne de France Telecom relativement proche d'un modèle semi-empirique de type COST-231. Une description de ce modèle peut être trouvée dans [Sizun03]. Les calculs de propagation sont effectués au centre de chaque maille d'analyse du réseau. La première partie de ce chapitre décrit l'impact de la mobilité et des critères de services sur la prise en charge d'un utilisateur par une station. Un modèle basé sur ce fonctionnement est ensuite proposé pour calculer une probabilité de prise de service de chaque station en chaque maille. Enfin, à l'aide de ces probabilités de prise de service, une méthode d'agrégation des données de qualité maillées est définie à l'échelle du réseau pour obtenir des indicateurs de surface brouillée et de trafic brouillé. Cette méthode est fondée sur un critère de qualité en C/I. Mots clefs : mobilité, HO, probabilité de prise de service, C/I, surface brouillée, trafic brouillé.

2.1 GESTION DE LA MOBILITE ET CRITERES DE SERVICE................................................................. 30 2.1.1 Principes généraux............................................................................................................. 30 2.1.2 Prise de mesures................................................................................................................. 32 2.1.3 Principe de calcul de mesure moyenne .............................................................................. 33 2.1.4 Utilisation des moyennes pour la détection d’alarmes de HO ........................................... 34 2.1.5 Choix de la cellule cible ..................................................................................................... 35 2.1.6 Critères de services ............................................................................................................ 36

2.2 CALCUL DES PROBABILITES DE PRISE DE SERVICE.................................................................... 37 2.2.1 Formulation générale du problème.................................................................................... 37 2.2.2 Résolution proposée dans le cas d'une couverture de deux BS .......................................... 37 2.2.3 Résolution proposée dans le cas général ........................................................................... 39

2.3 CALCUL DE L'INTERFERENCE POUR UN CRITERE DE C/I............................................................ 40 2.3.1 Calcul du niveau de C/I sur un secteur et une maille......................................................... 41 2.3.2 Calcul de l'interférence pour un ensemble de secteurs sur une maille............................... 41 2.3.3 Calcul de l'interférence sur un ensemble de mailles .......................................................... 42

2.4 CONCLUSION ........................................................................................................................... 46


2.1 Gestion de la mobilité et critères de service Les algorithmes de prise de service et de transfert intercellulaire ne sont pas normalisés et sont laissés "à la discrétion de l'opérateur". Seul un exemple de procédure est donné dans l'annexe A des recommandations de la norme [GSM05.08]. Constructeurs et opérateurs ont repris ces recommandations, en ajoutant des paramètres supplémentaires, notamment pour les procédures de HO multicouches ou bi-bande qui ne sont pas spécifiées dans l'annexe A. Dans ce chapitre, la description du processus de HO dans les réseaux GSM a été faite à partir d'ouvrages généraux [Lagrange99] [Tabbane99], de normes traitant du HO [GSM05.08] et de documents internes à France Telecom.

2.1.1 Principes généraux

• Paramètres de mesure Deux paramètres ont été définis pour mesurer les niveaux de puissance et d'interférence reçus par le terminal mobile :

o RxLev : paramètre de puissance du signal La puissance reçue par un mobile ou une BS est exprimée en dBm : décibel milliWatt.

PdBm = 20.log10(PmW) Le niveau de puissance RxLev est codé sur 6 bits. Il permet de représenter 64 niveaux de puissance entre -110dBm et -48dBm par pas de 1dBm. Ainsi PdBm (dBm) = -110 + RxLev (de 0 à 64)

o RxQual : paramètre de qualité du signal On définit le paramètre RxQual en quantifiant le taux d'erreurs binaires BER (Bit Error Rate) sur 8 niveaux (3 bits) lorsque le mobile est en communication (Figure 11). La valeur représentative de chaque niveau peut être utilisée pour moyenner plusieurs mesures de RxQual.

RXQUAL_0 BER < 0.2 % valeur représentative = 0.14 % RXQUAL_1 0.2 % < BER < 0.4 % valeur représentative = 0.28 % RXQUAL_2 0.4 % < BER < 0.8 % valeur représentative = 0.57 % RXQUAL_3 0.8 % < BER < 1.6 % valeur représentative = 1.13 % RXQUAL_4 1.6 % < BER < 3.2 % valeur représentative = 2.26 % RXQUAL_5 3.2 % < BER < 6.4 % valeur représentative = 4.53 % RXQUAL_6 6.4 % < BER < 12.8 % valeur représentative = 9.05 %

RXQUAL_7 12.8 % < BER valeur représentative = 18.10 % Figure 11 : Définition de RxQual [GSM05.08]

• Etapes du processus de HO Le portable effectue des mesures sur le lien descendant (aussi appelé DL pour downlink), tandis que la BS effectue des mesures du lien montant (aussi appelé UL pour uplink). Ces mesures à raison d'un échantillon toutes les 480ms sont transmises au réseau qui déroule les algorithmes de HO.


Le HO peut donc se déclencher à l'initiative du réseau pour différentes raisons : o Si le niveau de champ (RxLev) de la cellule serveuse est insuffisant (HO sur

niveau identifié par les paramètres DOWN_LEV & UP_LEV) o Si le niveau de qualité (RxQual) de la cellule serveuse est insuffisant (HO sur

qualité identifié par les paramètres DOWN_QUAL & UP_QUAL ) o Si une cellule voisine est de meilleure qualité ou de qualité égale mais

nécessitant une puissance plus faible sans que la cellule serveuse soit mauvaise (HO sur bilan de liaison, PBGT (Power BuDgeT))

Ces différents HO seront détaillés par la suite. Le graphique de la figure 12 donne une répartition statistique de la proportion de chaque type de HO sur un réseau de France Telecom Orange.

RXLEV UL, 37%

RXLEV DL, 24%

RXQUAL DL, 13%PBGT, 18%

Autres, 8%

Figure 12 : Répartition statistiques des causes de HO

La décision de HO se fait à un niveau de centralisation différent suivant les deux BS mises en jeu dans le HO.

o Le premier niveau de centralisation de BS est le BSC (Base Station Controller). En cas d'alarme de HO (mesure d'un compteur indiquant qu'un HO peut être déclenché), la BS transmet les mesures au BSC qui détermine les cellules cibles sur lesquelles peut avoir lieu le HO. Si les deux cellules appartiennent au même BSC, celui-ci effectue la procédure de HO intra BSC.

o Il se peut également que la cellule cible soit une cellule d'un BSC différent, dans ce cas, le BSC de la cellule origine transmet les mesures et la demande de HO à son MSC (Mobile-services Switching Center) qui décidera du HO inter BSC, …

Les différents niveaux de HO sont donc :

o HO intra cellulaire : sur la même BS, le mobile change d'intervalle de temps de transmission ou de canal fréquentiel.

o HO intra BSC : HO intercellulaire synchrone : passage d'une cellule à une autre d'un même

site. HO intercellulaire asynchrone : passage d'une cellule à une autre de BS de

site différent dans le même BSC. o HO inter BSC : passage d'une cellule gérée par un BSC à une cellule gérée par un

autre BSC dépendant du même MSC. o HO inter MSC : passage d'une cellule gérée par un BSC d'un MSC à une cellule

gérée par un autre BSC dépendant d'un autre MSC. Ce type de HO est le plus critique car les temps de transfert des informations pendant la procédure pénalisent le HO.

Ces HO correspondent à la structure de centralisation décrite Figure 13.


Figure 13 : Architecture d'un réseau GSM

Si le HO est accepté, le HO est effectué suivant le processus suivant (Figure 14) :

o Activation d'un canal sur la cellule cible : (action BS) o Tentative d'exécution du HO sur la cellule cible : (action Mobile) o Libération de l'ancien canal si le HO a réussi : (action BS) o Retour sur l'ancien canal si le HO a échoué : (action Mobile)

3

BSC1

BSC2

MSC

Measurement Report

BS

Measurement Report UpLink & DownLink

HO Required

HO Request Acknowledgment

& HO command

HO command

HO command

1 2

3

6

7

4 5

4

3

BSC1

BSC2

MSC

Measurement Report

Measurement Report UpLink & DownLink

HO Required

HO Request Acknowledgment

& HO command

HO command

HO command

1 2

3

6

7

4 5

4

Figure 14 : Les étapes du HO

2.1.2 Prise de mesures

• Mesures réalisées par le mobile et transmises au BSC Les mesures effectuées par le mobile sont transmises à la BS sur un canal physique appelé SACCH (Slow Associated Control Channel) toutes les 480ms. Cette périodicité correspond à la taille de la fenêtre de prise de mesures du mobile. Les références complètes sur les canaux logiques du système peuvent être trouvées dans [Lagrange99]. Sur la BS serveuse, le mobile mesure la puissance du signal reçu sur le lien descendant RXLEV_DL. Les mesures sont faites sur chaque burst reçu puis moyennées. Suivant le type de canal autorisé et l'activation ou non de certaines options de GSM, le nombre d'échantillons considérés peut différer entre une centaine et une douzaine. Ces options peuvent être par


exemple relatives à la transmission discontinue sur les canaux de trafic (DTX Discontinuous Transmission) ou au contrôle de puissance. Le mobile mesure également la qualité du signal reçu (RxQual) sur le lien descendant RXQUAL_DL. De même, le mobile mesure les niveaux de puissance reçus sur leurs canaux de signalisation BCCH des BS déclarées comme voisines de la BS serveuse. Ces mesures interviennent entre l'émission d'un burst sur le canal montant et la réception d'un burst sur le canal descendant. Pendant ce laps de temps, le mobile peut faire une mesure de champ sur une fréquence balise. Comme pour le canal courant, une moyenne est effectuée sur plusieurs échantillons. Suivant le nombre de fréquences que la station doit analyser, le mobile dispose de plus ou moins d'échantillons de mesures. Ces fréquences correspondent aux fréquences de transmission du canal BCCH des BS déclarées comme voisines de la serveuse. Chaque BS est identifiée par le mobile en décodant le code de couleur BSIC (Base Station Identity Code) des BS. Ce code est transmis sur leur canal SCH (Synchronization Channel). Le mobile sélectionne alors les six BS sur lesquelles le niveau de signal reçu est le plus fort et dont les codes de couleur sont décodés et autorisés. Elle mémorise pour ces six BS :

o le niveau de puissance du signal reçu RXLEV_DL(n) o la fréquence du signal mesuré et son code de couleur BSIC

Ces mesures permettront d'établir la liste des BS candidates pour le HO.

• Mesures réalisées par la BS et transmises au MSC Ces mesures sont celles permettant au système de déterminer si le mobile doit effectuer ou non un HO.

o mesure de la puissance du signal reçu sur le lien montant RXLEV_UL o mesure de la qualité du signal reçu sur le lien montant RXQUAL_UL o distance entre le mobile et la BS calculée à partir du délai de propagation o niveau d'interférence sur les slots disponibles de cette cellule

2.1.3 Principe de calcul de mesure moyenne Comme décrit ci-dessus, le BSC reçoit un échantillon de mesures des liens montant et descendant toutes les 480 ms. Le BSC garde en mémoire 32 échantillons et effectue une moyenne glissante, éventuellement pondérée, sur tout ou partie de ces échantillons. Le calcul de cette moyenne (Figure 10) fait intervenir deux paramètres :

o hreqave : nombre de mesures utilisées pour calculer une moyenne (de 1 à 32) o hreqt : nombre de moyennes devant être calculées pour détecter une alarme (de 1 à

32) Ces hreqt moyennes ne doivent pas avoir de mesures en commun. Ainsi, il faut hreqave*hreqt mesures pour obtenir les hreqt moyennes désirées, ce qui impose la condition hreqave*hreqt≤32 (Figure 15 : hreqave = 3, hreqt = 2)

Figure 15 : Calcul de la moyenne par le BSC


C'est seulement à partir de la 6ème mesure que le système dispose de 2 moyennes pour détecter une alarme : (M1 et M2). A la 7ème mesure, on dispose des moyennes M3, M4, etc. Pour les BS voisines, le calcul de la moyenne se fait avec le paramètre hreqave(n) correspondant au paramètre hreqave mais indicé par voisine.

2.1.4 Utilisation des moyennes pour la détection d’alarmes de HO Les hreqt moyennes obtenues sont comparées à un seuil en utilisant deux paramètres Ni et Pi décrits de la manière suivante : "Si Pi moyennes parmi Ni moyennes vérifient le critère de comparaison au seuil, alors l'alarme de HO est déclenchée." Puisqu'on dispose de hreqt moyennes, cela impose la condition Ni<= hreqt. Dans les équations suivantes, la partie gauche constitue la mesure moyennée et la partie droite la valeur du seuil. Les principaux types de HO déclenchant l'alarme de HO sont :

o HO cause qualité UL si RXQUAL_UL > L_RXQUAL_UL pour au moins P1 valeurs sur N1

o HO cause qualité DL si RXQUAL _DL > L_ RXQUAL _DL pour au moins P2 valeurs sur N2

o HO cause niveau UL si RXLEV_UL < L_RXLEV_UL pour au moins P3 valeurs sur N3 o HO cause niveau DL si RXLEV_DL < L_RXLEV_DL pour au moins P4 valeurs sur N4 o HO cause PBGT si PBGT(n)>HO_MARGIN_CELL(n)

Ce dernier critère est un critère de bilan de liaison qui tend à assurer qu'un mobile est toujours en liaison avec la BS avec laquelle l'affaiblissement du signal est minimum, même si les critères de qualité et de niveau de champ ne déclenchent pas de HO. Il favorise la migration des mobiles vers des BS où ils peuvent émettre avec une puissance moindre et ainsi contribuer à diminuer le niveau d'interférence. On a :

( ) ( )( )PMAXTXPWRMSPnMAXTXPWRMSDCPWRDLRXLEVnNCELLDLRXLEVnPBGT

,__min),(__min___)(__)(

−−−−=

Où : o RXLEV_DL_NCELL(n) : est la puissance mesurée de la BS n, par les

processus de calculs de moyenne précédemment décrits (paragraphe 2.2.3). o PWR_C_D : est la différence entre la puissance maximum permise sur le

lien descendant et la puissance utilisée sur ce lien après contrôle de puissance.

o MS_TXPWR_MAX : est la puissance maximum que le mobile est autorisé à utiliser sur un canal de trafic de la BS de service.

o MS_TXPWR_MAX(n) : est la puissance maximum que le mobile est autorisé à utiliser sur un canal de trafic de la BS voisine n.

o P : est la puissance maximale du mobile. Les algorithmes de HO s'effectuent suivant un ordre de priorité défini. Si une alarme est déclenchée, le système ne regarde pas les HO de priorité inférieure. L'ordre de priorité de l'ensemble des HO possibles est le suivant :

o HO cause qualité UL o HO cause qualité DL o HO cause niveau UL o HO cause niveau DL o HO cause distance o HO cause PBGT


Des drapeaux de valeur "Enable" et "Disable" correspondant à chaque HO sont définis pour chaque cellule pour autoriser ou non les différents HO. Ainsi, avant d'effectuer les comparaisons moyennes des seuils, le système vérifie que le HO en question est autorisé; si ce n'est pas le cas, il passe immédiatement au HO de priorité inférieure.

2.1.5 Choix de la cellule cible

• Vision générale Si une alerte de HO est déclenchée, le BSC établit une liste de BS candidates vers lesquelles le mobile peut effectuer un HO. Ces BS candidates sont choisies parmi les BS voisines selon les critères de puissance de signal reçu puis de bilan de liaison.

• Critère de puissance (CP) Ce critère permet de vérifier que les BS cibles sont suffisamment bien reçues par le mobile pour assurer une bonne communication après le HO, en prenant en compte l'éventuel handicap subi par le mobile s'il ne peut émettre à la puissance maximum de la voisine.

RXLEV_NCELL(n) > RXLEV_MIN(n) + max(0,MS_TXPWR_MAX(n)-P) Où :

o RXLEV_MIN(n) : est le seuil de niveau de champ pour l'accès à la BS voisine n (ce seuil, défini pour chaque BS permet de diriger les HO vers certaines cellules plutôt que d'autres)

o MS_TXPWR_MAX(n) : est la puissance maximum que le mobile est autorisé à utiliser sur un canal de trafic dans la BS voisine n.

o P : est la puissance maximale possible du mobile Toute BS voisine ne satisfaisant pas ce 1er critère est éliminée et ne sera pas une cible potentielle.

• Critère de liaison (CL) Ce critère permet de vérifier que le mobile est toujours en liaison avec la BS avec laquelle l'affaiblissement du signal est minimum, même si les critères de qualité et de niveau de champ ne déclenchent pas de HO.

PBGT(n) - HO_MARGIN_CELL(n) >0 Les BS ne satisfaisant pas ce critère sont éliminées. Le BSC construit ensuite une liste ordonnée des BS en fonction de la valeur décroissante de (PBGT(n) – HO_MARGIN_CELL(n)).

• Remarques Les critères présentés précédemment sont une simplification des possibilités de paramétrage du réseau.

o La sélection des BS varie en fonction de la cause de HO. Par exemple, HO_MARGIN a différentes valeurs selon la cause de HO (HO_MARGIN_RXLEV(n) ou HO_MARGIN_RXQUAL(n) par exemple).


o Pour le HO sur PBGT, la complexité du réseau nécessite de prendre en compte les types de BS. On introduit alors plusieurs types de HO sur PBGT (paramètre PBGT_ALG_TYPE(n)) entre deux stations. Il existe 6 types de HO PBGT, le type 1 étant le plus simple et celui utilisé dans le critère de liaison (CL).

La complexité pour les HO entre BS micro et BS macro est aussi évoquée dans [GSM05.22] : les HO cause PBGT sont affinés, des paramètres sont définis pour déterminer la vitesse du mobile et ainsi associer des BS de mêmes catégories. Cette problématique micro/macro ne sera cependant pas traitée dans cette thèse.

2.1.6 Critères de services A partir des éléments de prise de service définis dans le paragraphe précédent, on considère maintenant de manière simplifiée qu'une BS est une serveuse potentielle en un point :

o si elle vérifie un critère CP simplifié (son champ est supérieur à un champ minimum pour offrir le service) : Champ (n) >= seuil de service

o si elle vérifie un critère CL par rapport à la BS ayant le champ le plus fort en ce point (elle peut prendre le service par rapport à cette "meilleure" serveuse) : Champ(n) – Meilleur Champ >= Marge de HO

On définit alors une zone de service associée à une BS comme l'ensemble des points sur lesquels une BS vérifie les critères CP et CL vis-à-vis d'un mobile qui initierait une communication en ce point. Cette zone de service est une version floue de la cellule définie par le concept cellulaire. On parle également parfois de couverture d'une BS pour désigner la zone de service associée.

Puissance

Meilleur ChampChamps des BS potentiellement

serveuses

Champs des BS potentiellement

brouilleuses

Champs des BS négligeables

Seuil CL

Seuil de service CP

Seuil de prise en compte des champs

Marge de HO

Figure 16 : Classification des champs reçus en un point

On classifie alors les champs reçus en chaque point de la zone couverte suivant les catégories décrites figure 16. Typiquement, lors de l'analyse d'un réseau sous forme de mailles, cette analyse se fait en chaque maille du réseau, les calculs étant fait en un point représentatif de la maille (son centre en général).


2.2 Calcul des probabilités de prise de service

2.2.1 Formulation générale du problème Soit un ensemble de n BS couvrant une maille m et de puissances respectives ( )nAAA ,....,, 21

au centre de m. Pour un mobile en déplacement sur m, la prise en charge d'une communication est décidée à partir des mesures effectuées par le mobile. Cette décision est prise en fonction de la station la plus favorable suivant les critères (CP) et (CL).

RXLEV_NCELL(n) > RXLEV_MIN(n) + max(0,MS_TXPWR_MAX(n)-P) (CP) PBGT(n) - HO_MARGIN_CELL(n) > 0 (CL)

La conjugaison de la variation dans le temps du champ reçu en un point et de l'imprécision de la prise de mesures d'un mobile, fait qu'il n'est pas possible de prévoir avec certitude la station qui prendra en charge une communication. Le but est de déterminer la probabilité de prise en charge de communication, PPS pour Probabilité de Prise de Service, de la station i pour l'ensemble des communications en cours. Dans la suite de cette étude, on supposera que l'erreur de mesure est une gaussienne, ),0( σNE = L'erreur que peut commettre le portable est limitée par la norme [GSM 11.10] qui fixe une précision absolue de +/- 4dB pour la mesure d'un champ constant. On supposera également que les stations considérées vérifient le critère CP ainsi que :

MS_TXPWR_MAX=MS_TXPWR_MAX(n) et PWR_C_D=0 Dans ces hypothèses, pour la prise en charge d'une communication, il ne sera considéré que le bilan de puissance :

PBGT(n)= RXLEV_NCELL(n) - RXLEV_DL (en dB)

2.2.2 Résolution proposée dans le cas d'une couverture de deux BS Soit un mobile en communication sur une maille m mettant en jeu deux BS potentiellement serveuses A et B. Soient les évènements suivants :

o EA = "être sur A" o VA = "le mobile vient de A" o EA/VA = "être sur A sachant qu'on vient de A" o EA/VB = "être sur A sachant qu'on vient de B" o EB = "être sur B" o VB = "le mobile vient de B" o EB/VB = "être sur B sachant qu'on vient de B" o EB/VA = "être sur B sachant qu'on vient de A"

Alors la PPS de la BS A est la somme des deux probabilités suivantes :

o La probabilité que la communication "ait débuté sur A et reste sur A". o La probabilité que la communication "ait débuté sur la voisine B et bascule sur A".


Dans la suite de ce chapitre, dans la notation, on assimilera la BS à sa puissance reçue par le mobile. Le symbole A se réfère donc à la puissance reçue de la BS A.

• Probabilité de rester sur la serveuse A sachant que l'on vient de A Le bilan de puissance PBGT s'écrit :

PBGT= B - A Dans ce cas le mobile ne basculera sur B que si :

MARGE 0__ >−= CELLMARGINHOPBGT En prenant en compte l'erreur, la mesure de PBGT devient :

)()( EAEBPBGT +−+=+ Soient :

o CELLMARGINHOPGBTMARGEX AB __−== + o CELLMARGINHOPBGTAB __−=α o CELLMARGINHOPGBTMARGEX BA __−−== + o CELLMARGINHOPBGTBA __−−=α

D'après les équations précédentes X est une gaussienne de moyenne ABα et d'écart

type σσ 2' = (on rappelle que σ est l'écart type de l'erreur de mesure). Soit S une gaussienne centrée réduite. On peut donc écrire :

ABAB SX ασ += '

La probabilité de rester sur A alors que la communication a débuté sur A équivaut à la probabilité de "ne pas faire HO". Ce qui signifie que le bilan de puissance entre A et B est suffisant pour ne pas basculer sur B. Ceci se traduit par : SX ABAB

'0 σα <⇔< Donc la probabilité de "ne pas faire HO" équivaut à la probabilité que ABX soit inférieure à

S'σ . L'évènement "ne pas faire HO", peut encore s'écrire : "être sur A sachant que l'on vient de A" (EA/VA). Finalement : )()/( '

ABXSPVAEAP >= σ Soit F la fonction de répartition de S, alors :

)(1)(1)( '''

σσσ ABAB XX

AB FSPXSP −=<−=> D'où :

)(1)/( 'σABXFVAEAP −=

De manière analogue, on détermine la probabilité de rester sur la station B sachant que l'on vient de B. Elle s'écrit :

)(1)/( 'σBAXFVBEBP −=


• Probabilité "d'être sur A" et probabilité "d'être sur B" (PPS de A et PPS de B)

On admet que la moitié des mobiles est en déplacement de A vers B et l'autre moitié de B vers A. Cela implique que la probabilité de "venir de A" et la probabilité "de venir de B" sont identiques et valent 1/2.

5.0)()( == VBPVAP

D'autre part, l'évènement "être sur A" peut encore s'écrire comme : "être sur A et (venir de A ou venir de B)". On a donc, en remarquant que les évènements VA et VB sont disjoints :

)/()()/()()()(

)]([)(

VBEAPVBPVAEAPVAPVBEAPVAEAP

VBVAEAPEAP

×+×=+=

=

Si le mobile vient de B, on a deux choix, il va soit basculer sur A soit rester attaché à B. Par conséquent on a :

1)/()/( =+ VBEBPVBEAP On en déduit :

))/(1()()/()()( VBEBPVBPVAEAPVAPEAP −×+×= En remplaçant P(VA) et P(VB) par leurs valeurs, on obtient :

))/(1(5.0)/(5.0)( VBEBPVAEAPEAP −×+×= De la même manière, on obtient :

))/(1(5.0)/(5.0)( VAEAPVBEBPEBP −×+×=

2.2.3 Résolution proposée dans le cas général Le calcul précédent considère la présence de seulement deux stations sur une maille. Pour un chevauchement de plus de deux stations, une méthode approchée propose de procéder de la manière suivante pour calculer les PPS :

o Classer les puissances des stations couvrant la maille par ordre décroissant de grandeur ( )nAAA ,....,, 21

o Pour calculer la PPS de la première et de la deuxième station : considérer le couple formé par les deux premières meilleures stations et reprendre les étapes précédentes.

o Pour calculer les PPS des autres stations : considérer le couple formé par la première et la station en question.

Au-delà d'une couverture de deux stations par maille, les résultats de cette méthode de calcul des PPS ne sont plus mathématiquement corrects. En effet, d'après les hypothèses, une communication est prise en charge par une et une seule station. Par conséquent, l'ensemble des évènements "être sur jA " forme un système complet. De ce fait, la somme de l'ensemble des PPS des différentes stations devrait être égale à 1. Les considérations de généralisation à plus de deux BS reviennent à former, à chaque fois, des sous-systèmes complets deux à deux. Ainsi, la somme de ces valeurs est largement supérieure à 1. Une normalisation est donc proposée pour ramener cette somme à 1.


Des méthodes exactes de calcul ainsi que des méthodes basées sur la simulation ont été étudiées pour pallier ce problème. Les méthodes de simulation semblent présenter les meilleures caractéristiques de souplesse (dans la mise en place de mécanismes plus complexes de critère de liaison par exemple) et de rapidité. Par manque de temps, elles n'ont cependant pas été implémentées. Les résultats présentés dans la suite seront donc basés sur la méthode approchée.

2.3 Calcul de l'interférence pour un critère de C/I Pour se conformer à un vocabulaire plus lié à l'ingénierie du réseau d'accès et moins à la description du réseau physique, le terme de secteur est désormais utilisé pour désigner une BS.

Puissance

Champs des secteurs potentiellement

serveurs

Champs des secteurs potentiellement

brouilleurs

Champs des secteurs négligeables

Prob

abili

téde

pr

ise

de se

rvic

e

Secteurs potentiellement serveurs

Figure 17 : Données d'entrée pour le calcul du C/I

En résumé des paragraphes précédents, on dispose désormais en chaque maille (Figure 17) :

o du champ de chaque secteur ayant une puissance non négligeable sur la maille, o des critères de service pour un mobile situé sur cette maille et donc de l'ensemble

des secteurs pouvant prendre le service sur la maille, o pour chacun de ces secteurs pouvant prendre le service, de sa probabilité de prise de

service (PPS) pour un mobile étant sur la maille. On cherche à associer un niveau d'interférence à chaque secteur serveur couvrant une maille, en chaque maille couverte par au moins un secteur serveur. La combinaison de ces données d'interférence et des probabilités de prise de service permettra alors d'évaluer globalement l'interférence sur le réseau.


2.3.1 Calcul du niveau de C/I sur un secteur et une maille Pour chaque secteur pouvant prendre le service sur la maille, on calcule le niveau d'interférence que subirait un mobile présent sur la maille et servi par le secteur en question. Une manière simple d'évaluer ce niveau d'interférence pour évaluer la qualité du service reçu par le mobile est de calculer le niveau de C/I subi par chaque canal de fréquences du secteur. Le C/I est calculé sur un canal de fréquences du secteur en prenant en compte non seulement l'interférence subie sur ce canal provenant de secteurs émettant sur le même canal, mais également en prenant en compte le brouillage provenant d'autres secteurs transmettant sur des fréquences proches du canal d'émission du secteur offrant le service. On parle d'interférence en première adjacence si l'on considère les fréquences brouilleuses séparées d'un canal de fréquences du canal de service. On parle d'interférence en deuxième adjacence si l'on considère les fréquences brouilleuses séparées de deux canaux de fréquences du canal de service. En général on considère que l'interférence provenant de fréquences au-delà de trois canaux d'écart par rapport à la fréquence portant le service intervient de manière négligeable [Floc'h00]. Sur un canal de fréquences u d'une serveuse S, l'interférence reçue peut s'écrire :

∑∈

=

)( ,,

SFj uj

juS

BrouillK

CI (en W)

Où :

o FBrouill(S) est l'ensemble des fréquences des secteurs ayant un champ non négligeable sur la maille considérée.

o Cj est le champ reçu par le mobile venant du secteur j. o Kj,u est un coefficient de décalage dépendant de l'écart en fréquences entre les

canaux j et u. Dans la suite des calculs présentés, les valeurs de Kj,u seront de : 0dB pour 0 canaux de fréquences d'écart entre j et u 18dB pour 1 canal de fréquences d'écart entre j et u 50dB pour 2 canaux de fréquences d'écart entre j et u 58dB pour 3 canaux de fréquences d'écart entre j et u Une valeur infinie pour plus de 3 canaux d'écart (pas d'interférence)

En faisant l'hypothèse qu'un mobile est pris de manière aléatoire sur l'une des fréquences du secteur serveur, on calcule le niveau de C/I moyen subi par l'ensemble des mobiles servis par le secteur en calculant la moyenne des interférences (en W) sur l'ensemble des fréquences d'émission du secteur. On obtient donc par secteur une valeur de C/Imoyen suivant :

{ }

=

∑∈∈ )( ,__ SFj uj

j

Sdecanauxu

S

moyen

S

BrouillK

CMoy

CI

C (en W)

2.3.2 Calcul de l'interférence pour un ensemble de secteurs sur une maille Il s'agit maintenant de cumuler ces valeurs afin d'obtenir une évaluation globale du niveau d'interférence qui serait reçu par un utilisateur en communication sur la maille.


Le cumul proposé consiste à définir sur la maille une probabilité de service brouillé : o On définit donc un seuil de qualité, seuilIC / , par rapport à la métrique d'évaluation

de l'interférence (ici le C/I). o On compare le niveau de qualité de chaque secteur par rapport à ce seuil et on

retient le secteur si le seuil de qualité n'est pas respecté (ici on retient les secteurs vérifiant seuilmoyen ICIC // ≤ ).

o On somme, sur la maille, les probabilités de prise de communication de l'ensemble des secteurs ayant été définis comme pouvant prendre le service et ne respectant pas le seuil de qualité défini.

La probabilité obtenue correspond à la probabilité qu'un utilisateur en communication sur la maille reçoive un service de qualité inférieure au seuil de qualité défini (Figure 18).

S1S3

S2

B4

B3

B1

B2

PuissanceS1 : - PPS = 60%

- C/Imoyen = 20 dB

S2 : - PPS = 30%

- C/Imoyen = 7 dB

S3 : - PPS = 10%

- C/Imoyen = 12 dB

C/Iseuil = 14 dB

Probabilité de service brouillé = 10% + 30% = 40%

B1B2

B3B4

Figure 18 : Illustration du calcul de probabilité de service brouillé en une maille

2.3.3 Calcul de l'interférence sur un ensemble de mailles On cherche maintenant un modèle permettant d'évaluer la qualité sur un ensemble de mailles du réseau analysé. Deux évaluations complémentaires, l'une en surface et l'autre en trafic, seront utilisées par la suite.

• Evaluation en surface On considère que la surface brouillée sur une maille est égale à la surface de la maille multipliée par la probabilité de service brouillé sur cette maille. On obtient la surface brouillée sur le réseau comme la somme des surfaces brouillées en chaque maille (Figure 19).


S3 : PPS = 10%

C/Imoyen = 9dB

S2 :

PPS = 30%

C/Imoyen = 7dBS1 :

PPS = 60%

C/Imoyen = 20dB

S1 :

PPS = 100%

C/Imoyen = 30dB

S3 :

PPS = 40%

C/Imoyen = 12dB

S2 :

PPS = 60%

C/Imoyen = 18dB

S1 :

PPS = 50%

C/Imoyen = 25dB

S2 :

PPS = 50%

C/Imoyen = 13dB

25 mètres

25 m

ètre

s

Surface Brouillée à 14 dB = (0.3+0.1)x25² + 0.4x25² + 0.5x25² m²

Surface Brouillée à 9 dB = (0.3+0.1)x25² m² Figure 19 : Illustration du calcul de surface brouillée

• Evaluation en trafic avec carte de trafic Si l'on possède une carte de trafic, c'est-à-dire une information permettant de dire combien d'Erlangs sont écoulés en chaque maille du réseau, on distribue ces Erlangs en chaque maille sur chaque secteur serveur en fonction de la probabilité de celui-ci de prendre le service sur la maille. On calcule ensuite le nombre d'Erlangs brouillés en une maille comme la somme des Erlangs portés par l'ensemble des secteurs ayant un seuil de qualité inférieur au seuil sur la maille. Le nombre d'Erlangs brouillés sur la zone est alors égal à la somme des Erlangs brouillés en chaque maille de la zone (Figure 20).

hgS3 : PPS = 10%

C/Imoyen = 9dB

S2 :

PPS = 30%

C/Imoyen = 7dBS1 :

PPS = 60%

C/Imoyen = 20dB

S1 :

PPS = 100%

C/Imoyen = 30dB

S3 :

PPS = 40%

C/Imoyen = 12dB

S2 :

PPS = 60%

C/Imoyen = 18dB

S1 :

PPS = 50%

C/Imoyen = 25dB

S2 :

PPS = 50%

C/Imoyen = 13dB

Trafic Brouillé à 14 dB = (0.3+0.1)x1 + 0.4x3 + 0.5x2 Erlangs

Trafic Brouillé à 9 dB = (0.3+0.1)x1 Erlangs

1 Erlang

0.5 Erlang 2 Erlangs

3 Erlangs

Figure 20 : Illustration du calcul de trafic brouillé avec une carte de trafic


• Evaluation en trafic sans carte de trafic On suppose ici que l'on ne possède aucune information de localisation géographique du trafic autre que la quantité d'Erlangs écoulée par chaque secteur. On calcule la surface de service du secteur comme étant la somme des surfaces des mailles où le secteur vérifie les critères de service, pondérée par la probabilité de prise de service du secteur sur la maille. On calcule ensuite la surface brouillée par le secteur comme la somme des surfaces des mailles où le secteur vérifie les critères de service et a un niveau de qualité inférieur au seuil requis, pondérée par la probabilité de prise de service du secteur sur la maille. Le pourcentage de surface brouillée du secteur est alors égal à la surface brouillée du secteur, divisée par la surface de service du secteur. On calcule alors le nombre d'Erlangs brouillés de chaque secteur comme le pourcentage de surface brouillée du secteur multiplié par le nombre d'Erlangs écoulés globalement par le secteur. Le nombre d'Erlangs brouillés sur la zone est alors égal à la somme des Erlangs brouillés sur chaque secteur intervenant sur la zone (Figure 21).

S3 : PPS = 10%

C/Imoyen = 9dB

S2 :

PPS = 30%

C/Imoyen = 7dBS1 :

PPS = 60%

C/Imoyen = 20dB

S1 :

PPS = 100%

C/Imoyen = 30dB

S3 :

PPS = 40%

C/Imoyen = 12dB

S2 :

PPS = 60%

C/Imoyen = 18dB

S1 :

PPS = 50%

C/Imoyen = 25dB

S2 :

PPS = 50%

C/Imoyen = 13dB

25 mètres

25 m

ètre

s

S1 : 2.1 Erlangs

• Surface de Service

= (0.6+1+0.5)x25² m²

• Surface Brouillée à 14 dB

= 0 m²

• % Surface Brouillée à 14 dB

= 0 %

• Trafic Brouillé à 14 dB

= 0 Erlang

S2 : 3.1 Erlangs

• Surface de service = (0.3+0.6+0.5)x25² m²

• Surface Brouillée à 14 dB = (0.3+0.5)x25² m²

• % Surface Brouillée à 14 dB = 57 %

• Trafic Brouillé à 14 dB = 1.77 Erlangs

S3 : 1.3 Erlangs

• Surface de service = (0.1+0.4)x25² m²

• Surface Brouillée à 14 dB = (0.1+0.4)x25² m²

• % Surface Brouillée à 14 dB = 100 %

• Trafic Brouillé à 14 dB = 1.3 Erlangs

Trafic Brouillé à 14 dB = 1.77 + 1.3 Erlangs Figure 21 : Illustration du calcul de trafic brouillé sans cartographie de trafic

En pratique, les données de localisation de trafic permettant d'obtenir les cartes de localisation du trafic sont très difficiles à obtenir de manière satisfaisante sur le réseau. C'est pourquoi les calculs se feront par la suite en utilisant cette méthode de calcul. Cette méthode présente cependant un certain nombre de défauts. On voit par exemple qu'elle n'est pas conservative vis-à-vis d'une méthode basée sur une carte de trafic. En effet, l'exemple figure 21 se base sur une absorption du trafic à la maille de l'exemple figure 20. Les calculs d'interférence donnent cependant un trafic brouillé différent (2.6 Erlangs brouillés à 14dB avec la cartographie contre 3.07 Erlangs sans).


Une condition nécessaire pour que la méthode sans carte donne des résultats cohérents est la prise en compte de l'intégrité des zones de prise de service des secteurs dont on analyse la qualité. L'ensemble des calculs effectués par la suite seront faits dans le cadre de cette contrainte.

• Présentation des résultats d'interférence Les résultats d'interférence seront présentés par rapport à un seuil d'analyse comme :

o La surface globale de service de l'ensemble des secteurs analysés o La surface brouillée par rapport au seuil défini o Le pourcentage de surface brouillée par rapport au seuil défini o Le trafic global de l'ensemble des secteurs analysés o Le trafic brouillé par rapport au seuil défini o Le pourcentage de trafic brouillé par rapport au seuil défini


2.4 Conclusion Ce chapitre décrit un modèle et un processus complet d'évaluation de l'interférence dans un mode maillé pour les réseaux FTDMA. Il est explicité ici pour les réseaux n'utilisant pas le saut de fréquences. Il se base sur :

o L'utilisation de modèles de propagation semi-empiriques. o Un calcul de probabilité de prise de service pour chaque secteur en chaque point du

réseau prenant en compte les critères de service radio et les phénomènes de HO. o Une comparaison de l'interférence subie par un mobile servi par chaque secteur par

rapport à un seuil d'interférence nécessaire à la bonne réception d'un service. o Une méthode d'agrégation de ces résultats pour un ensemble de secteurs et un

ensemble de mailles afin d'obtenir des statistiques de volumes de surface et de trafic brouillés sur le réseau analysé.

L'obtention des probabilités de prise de service se base sur une analyse des mécanismes de mesure et de remontée de critère de qualité du lien radio au niveau du mobile. Deux critères principaux sont retenus comme contribuant majoritairement à la liaison du mobile avec la station lui offrant le meilleur service et donc au transfert intercellulaire en cas de mobilité. Ce sont les critères de puissance (critère absolu) et de liaison (critère relatif). Le calcul de probabilités de prise de service sur ces deux critères permet donc de prendre en compte de manière statistique les phénomènes de HO dans le calcul du trafic impacté par l'interférence globalement sur le réseau. Le processus de calcul présenté dans ce chapitre pour le C/I sera le même que celui utilisé dans la suite de la thèse. La partie qui diffère est le calcul de l'interférence en une maille pour un secteur spécifique assurant le service en cette maille. Le calcul de C/Imoyen sera remplacé par un nouveau modèle d'évaluation de la qualité permettant de prendre en compte les phénomènes liés au saut de fréquences.

Chapitre 3 - Modèle général de qualité de service en FTDMA 47

3 Modèle général de qualité de service en FTDMA Ce chapitre a pour objectif de proposer un modèle d'évaluation de l'impact de l'interférence sur la qualité de service pour un utilisateur en une maille. Ce modèle, inscrit dans la méthodologie présentée dans le chapitre précédent, doit permettre d'évaluer globalement la qualité d'un réseau radio mobile dans un système FTDMA avec saut de fréquences. Dans un premier temps, un état de l'art est fait sur des modèles et méthodes permettant de prendre en compte les effets en diversité de fréquences et d'interférences du saut de fréquences dans l'évaluation de la qualité de service [Verhulst84] [Mouly92] [Olofsson95] [Chiani96]. Ces modèles apparaissant comme partiels ou inadéquats à l'évaluation de réseaux réels, un nouveau modèle est présenté. Ce modèle s'appuie sur un calcul de distribution de probabilité de collision entre time-slots pour une communication soumise à l'interférence d'un secteur partageant au moins un canal de fréquences identique avec des stations brouilleuses. Ces probabilités de collision sont ensuite transformées en probabilités de BER afin de pouvoir cumuler les effets brouilleurs conjugués de plusieurs secteurs interférents. Une fois ce cumul effectué, ces probabilités de BER sont transformées en probabilité de FER afin d'obtenir une métrique d'évaluation directe de la qualité de service mesurée par l'utilisateur. Mots clefs : C/I, BER, FER, simulation, collisions destructrices, probabilité de collision, qualité de service.

3.1 LIMITE DES DIFFERENTES APPROCHES D'EVALUATION ............................................................. 48 3.1.1 Complexité.......................................................................................................................... 48 3.1.2 Approches analytiques ....................................................................................................... 48 3.1.3 Approches par simulation .................................................................................................. 49 3.1.4 Approche retenue ............................................................................................................... 50

3.2 MODELE DE PROBABILITE DE COLLISION ENTRE TS ................................................................. 51 3.2.1 Objectifs ............................................................................................................................. 51 3.2.2 Modèle de probabilité de collision pour un secteur brouilleur unique .............................. 52 3.2.3 Modèle de probabilité de collision pour plusieurs secteurs brouilleurs ............................ 58 3.2.4 Prise en compte des conditions de saut de la serveuse....................................................... 60

3.3 PRISE EN COMPTE DE LA PUISSANCE DES SECTEURS ET CALCUL DE LA DISTRIBUTION DE BER 63 3.3.1 Problématique .................................................................................................................... 63 3.3.2 Cas du saut de fréquences en motif 1x1 ............................................................................. 64 3.3.3 Cas général ........................................................................................................................ 66 3.3.4 Prise en compte des spécificités de saut des secteurs......................................................... 71

3.4 EVALUATION DE LA QUALITE VOIX EN GSM............................................................................ 71 3.4.1 Transmission de la parole en GSM .................................................................................... 72 3.4.2 Adaptation des modèles d'évaluation de l'interférence ...................................................... 73 3.4.3 Comparaison des modèles d'évaluation du FER................................................................ 75

3.5 CONCLUSION ........................................................................................................................... 78


3.1 Limite des différentes approches d'évaluation

3.1.1 Complexité L'évaluation de la diversité des niveaux de champs reçus sur une trame de service lors d'une communication est un problème complexe. Il ne peut être résolu par une énumération des combinaisons possibles de brouillage en chaque point de service de chaque secteur serveur d'un réseau réel. Prenons pour exemple un secteur serveur brouillé en un point par 20 secteurs différents possédant chacun une MAL de 5 canaux de fréquences et partageant chacun un canal de fréquence avec le secteur serveur. A chaque trame TDMA, un secteur peut être brouilleur ou non (avec une probabilité de 1/5 d'être brouilleur). Il y a donc 220 (plus de 1 million) niveaux de C/I différents pouvant être obtenus sur une trame TDMA. Il y a donc

4382 1062.320 ×=C combinaisons possibles de niveau de C/I sur une trame de service voix (8

trames TDMA). L'analyse d'un réseau réel consiste en l'évaluation de plusieurs centaines de milliers de points, chaque point pouvant être analysé pour plusieurs secteurs serveurs. Sur la base de cette combinatoire, plusieurs solutions ont été envisagées pour estimer la qualité des systèmes basés sur le saut de fréquences. La plupart de ces méthodes datent des années 90 et servaient de base à l'introduction du saut de fréquences sur les réseaux commerciaux. Les méthodes applicables à des réseaux réels apparaissent aujourd'hui comme très limitées. On distingue deux méthodes principales, les approches analytiques et les approches par simulation.

3.1.2 Approches analytiques

• Analyse de capacité sur réseaux théoriques Les premières approches proposées pour l'évaluation des gains liés à l'introduction du saut de fréquences sur les réseaux FTDMA sont des approches liées à l'analyse théorique de réseaux hexagonaux réguliers. Ces études antérieures à la mise en place opérationnelle des systèmes à saut de fréquences s'attachent à évaluer les gains en capacité offerts par cette nouvelle technologie [Verhulst84]. Elles cherchent donc à modéliser à la fois les gains liés à la diversité de fréquences et à la diversité d'interférences. La densité moindre des réseaux à cette époque donne une place peu importante à l'ingénierie en général et aux stratégies d'allocation de fréquences en particulier. L'intérêt est donc porté sur la comparaison des systèmes d'accès entre eux sur des bases d'utilisation homogène du spectre pour déterminer les meilleures efficacités spectrales [Dornstetter87]. C'est pourquoi la majorité des travaux effectués se concentrent sur la modélisation de la diversité de fréquences et l'introduction de modèles du canal radio dans l'évaluation de l'interférence [Hassan93] [McGuffin96]. Les hypothèses les plus communément faites [Chennakeshu96] pour permettre la réalisation des calculs sont alors :

o une densité uniforme d'utilisateurs sur le réseau o une distance inter sites uniforme sur le réseau o l'utilisation de modèles de propagation simples quant à l'atténuation de la puissance o l'utilisation de motifs de réutilisation du spectre pour l'allocation des fréquences


La limite de ces études apparaît donc à partir du moment où l'on ne considère plus des réseaux uniformes que ce soit en termes de densité d'utilisateurs, de densité de sites ou d'allocation des fréquences. L'uniformité de la réutilisation de fréquences permet notamment de mettre en place un critère de rapport signal sur interférence comme mesure de la qualité pour un utilisateur.

• Critères de C/I "équivalent" pour le saut de fréquences Une seconde famille d'approches se base sur un ajustement des critères de C/I calculés dans le cas de réseaux sans saut de fréquences. Ces approches se retrouvent essentiellement dans des plateformes d'ingénieries commerciales (Planet EV ®, NetAct Planner ™). Un C/I "équivalent" est obtenu en prenant en compte un certain nombre de paramètres liés à la diversité de brouillage :

o multiplication de l'interférence d'un secteur par son taux de charge o division de l'interférence d'un secteur par la taille de sa MAL de saut o multiplication de l'interférence d'un secteur par le facteur d'activité DTX.

Le DTX (Discontinuous Transmission) consiste à suspendre l'émission de données lorsqu'un interlocuteur est silencieux durant une conversation, ceci afin de diminuer l'interférence globale sur le réseau. En pratique, quelques trames de données sont tout de même envoyées afin de générer un effet de bruit et d'éviter que la personne en train de parler ne pense que la communication ait été coupée. Ce C/I "équivalent" est transformé en un indicateur de qualité de service par l'intermédiaire de tables de qualité pour prendre en compte les capacités de correction des erreurs du système. Comme il sera démontré par la suite, ces méthodes ne permettent pas de prendre en compte correctement des aspects même basiques de la diversité d'interférence. Un exemple simple de la difficulté d'obtention d'un critère de C/I pertinent est le cas du plan de fréquences en motif 1x1. Sur la zone de HO d'un secteur, le niveau d'interférence peut atteindre une valeur égale au HO_MARGIN_CELL. Prenons une valeur de HO_MARGIN_CELL de -6dB, un taux de charge et un DTX de 100%. Le niveau de C/I sur les fréquences communes à ces deux secteurs sera donc de -6dB. Toutes les fréquences étant partagées, le C/I moyen reçu sur une trame vocale aura donc une valeur de -6dB, indiquant une impossibilité de service sur la zone de HO.

3.1.3 Approches par simulation Les approches par simulation servent généralement de référence de comparaison pour les méthodes analytiques ou par tirage de Monte Carlo. Pour des raisons de performance, les simulations sont généralement faites sur des réseaux réguliers [Olofsson95] [Wigard96a] [Deissner98] sur les paramètres de trafic, réutilisation de fréquences, propagation et distance inter sites. L'utilisation de cette régularité permet de limiter très fortement la taille de la zone d'étude [Vejlgaard95] et donc les temps de calcul. Certaines simulations basent leur critère d'interférence sur un C/I moyenné [Carneheim94] et rejoignent en ce sens les méthodes présentées au paragraphe précédent. Pour prendre en compte précisément les aspects de diversité de fréquences et de diversité d'interférence, la simulation se fait généralement en deux étapes.


Dans un premier temps, un simulateur du réseau détermine les séquences de niveaux de C/I reçus par un utilisateur. Chaque séquence est principalement une fonction de la géométrie du réseau, de la propagation des ondes et de l'allocation des fréquences. Ce simulateur permet donc d'observer une partie de la diversité d'interférence, la partie liée à l'apparition intermittente de secteurs brouilleurs sur le réseau. Ces séquences peuvent être directement utilisées pour déterminer un taux de bursts détruit en utilisant un seuil sur le niveau de C/I reçu [Bégassat98] ou être traitées de manière plus complexe pour se rapprocher de la qualité perçue par l'utilisateur. Dans un deuxième temps, ces séquences de niveaux de C/I sont mises en entrée d'un simulateur de lien [Mogensen95]. Ce simulateur permet de calculer des métriques de BER et de FER pour chaque utilisateur. Ce simulateur prend en compte les aspects liés à la diversité de fréquences et à la répartition de l'interférence sur l'ensemble des bursts sur lesquels une trame de service est transmise. La faiblesse de ces approches est leur lenteur et donc l'inadéquation de leur utilisation pour l'analyse de réseaux réels. Plusieurs tentatives ont été effectuées pour améliorer les performances de ces simulations. La plus intéressante consiste en l'utilisation de tables de correspondance entre C/I et BER à l'échelle d'un burst puis entre BER et FER à l'échelle d'une trame de service [Wigard96b]. Ces tables remplacent l'utilisation du simulateur de lien et permettent donc des gains en temps de calcul importants. Un exemple de table est donnée en figure 29. La simulation des séquences de niveau de C/I reste cependant un point bloquant pour l'application de ces méthodes à des réseaux réels du fait de la combinatoire des séquences de saut possibles et donc des séquences de niveaux de C/I.

3.1.4 Approche retenue L'utilisation de tables de qualité telles que celles utilisées dans les approches de simulation permettent de prendre en compte les phénomènes liés au saut de fréquences intervenant sur le lien radio et notamment la diversité de fréquences. Ces tables permettent donc d'éviter l'utilisation d'une modélisation analytique complexe du canal ou d'un simulateur de lien apportant des performances de calcul médiocres. La modélisation des phénomènes de diversité d'interférences passe par une évaluation de l'interférence subie sur les différents bursts d'une communication. L'utilisation d'un indicateur de C/I "moyenné" ne permet pas de prendre en compte les aspects liés au seuillage de l'interférence sur un burst par la quantité d'information contenue par celui-ci. Il apparaît donc indispensable d'obtenir la distribution des niveaux d'interférence sur les différents bursts d'une trame de communication. La simulation de cette distribution est un point bloquant sur des réseaux réels du fait de la combinatoire des séquences de saut possibles. C'est ce point bloquant auquel le modèle présenté dans cette thèse tente d'apporter une réponse analytique efficace. Ce modèle est présenté formellement dans les deux parties suivantes. Il est construit en deux étapes. La première détermine pour chaque utilisateur potentiel une distribution de probabilité de collision entre Time Slots. La seconde utilise cette distribution de probabilité pour construire directement une distribution de probabilité de BER sur l'échelle d'une trame de service à partir des champs des secteurs serveurs et brouilleurs en jeu. Des tables de qualité sont ensuite utilisées pour prendre en compte les aspects de diversité de fréquences et de codage correcteur des erreurs.


3.2 Modèle de probabilité de collision entre TS On se place dans l'hypothèse d'un système FTDMA en saut de fréquences lent, c'est-à-dire avec un rythme de saut en fréquences égal à la transmission d'une trame TDMA.

3.2.1 Objectifs Dans un premier temps, l'objectif de ce paragraphe est de montrer, pour un secteur, sur la durée d'émission d'une trame de service, les probabilités d'apparition de TS occupés par des bursts de communication en un point donné, sur un canal de fréquences donné. En considérant alors une communication transmise en permanence sur le canal de fréquences étudié, on peut déterminer l'impact de l'encombrement spectral du secteur vu comme brouilleur sur la communication [Chambreuil02]. Cet impact sera évalué en termes de probabilités de collisions entre des TS occupés du secteur brouilleur et les bursts de la communication se déroulant sur le canal de fréquences (Figure 22).

Temps

Can

al d

e fr

éque

nces

f5

Aucun TRX

Station Brouilleuse B

2 TRX de saut

MAL : {f1, f5, f9}

Taux de charge : 3/8

TRX 1

Exemple de séquence de saut pseudo aléatoire vue du canal de fréquences f5 de la station brouilleuse

Station Serveuse S

1 TRX

1 Canal de fréquences : f5

1 communication transmise sur l'indice 3 de la trame TDMA

TRX 2 TRX 2 Aucun TRX TRX 1

Collision entre S et B sur 2 TS parmi 6 sur la fréquence f5

Figure 22 : Exemple de probabilité de collision de 2 TS sur 6 transmis sur un canal de

fréquences Dans un deuxième temps, l'impact de la combinaison de plusieurs secteurs brouilleurs en un même point (sur une même maille) et sur un même canal de fréquences sera étudié suivant le même principe et en considérant que l'ensemble des trames TDMA émises sur le réseau sont coordonnées dans le temps. Cette dernière hypothèse sera considérée comme valide dans l'ensemble des modèles présentés par la suite.


Enfin, on considérera un secteur serveur, lui-même en situation de saut de fréquences. L'impact de l'encombrement spectral d'un secteur brouilleur sur la transmission d'une trame de service du secteur serveur sera à nouveau étudié en termes de probabilité de collision.

3.2.2 Modèle de probabilité de collision pour un secteur brouilleur unique

• Objectif On considère ici les TRX de saut d'un secteur potentiellement brouilleur B en Saut Synthétisé (on précisera plus tard dans ce chapitre les conditions d'utilisation de ce même modèle pour le saut en Bande de Base). L'objectif est de déterminer, sur un indice de TS fixé d'un canal de fréquences de la MAL de B, la probabilité de présence k

NP d'un TS de B occupé k fois par un burst de communication sur N trames TDMA. Cette probabilité correspond à la probabilité de collision avec les bursts d'une communication émise en permanence sur le même canal de fréquences par une serveuse S.

• Notations Soit α le nombre de TRX de B sautant en fréquences. Dans le cas du Saut Synthétisé, c'est le nombre de TRX du secteur moins un (TRX portant le BCCH). Soit γ la taille de la MAL allouée aux TRX de saut de B. On pose β = γ - α, β représente le nombre de fréquences non occupées par des TRX à tout instant. Soit ρ le taux de charge de B. ρ est le pourcentage de TS de B occupés par des bursts et donc transmis avec de la puissance (un tel TS sera désigné par "brouilleur"). On notera également )(TP la probabilité d’apparition d’un évènement T.

• Hypothèses H1 : On considère que les communications portées par les TRX de saut d'un secteur sont uniformément réparties sur ces TRX. Cette hypothèse implique que ρ est une constante sur l'ensemble des TRX de saut. Ainsi, pour l’émission d’une trame TDMA à un instant t sur un canal de fréquences fixé, ( ) γρα × est la probabilité qu'un TS de B soit occupé, donc brouilleur sur ce canal.

H2 : On considère que les communications liées à la transmission d'un service voix sont soumises à l'activation du DTX (Discontinuous Transmission). Dans la suite de ce chapitre, on considérera toujours que le DTX est désactivé sur le réseau. Cependant cette hypothèse ne sera plus faite dans les chapitres suivants et le DTX sera pris en compte comme un pourcentage d'occupation du canal physique associé à un service voix. En général le taux d'activité lié au DTX varie de 40% à 70%. H3 : On considère l'émission des trames TDMA synchronisée sur le réseau. Cette hypothèse n'implique pas une synchronisation concertée des équipements du réseau permettant d'organiser


celui-ci, mais juste la possibilité de considérer les collisions entre TS de différents secteurs comme des collisions complètes de ces TS. Cette hypothèse présente peu de conséquences pratiques dans le cas du saut de fréquences pseudo aléatoire [Bourjolly02]. H4 : On considère que durant une trame de service, le nombre de communications portées par B est invariant (pas de nouvelle communication initiée et pas de communication se terminant), donc que ρ est une constante sur la trame de service. H5 : On suppose que N est de l'ordre de grandeur du nombre de trames TDMA nécessaires à l'émission d'une trame de service. Dans le cas du GSM on aura donc N=8. Cette hypothèse permet de supposer l'invariance de la charge sur le réseau pour la durée temporelle analysée.

• Modèle Les hypothèses H1, H3 et H4 permettent de déduire qu'un TS d’un TRX de B occupé par une communication à un instant t (date d’émission d’une trame TDMA) est occupé par la même communication durant un nombre de trames TDMA supérieur à N. Donc la probabilité pour un TRX d’être brouilleur sur un indice de TS au temps t+1 sachant que ce TRX était brouilleur au temps t vaut 1. Il n'y a donc pas d'indépendance entre les évènements successifs d'apparition de TS brouilleurs sur un indice de TS fixé d'un canal de fréquences. On résonne donc par récurrence sur l'arrivée de trames TDMA pour obtenir les probabilités de collision. On définit les évènements associés aux probabilités de collision recherchées.

Soit kNB l'évènement où B est brouilleuse k fois sur le même indice de TS du même

canal de fréquences pendant N trames TDMA consécutives. Soit ( )k

Nk

N BPP =

L'ensemble de ces évènements { }],0[/ NkBkN ∈ constitue un système exhaustif

décrivant l'évènement certain. On décompose chaque évènement k

NB en un ensemble d'évènements relatifs à l'apparition dans le temps des TRX sur le canal de fréquences étudié.

Soit jikNB ,, l'évènement où B est brouilleuse k fois sur la même fréquence pendant N

trames TDMA consécutives avec i TRX étant déjà intervenus dont j étaient brouilleurs. Soit ( )jik

Njik

N BPP ,,,, =

L'ensemble des évènements { }[ ] [ ]{ }ijNMiniB jikN ,0,,,0/,, ∈∈ α constitue un système

exhaustif décrivant kNB .

Ces deux partitions successives en évènements exhaustifs permettent donc d'écrire :

{ }{ }

=

=

∑

∑ ∑

=

= =

10

,

0

,

0

,,

N

k

kN

NMin

i

kiMin

j

jikN

kN

P

PPα

(1)


On s'attache maintenant à calculer les probabilités des évènements jikNB ,, .

On considère donc i TRX différents étant déjà apparus sur le canal de fréquences analysé. Parmi ces TRX, j étaient occupés sur l'indice de TS étudié (donc brouilleurs) et donc (i-j) ne l'étaient pas. On a 5 transitions possibles de l'état du système lors de l’apparition d’une nouvelle trame TDMA. Dans la notation, les indices + et – correspondent à l'augmentation ou la diminution du taux de collision à la suite de cette nouvelle trame:

• 0−T = apparition d’aucun TRX sur la fréquence (possible uniquement si la MAL a

une taille supérieure à α) • 1+

+iT = apparition d’un TRX brouilleur n’étant pas intervenu lors des n trames

précédentes • 1+

−iT =apparition d’un TRX non brouilleur n’étant pas intervenu lors des n trames

précédentes • jT+ = apparition d’un TRX brouilleur étant déjà intervenu lors des n trames

précédentes • jiT −

− =apparition d’un TRX non brouilleur étant déjà intervenu lors des n trames précédentes

On note A les probabilités liées aux transitions concernant les apparitions de nouveaux TRX et R les probabilités liées aux transitions concernant les réapparitions de TRX étant déjà intervenus précédemment sur la trame de service. Les probabilités associées à chacune des transitions T peuvent s'exprimer facilement en fonction de α le nombre de TRX, γ la taille de la MAL, β = γ - α, ρ le taux de charge, i le nombre de TRX différents étant déjà apparus et j le nombre de ces TRX qui étaient brouilleurs :

(2)

−==

==

≥=−−

==

≥=−

==

==

−−

−−

++

+−

+−

+−

++

++

++

γ

γ

αγ

ρα

αργ

αγβ

jiTPR

jTPR

isiAetiTPA

isiAetiTPA

TPA

jiji

jj

iii

iii

)(

)(

0)1)(()(

0)(

)(

111

111

00

(2)

On calcule donc les probabilités jik

NP ,, pour une BS d'être brouilleuse k fois sur N trames successives sur un canal de fréquences fixé, i TRX différents étant apparus dont j étaient brouilleurs. Ce calcul est fait de manière récurrente à partir des transitions définies précédemment et on obtient une expression analytique de calcul récursif pour les probabilités k

NP .


Conditions initiales :

{ }

=

=

∑ ∑= =

α,

0 0

,,00

00 1

NMin

i

i

j

jiNN PP

Pavec

+×+×=

×=

≥∀=

−−−−

−

−

)(

10

00,,01

0,1,01

0,,0

0,0,01

00,0,0

,,0

ijN

ijN

jN

NN

jiN

RAPAPPPAPjP

(3)

Et pour ,1 Nk ≤≤

{ }

∑ ∑= =

=α,

0 0

,,NMin

i

i

j

jikN

kN PP (4)

avec

∀=

∀=

+×+×+×+×= −−−+

−−+

−−−−−

−−

iPjP

RAPRPAPAPP

ikN

jkN

jijikN

jjikN

ijikN

ijikN

jikN

0

0

)(

0,,

,0,

0,,1

,,11

1,1,11

,1,1

,,

On dispose ainsi d'une expression analytique de la distribution de probabilités k

NP de collision entre des slots d'une station serveuse et d'une station brouilleuse sur la durée d'une trame de service sur un canal de fréquences commun. L'espérance associée à cette distribution de probabilité pourrait se calculer directement en utilisant des méthodes basées sur les chaînes de Markov [Shapira2002]. Cependant, comme il sera montré au paragraphe 3.4, l'expression analytique est nécessaire pour faire évoluer ce modèle de collision entre bursts vers un modèle d'évaluation de l'interférence incluant plusieurs secteurs brouilleurs. Une autre méthode de calcul peut être également trouvée dans [Chiani98] prenant en compte des aspects liés à l'évaluation du canal radio. Cette méthode ne répond cependant pas à la problématique liée aux combinaisons possibles de puissances et d'allocation de fréquences dans un environnement réel à brouilleurs multiples qui sera étudiée au paragraphe 3.4.

• Applications On considère le cas de la transmission de la voix pour la norme GSM. L'émission d'une trame de service s'effectue donc sur 8 trames TDMA (N=8) par l'intermédiaire de 8 demi-bursts [Lagrange99]. On considère, en première approximation, que la protection appliquée sur le service voix double l'information transmise sur le canal physique par rapport à l'information brute de la numérisation de la voix. Ainsi, les codes correcteurs d'erreur sont capables de reconstituer une trame vocale si moins de 50% de l'information a été perdue avant la réception. On considère une situation d'interférence d'une communication émise en continu sur un canal de fréquences avec un secteur brouilleur unique partageant ce même canal de fréquences. Ce secteur brouilleur est tel que la collision entre un TS brouilleur et un demi-burst de la trame vocale rend indécodable l'ensemble de l'information du demi-burst en question. C'est une situation où le secteur brouilleur a une puissance significativement plus élevée que le secteur serveur.


En considérant une utilité égale dans l'information contenue dans chaque burst de la trame vocale, on peut définir la probabilité de perdre une trame vocale, notée PPT, émise sur une fréquence du secteur brouilleur par un secteur serveur ne sautant pas en fréquence comme :

∑=

=8

48

k

kPPPT (5)

La figure 23 représente l'évolution de ces probabilités de perte de trame en fonction du taux de charge et du nombre de TRX de saut pour un secteur brouilleur unique en Saut Synthétisé avec une taille de MAL égale au nombre de TRX de saut (plan classique). Cette situation supprime les effets de la diversité de fréquences et d'interférences liés au saut en fréquences de la serveuse et au brouillage discontinu dû au saut en fréquences des secteurs brouilleurs. En effet, le secteur brouilleur apparaît de manière continue sur le canal de fréquences portant le service.

Probabilité de perte de trame vocale avec brouilleuse en saut synthétisé plan classique (analyse des TRXs de saut)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.125 0.25 0.375 0.5 0.625 0.75 0.875 1Taux de charge

PPT

1 TRX de saut2 TRX de saut3 TRX de saut4 TRX de saut5 TRX de saut6 TRX de saut7 TRX de saut

Figure 23 : PPT avec une brouilleuse en Saut Synthétisé plan classique

On remarque que pour 1 TRX de saut la probabilité de perte de trame vocale augmente linéairement en fonction de la charge conformément aux situations sans saut de fréquences. A partir de 2 TRX la probabilité n’augmente plus de manière linéaire et des points d'inflexion apparaissent. Ces courbes montrent l'effet de la discontinuité de la charge sur l'interférence dans le cas du saut de fréquences. On s'aperçoit que cet effet est positif par rapport à une situation sans saut de fréquences à faibles charges et négatif à fortes charges (au-delà de 33% de charge). Ce comportement remet en cause l'ajustement d'un modèle d'interférence sans saut de fréquences par un facteur linéaire lié à la charge d'un secteur. On s'intéresse maintenant à l'observation de la diversité d'interférences due au saut en fréquences d'un secteur brouilleur sur une MAL de taille supérieure à son nombre de TRX. Le secteur brouilleur n'est donc plus brouilleur continu sur le canal de fréquences portant le service.


On se place dans 2 cas réalistes de configuration de secteurs avec 3 et 6 TRX sur un réseau et on fait varier la taille de leur MAL respectivement de 3 à 15 canaux de fréquences et de 6 à 20 canaux de fréquences (Figures 24 et 25). On constate tout d'abord pour chaque figure que l’évolution de la probabilité de perte de trame n’est pas linéaire en fonction de la taille de la MAL pour un nombre de TRX donné. On ne peut donc pas ajuster un modèle d'interférence directement en fonction de la taille de la MAL de saut.

Probabilité de perte de trame vocale pour différentes tailles de MAL (Brouilleuse à 3 TRX)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.125 0.25 0.375 0.5 0.625 0.75 0.875 1

Taux de charge de la brouilleuse

PPT

Taille MAL=3Taille MAL=4Taille MAL=5Taille MAL=6Taille MAL=7Taille MAL=10Taille MAL=15

Figure 24 : PPT pour différentes tailles de MAL d'un secteur brouilleur à 3 TRX de saut

Plus encore, l’évolution la probabilité de perte de trame n’est pas linéaire en fonction du rapport entre le nombre de TRX et la taille de la MAL. Par exemple, pour 3 TRX (Figure 24) et un taux de charge à 0,5 on passe de 55% de probabilité de perte de trame pour un rapport (Nombre de TRX)/(Taille de MAL) de 1 à 20% pour un rapport de ½. Pour 6 TRX (Figure 25) et le même taux de charge, la probabilité de perte de trame passe de 60% à 15%. Ce comportement remet donc également en cause l'ajustement d'un modèle d'interférence sans saut de fréquences par un facteur lié au rapport (Nombre de TRX) / (Taille de MAL) [Kronestedt97].


Probabilité de perte de trame vocale pour différentes tailles de MAL (Brouilleuse à 6 TRX)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.125 0.25 0.375 0.5 0.625 0.75 0.875 1


PPT

Taille MAL=6Taille MAL=7Taille MAL=8Taille MAL=9Taille MAL=10Taille MAL=11Taille MAL=12Taille MAL=15Taille MAL=20

Figure 25 : PPT pour différentes tailles de MAL d'un secteur brouilleur à 6 TRX de saut

3.2.3 Modèle de probabilité de collision pour plusieurs secteurs brouilleurs

• Objectif On s'intéresse maintenant à la prise en compte de la diversité d'interférences dans le cas du cumul de plusieurs secteurs brouilleurs. On applique toujours ce cumul d'interférence à une communication émise en continue sur un canal de fréquences fixé. Le modèle est construit en deux étapes, la première consiste dans le cumul de secteurs brouilleurs et la seconde dans le cumul d'un nombre indéterminé de secteurs brouilleurs.

• Modèle On considère la présence de deux secteurs brouilleurs B et B' ayant en commun au moins le canal de fréquences sur lequel est transmis le service analysé. On suppose ces brouilleurs émettant de manière totalement indépendante. On définit les évènements suivants :

• kNB : B est brouilleur k fois sur la même fréquence pendant N trames TDMA

consécutives. • k

NB' : B' est brouilleur k fois sur la même fréquence pendant N trames TDMA consécutives.

• kNb : l’ensemble des deux secteurs brouilleurs B et B' est brouilleur k fois pendant N

trames TDMA consécutives sur une de leurs fréquences commune f . On définit alors un ensemble de sous évènements décrivant exhaustivement k

Nb .


Soit l'évènement ( )NkjiC ,,, qui correspond au cumul de i brouillages sur N trames par B et de j brouillages sur N trames par B' donnant k brouillages sur N trames pour l’ensemble des deux brouilleuses. Les évènements k

NB et kNB' étant indépendants et les collisions étant considérées

comme des évènements binaires (pas de prise en compte de la puissance des collisions), il vient :

( )( ) [ ]

2,0,

,,,Nji

kN NkjiCb

∈

=

On calcule d'abord les probabilités associées aux évènements ( )NkjiC ,,, . Le cumul de deux secteurs brouilleurs B et B' indépendants sur un canal de fréquences commun est équivalent en termes de collisions à un secteur brouilleur équivalent b sur ce même canal de fréquences. Ce secteur a une distribution de probabilités de collisions ( ) ( )k

Nk

N bPbP = sur le canal de fréquences en question. Cette distribution de probabilités de collisions s'obtient donc à partir des distributions de probabilité de collision des secteurs B et B'.

Pour ( ) [ ]2,0, kji ∈ , on a : ( )( ) )'()(,,,)(

BPBPCCCNkjiCP j

Ni

NjN

ikji

ikiN ×××

=−−−

− (6)

Et pour ki > ou kj > , on a : ( )( ) 0,,, =NkjiCP

Cette formule est obtenue en considérant le rapport entre : o le nombre de combinaisons de collisions de B et B' engendrant k collisions,

soient iNC collisions sur B, ik

iNC −− collisions supplémentaires apportées par B'

et )( ikjiC −− collisions apportées par B' sur des collisions déjà apportées par B,

o et le nombre de combinaisons possibles entre les collisions de B et B' j

NiNCC .

On en déduit :

( ) ∑∑= =

−−−−

××

×=

k

i

k

j

jN

iNj

N

ikji

ikiNk

N BPBPCCCbP

0 0

)(

)'()( (7)

L'application itérative des calculs précédents et la notion de brouilleur équivalent permettent de calculer la distribution cumulée de probabilités de collisions de M secteurs brouilleurs indépendants entre eux sur un canal de fréquences commun de leur MAL. Cette probabilité est obtenue par cumuls successifs d’un secteur brouilleur au secteur brouilleur équivalent calculé.

• Application La figure 26 présente la probabilité de perte de trames vocales dans les mêmes hypothèses que le paragraphe précédent pour des cumuls de secteurs brouilleurs sur une trame de service ne sautant pas. Pour cet exemple, on considère des secteurs brouilleurs ayant 6 TRX et une MAL comportant 45 canaux de fréquences. L'ensemble des MAL de saut de ces secteurs possède au moins un canal de fréquences commun et la communication considérée sur la serveuse est transmise sur ce canal de fréquences commun. Cette situation est une situation typique de réseau cellulaire avec réutilisation de l'ensemble du spectre sur un motif à 1. On considère le cumul de 1 à 5 secteurs brouilleurs.


Probabilité de perte de trame vocale pour des cumuls de brouilleuses de type 6 TRX de saut sur 45 canaux de fréquences

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Taux de charge des brouilleuses

PPT

Nb Brouilleuses = 1Nb Brouilleuses = 2Nb Brouilleuses = 3Nb Brouilleuses = 4Nb Brouilleuses = 5

Figure 26 : PPT pour des cumuls de brouilleuses avec 6 TRX de saut sur 45 canaux de

fréquences Le taux de charge varie de 25% à 87,5%. On remarque que pour des taux de charges inférieurs à 50%, le cumul de 3 secteurs brouilleurs ne produit pas de probabilité de perte de trame au delà de 5% ce qui correspond au début des problèmes de qualité. Pour des taux de charge supérieurs à 50% la probabilité de perte de trame vocale est supérieure à 5% pour 3 secteurs brouilleurs à 67% de charge et 5 secteurs brouilleurs dès 37% de charge. On remarque une nouvelle fois la non linéarité des phénomènes d'interférence en fonction du cumul des secteurs brouilleurs. Ces courbes permettent de mesurer les gains liés à la diversité d'interférences dans des situations de secteurs brouilleurs multiples avec réutilisation complète du spectre sur l'ensemble des secteurs. Un réseau très dense, avec 6 TRX par secteur, peut ainsi supporter une charge de 50% sans problème de qualité avec une géométrie impliquant 3 brouilleuses fortes par secteur (en géométrie hexagonale théorique on a 2 brouilleuses fortes). Il reste maintenant à mesurer l'impact des conditions de saut du secteur serveur pour mesurer l'ensemble des phénomènes liés à la diversité d'interférences.

3.2.4 Prise en compte des conditions de saut de la serveuse

• Objectif On considère maintenant la présence d’un secteur brouilleur B (ou d'un serveur brouilleur équivalent composé d'un ensemble de secteurs brouilleurs) et d’un secteur serveur S. On se place au niveau d’un canal physique de S qui porte une communication et éventuellement saute en fréquences. On considère que l'ensemble des secteurs brouilleurs constitutifs du secteur brouilleur équivalent partage les fréquences du secteur serveur.


On calcule donc les mêmes probabilités de collision que dans les paragraphes précédents, mais en considérant maintenant les conditions de saut du secteur serveur et le partage des fréquences entre le secteur serveur et le secteur brouilleur.

• Modèle Soit Γ le nombre de fréquences communes entre S et B. Soit sγ le nombre de fréquences de S. On s'intéresse d'abord à l'apparition du canal physique portant les trames de service sur des canaux soumis à un brouillage.

Soit kNS l'évènement où la communication apparaît k fois pendant N trames TDMA

consécutives sur un canal de fréquences commun entre S et B. Cet évènement décrit la relation entre les séquences de saut possibles pour la communication portée par le secteur serveur et l'apparition de la communication sur un canal de fréquences potentiellement brouillé. La séquence de saut du secteur étant pseudo aléatoire, la probabilité liée à cet évènement suit une loi binomiale et peut s'écrire :

( )kN

S

k

S

kN

kN CSP

−

Γ−

Γ=

γγ1 (8)

On s'intéresse maintenant aux probabilités de collision. On introduit une BS brouilleuse et on fait intervenir k

NP sa probabilité d'être brouilleuse k fois sur le même indice de TS du même canal de fréquences pendant N trames TDMA consécutives.

Soit kNE l'évènement où la communication de S subit k brouillages pendant N trames

TDMA consécutives. D’une manière analogue au cumul de 2 secteurs brouilleurs (7), on a :

( ) ( )∑∑= =

−−

××

×=

N

ki

N

kj

jN

iNj

N

kjiN

kNk

N PSPC

CCEP (9)

Ce modèle de prise en compte des conditions de saut du secteur serveur n'est compatible avec le cumul de secteurs brouilleurs que dans le cas où l'ensemble des fréquences brouillées par le secteur serveur sont brouillées par les mêmes secteurs brouilleurs.

• Application On définit la probabilité de perte de trame vocale de manière analogue au cas (5) où la communication ne saute pas en fréquences :

( )∑=

=8

48

k

kEPPPT

Les figures suivantes présentent la probabilité de perte de trame vocale pour un secteur serveur impacté par un secteur brouilleur dans des conditions de saut identiques en plan classique. La probabilité est différenciée suivant le nombre de fréquences communes entre le secteur serveur et le secteur brouilleur.


La figure 27 montre par exemple pour un secteur serveur à 3 TRX de saut et un secteur brouilleur à 3 TRX de saut, la probabilité de perte de trame vocale issue du partage de 1 à 3 canaux de fréquences.

Probabilité de perte de trame vocale (secteurs serveurs et brouilleurs à 3 TRX de saut en plan classique)

0

0.25

0.5

0.75

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1


PPT'

1 canal commun2 canaux communs3 canaux communs

Figure 27 : PPT pour un secteur serveur et un secteur brouilleur à 3 TRX de saut en plan

classique La figure 28 montre qu'à partir de 5 TRX sur le secteur serveur et le secteur brouilleur, la probabilité de perte de trame vocale, PPT, reste inférieure à 5% quelle que soit la charge, même si les stations ont un canal de fréquences en commun.

Probabilité de perte de trame vocale (secteurs serveurs et brouilleurs à 5 TRX de saut en plan classique)

0

0.25

0.5

0.75

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1


PPT'

1 canal commun2 canaux communs3 canaux communs4 canaux communs5 canaux communs

Figure 28 : PPT pour un secteur serveur et un secteur brouilleur à 5 TRX de saut en plan

classique


Ce dernier résultat montre tout l'intérêt du gain en diversité d'interférences du saut de fréquences. Dans un tel cas de puissance du secteur brouilleur élevé par rapport à la puissance du secteur serveur, l'ensemble des communications émises sur le canal de fréquences commun sans saut de fréquences subirait un brouillage permanent. La probabilité de perte de trame vocale s'approcherait de 100% lorsque le taux de charge vaut 1. Ce modèle de prise en compte des conditions de saut du secteur serveur ne prend pas en compte les gains liés à la diversité de fréquences, ni la complexité des situations de brouillage dues à des secteurs brouilleurs de puissances différentes et ne partageant pas les mêmes canaux de fréquences. Ces aspects sont étudiés dans les paragraphes suivants.

3.3 Prise en compte de la puissance des secteurs et calcul de la distribution de BER

3.3.1 Problématique L'objectif de ce paragraphe est de montrer comment faire évoluer le modèle de probabilité de collisions entre TS présenté dans le paragraphe précédent vers un modèle d'évaluation de la qualité applicable à des réseaux réels. La première hypothèse à lever est dans la dichotomie de l'interférence entre l'absence de collision entre TS qui ne génère aucune perte d'information et la collision entre TS qui génère une perte totale de l'information contenue dans le burst de service. En effet, la quantité d'information perdue lors de la collision entre un TS brouilleur et un burst de service est une fonction non linéaire dépendante du rapport entre le niveau de champ de réception du burst de service et le niveau de champ de réception du TS brouilleur. Cette fonction dépend également de la qualité du récepteur vis-à-vis de la modulation utilisée et de la vitesse de déplacement du mobile. Cette quantité d'information perdue peut être exprimée en termes de BER en fonction d'un niveau de C/I (Figure 29). Ces tables de qualité C/I→BER peuvent s'obtenir à partir de simulateurs du canal radio [Wigard96a].


Correspondance entre BER et C/I pour un récepteur parfait à 3 km/h

0%

10%

20%

30%

40%

50%

-10 0 10 20 30

C/I (en dB)

BER BER GMSK

Figure 29 : Exemple de correspondance C/I→BER en modulation GMSK

La seconde hypothèse à lever concerne l'homogénéité de l'interférence sur les canaux de fréquences de saut brouillés du secteur serveur. En effet, dans une situation de plan de fréquences non homogène, chaque canal de fréquences du secteur serveur est interféré par des secteurs brouilleurs potentiellement différents. Ainsi les probabilités de collisions entre TS sont différentes entre chaque canal de fréquences de saut du secteur serveur et la formule (9) ne s'applique plus.

3.3.2 Cas du saut de fréquences en motif 1x1 Le saut de fréquences en motif 1x1 est un cas particulier de plan de fréquences où il y a homogénéité de l'interférence sur l'ensemble des canaux de saut du secteur serveur. En motif 1x1, tous les TRX de saut de tous les secteurs du réseau sautent sur la même MAL. Ainsi, en un point du réseau et pour un secteur serveur donné, les niveaux de brouillage sont les mêmes sur chaque canal de fréquences. Dans ce cas, la communication d'un secteur serveur sautant sur cette MAL est interférée par les secteurs brouilleurs de la même manière que si elle était transmise de manière continue sur le même canal de fréquences. On considère toujours que l'ensemble des trames TDMA transmises sur le réseau sont synchronisées dans le temps. On se place au niveau de la collision entre un TS brouilleur et un burst de service. En fonction de la valeur de C/I entre le secteur serveur et le secteur brouilleur impliqués, cette collision entraîne l'effacement d'un certain pourcentage de bits (2 fois la valeur du BER) du burst de service considéré. Ce pourcentage d'effacement est noté θ. On indice la transmission des bits d'un burst de service et on se positionne à un indice donné de la transmission d'un bit précis de ce burst de service. On observe alors l'effacement ou non des bits transmis sur cet indice du burst au cours de la transmission du service en fonction du niveau de C/I de la collision. La figure 30 présente un exemple de passage de la probabilité de collision entre TS à la probabilité d'effacement de bits. Dans le cas présenté, la communication enregistre deux collisions entre TS mais seulement l'effacement d'un bit sur l'indice considéré. Dans cet exemple, le bit effacé en collision sur la troisième trame TDMA est remplacé par un bit de même valeur.


Temps

Can

al d

e fr

éque

nces

f

Aucun TRXTRX 1 TRX 2 TRX 2 Aucun TRX TRX 1Temps

Can

al d

e fr

éque

nces

f

Aucun TRXTRX 1 TRX 2 TRX 2 Aucun TRX TRX 1

...00100011010111001 ...00100011010111001...01100110011100011 ...01100110011100011

...00101011011101001 ...00101011011101001 ...01100110001100110 ...01100110001100110

...01000110111001010 ...01000110111001010 ...01100110011100011 ...01100110011100011 ...01000110111001010 ...01000110111001010 ...01100110011100011 ...01100110011100011

...01100110011100011 ...01100110011100011...01000110111001010 ...01000110111001010 ...01000110111001010 ...01000110111001010 ...01100110011100011 ...01100110011100011

Niveau de C/I entre Serveuse et Brouilleuse → BER= 16.5% ; θ = 33%

Instance deInstance de

Instance de Taux d'effacement moyen sur les 6 trames TDMA = 16.7%

BER moyen sur les 6 trames TDMA = 8.3 % Figure 30 : Illustration du passage de la probabilité de collision entre TS à la probabilité

d'effacement de bits

• Objectif

On considère un réseau en situation de motif 1x1 et on cherche à déterminer la distribution de probabilité de BER sur une communication transmise par un secteur serveur. Cette distribution de probabilité est calculée en fonction des distributions de probabilités de collision entre TS de ce secteur serveur avec chaque secteur brouilleur et du niveau de C/I entre ces deux mêmes secteurs.

• Modèle Soit k

NA l'évènement où pour une communication, le nombre de bits effacés sur un indice de bit parmi N bursts transmis est k. Soit ( )k

NkN APH = , la probabilité associée à cet évènement.

Si l'on fait l'hypothèse que l'ensemble des bits transmis sur une trame de service reçoivent sensiblement la même interférence, k

NH correspond à la probabilité d'avoir un niveau de BER

moyen de valeur ( )Nk×5.0 (la moitié du taux d'effacement en bits) sur la transmission de N

bursts d'une trame de service. L'évaluation de cette probabilité est menée récursivement en cumulant les probabilités d'effacement par chaque secteur brouilleur et en supposant l'indépendance de leur impact sur l'effacement des bits.


o Pour un secteur brouilleur B

On note θ la probabilité d'effacement de bit sachant qu'il y a collision avec la trame. Les valeurs de θ sont obtenues à partir des tables de qualité C/I→BER.

On a : ( )∑=

−−=N

ki

kikki

iN

kN CPBH θθ 1)( (10)

o Pour 2 secteurs brouilleurs indépendants B et B' On note b le secteur brouilleur équivalent au cumul des deux secteurs B et B'. La probabilité

)(bH kN que l'ensemble des deux secteurs brouilleurs B et B' effacent k bits pendant N trames

TDMA consécutives sur une des fréquences est donnée comme pour (6) par :

∑∑= =

−−−−

××

×=

k

i

k

j

jN

iNj

N

ikji

ikiNk

N BHBHCCCbH

0 0

)(

)'()()( (11)

o Cumul de M brouilleuses indépendantes L'indépendance des M brouilleuses entre elles permet de considérer leurs présences sur la même fréquence par cumuls successifs d'une brouilleuse à la brouilleuse équivalente calculée. Ce calcul récursif permet d'obtenir la probabilité d'effacement k

NH par l'ensemble des brouilleuses.

3.3.3 Cas général Dans une situation de plan de fréquences quelconque, les canaux de fréquences de saut d'un même secteur serveur S peuvent être interférés de manières différentes par les autres secteurs du réseau. Ainsi, le brouillage d'une trame de service de S est dépendant de la séquence de saut sur laquelle elle est transmise. Le nombre de séquences de saut potentielles est très élevé, si sγ est le nombre de canaux de fréquences de S et N la taille de la trame de service, alors il existe N

S )(γ séquences de saut possibles pour S. Un échantillonnage des séquences de saut par des tirages de Monte-Carlo serait possible, cependant on s'attache ici à conserver les propriétés probabilistes et analytiques du modèle. Le processus de calcul est découpé de la manière suivante :

o Calcul de la probabilité d'apparition de chaque séquence de saut o Calcul de la distribution de probabilité d'effacement pour chaque séquence de saut o Calcul de la distribution de probabilité d'effacement de bits sur une trame de service

quelconque de la serveuse S et réduction de la complexité

• Calcul de la probabilité d'apparition de chaque séquence de saut En considérant que chaque burst a la même importance pour la transmission de la trame de service, le brouillage est dépendant uniquement du nombre de fois où la serveuse saute sur chacun de ses canaux de fréquences durant la transmission de la trame de service.


Définissons E comme l'ensemble des configurations ( )S

xxx γ,...,1= telles que la serveuse apparaît xi fois sur le canal de fréquences i.

( ) [ ]

=∈== ∑=

SS

Si

i NxNxxxEγ

γγ

11 ,0,...,

x représente donc un ensemble de séquences de sauts ayant un même comportement vis-à-vis de l'interférence. Notons ( )xP la probabilité d'apparition de la configuration x parmi l'ensemble des séquences de saut de S. ( )xP peut être calculé par le rapport entre le nombre de séquences de sauts prenant cette configuration et le nombre total de séquences de sauts. Le nombre de séquences de sauts de S faisant apparaître x1 fois la fréquence 1 est : 1x

NC . Le nombre de séquences de sauts de S faisant apparaître x2 fois la fréquence 2, sachant qu'est apparue x1 fois la fréquence 1 est : 2

1

xxNC −

Et donc le nombre de séquences de sauts de S faisant apparaître x1 fois la fréquence 1 et x2 fois la fréquence 2 est : 12

1

xN

xxN CC ×−

Plus généralement, le nombre de séquences de sauts de S faisant apparaître xi fois la fréquence i, sachant que sont apparues xj fois les fréquences j, pour j < i est: i

ijj

xxNC ∑

<

−

Et donc le nombre de séquences de sauts ayant la configuration x est : ∏=

−∑<

Si

ijj

i

xxNC

γ

1

Le nombre total de séquences de sauts étant N

S )(γ , la probabilité d'apparition de la configuration x parmi l'ensemble des séquences de sauts de S vaut donc :

( )( ) ∏

=−∑×=

<

Si

ijj

i

xxNN

S

CxPγ

γ 1

1 (12)

• Calcul de la distribution de probabilité d'effacement pour chaque séquence de saut

Soient les évènements suivants :

o ),,,( jxSiA ikN

i : le secteur serveur S est brouillé ki fois et j bits du canal de fréquences i sont brouillés, sachant que S saute xi fois sur le canal i.

o ),,( ikN xSiA i : le secteur serveur S est brouillé ki fois sur le canal de fréquences i,

sachant que S saute xi fois sur le canal i. Cet évènement est l'union sur j des évènements incompatibles ),,,( jxSiA i

kN

i .

o ),( xSAkN : le secteur serveur S est brouillé k fois, sachant que sa séquence de sauts

prend la configuration x. On définit les probabilités suivantes :

o )(iH kN : la probabilité que k bits soient effacés pendant N trames TDMA sur la

fréquence i. Cette probabilité s'obtient de la même manière que pour le saut de


fréquences en motif 1x1 (10). Dans le cas du saut de fréquences en motif 1x1, cette probabilité est la même pour toutes les fréquences.

o ),,,( jxSiH ikN

i : la probabilité de l'évènement ),,,( jxSiA ikN

i .

o ),,( ikN xSiH i : la probabilité de l'évènement ),,( i

kN xSiA i .

o ),( xSH kN : la probabilité de l'évènement ),( xSAk

N . Alors,

∑+−

=

−−

=

=

ii

i

ii

i

i

i

ii

kxN

kji

kNi

kN

jNj

N

kjxN

kx

ikN

jxSiHxSiH

iHCCC

jxSiH

),,,(),,(

)(),,,(

Et,

[ ] [ ]∑ ∏

∑

=

=

××∈ =

ii

SS

Si

kkavecxxkk i

ikN

kN xSiHxSH

γγ

γ

,0,0)( 111

),,(),(

(13)

• Calcul de la distribution de probabilité d'effacement sur une trame de service quelconque de la serveuse S

On déduit des calculs précédents la distribution de probabilité d'effacement de bits sur une trame de service de S :

∑=x

kN

kN xSHxPH ),()( (14)

kNH représente donc la probabilité qu'un BER de valeur k/2N soit subi par une trame de service

de longueur N émise sur les fréquences de saut du secteur serveur S. Où P(x) est la probabilité d'apparition de la configuration x parmi l'ensemble des séquences de sauts de S donné par (12) et ),( xSH k

N est la probabilité que le secteur serveur S soit brouillé k fois, sachant que sa séquence de sauts prend la configuration x, donné par (13). Ce calcul implique la détermination de l'ensemble des configurations de saut x du secteur serveur S. La complexité de l'algorithme est donc directement liée au nombre de configurations. Cette complexité est intuitivement exponentielle en fonction du nombre de fréquences de saut du secteur serveur pour une taille de trame de service fixée. On calcule donc le nombre de configurations x en fonction du nombre de fréquences de saut afin de connaître la taille limite de MAL pour lesquelles le traitement est applicable.

On rappelle que ( ) [ ]

=∈== ∑=

SS

Si

i NxNxxxEγ

γγ

11 ,0,...,

Soit ( )EcardS S

N =γ , notons que 1, 1 =∀ NSN . Supposons que x1 soit fixé égal à k. Alors, le nombre d'éléments de E ayant kx =1 vaut 1−

−S

kNS γ .


x1 pouvant prendre des valeurs entre 0 et N, on obtient :

∑=

−−=∀

N

kkNN

SS SSN0

1, γγ

Soit H(n) l'hypothèse de récurrence : N

NN S

S CS 1−+= γγ

H(1) est vérifié de manière évidente. En supposant H(1),…,H(n-1), on a :

∑∑=

−−−+−

=

−− ==

N

i

iNiN

N

iiNN S

SS CSS0

1)1()(0

1γ

γγ

Et en posant k=N-i, on obtient :

∑=

−+=N

k

kkN S

S CS0

2γγ

Soit maintenant P(N) l'hypothèse de récurrence :

NN

N

k

kk SS

CC 10

2 −+=

−+ =∑ γγ

P(0) est vérifiée de manière évidente. En supposant P(0),…, P(n-1), on a :

122

1

022

02

−−+−+

−

=−+−+

=−+ +=+= ∑∑ N

NNN

N

k

kk

NN

N

k

kk SSSSS

CCCCC γγγγγ

Donc,

( )( ) ( )

( )( )( ) ( )

( )( )( ) ( )( )

( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )! 1!

! 111

! 2! 1! 2

111

! 2! 1! 2

! 1! 1! 2

! 2!! 2

02

−×−+

=

−×−+

×−×−

−+=

−

+×−×−

−+=

−×−−+

+−×−+

=∑=

−+

S

S

S

S

S

S

SS

S

S

S

S

SN

k

kk

NN

NN

NN

NNN

NN

NNC

S

γγ

γγ

γγ

γγγ

γγ

γγ

γ

D'où,

NN

N

k

kk SS

CC 10

2 −+=

−+ =∑ γγ

Ainsi P(N) est vérifiée pour tout N à partir de 0, et donc H(n) est vérifiée pour tout n à partir de 1. On a donc la relation :

NNNS S

S CSN 1 ,1 ,0 −+=>∀>∀ γγγ


Le calcul des probabilités d'apparition des différentes configurations de séquences de sauts n'est dépendant que du service analysé et du nombre de fréquences de saut du secteur serveur. Ces éléments peuvent donc être précalculés. Cependant, le calcul des k

NH reste une fonction de l'énumération des configurations de sauts potentielles. On s'aperçoit (Figure 31) que cette énumération peut prendre des proportions très importantes dans le cas d'une taille de MAL élevée et rendre ainsi les temps de calculs prohibitifs.

Nombre de configurations de saut possibles en fonction du nombre de fréquences de saut pour une trame vocale GSM

0

1000020000

3000040000

50000

6000070000

80000

0 5 10Taille de la MAL de saut

Nom

bre

de c

onfig

urat

ions

x

Nombre deconfigurations desaut possibles

Figure 31 : Evolution de la complexité de l'algorithme de calcul en fonction de la taille de MAL

du secteur serveur pour un service voix GSM

• Simplification de la complexité algorithmique Une manière de borner les temps de calculs consiste à regrouper les canaux de fréquences en classes d'équivalences afin de limiter le nombre de canaux fondamentalement différents sur un secteur et donc de limiter le nombre de séquences de sauts potentielles. Deux critères de regroupement sont appliqués par la suite pour atteindre le nombre maximum de classes d'équivalences fixé :

o Les fréquences ayant des probabilités d'effacement de bits kNH exactement égales

sont regroupées dans une même classe. o Si le nombre de classes est toujours trop grand, on regroupe les canaux de

fréquences ayant les kNH les plus proches dans la même classe. Le critère de

distance utilisé est la comparaison des vecteurs ( )NNN HH ,...,0 par la norme infinie.

Les calculs du modèle précédent sont alors effectués de manière identique. Seuls les poids des configurations sont différents. On note Pi le nombre de canaux d'une classe d'équivalence i. Soit nc le nombre de classes. On obtient une nouvelle formulation de (12), la probabilité P(x) d'apparition de la configuration x parmi l'ensemble des séquences de sauts de S :

( )( ) ∏

=−

×∑×=

<

cii

ijj

n

i

xi

xxNN

S

PCxP1

)(1γ

(15)

Et on retrouve (14),

∑=x

kN

kN xSHxPH ),()(


On rappelle que kNH représente la probabilité qu'un BER de valeur k/2N soit subi par une trame

de service de longueur N émise sur les fréquences de saut du secteur serveur S.

3.3.4 Prise en compte des spécificités de saut des secteurs

• Spécificités du saut de fréquences synthétisé Deux phénomènes spécifiques font intervenir une dichotomie entre le TRX portant le BCCH et les autres TRX du secteur, ceci à la fois dans leurs aspects brouilleurs ou serveurs.

o En saut de fréquences synthétisé, le premier TRX (portant le canal BCCH) est configuré de telle sorte qu'il reste sur un canal de fréquences fixe au cours du temps. Ainsi les communications portées par le TRX portant le BCCH ne sautent pas en fréquences et dans les calculs de qualité on considérera ces communications séparément et leur traitement se fera avec l'équivalent d'une taille de MAL à 1.

o D'une manière générale, les TS non occupés par une communication du TRX

portant le BCCH sont remplis à l'aide de bursts de bourrage afin de garantir une puissance d'émission continue sur le canal fréquentiel portant le canal BCCH et d'en faciliter la réception par le mobile. Ainsi un secteur sera systématiquement séparé en deux secteurs brouilleurs équivalents. L'un est composé des TRX de saut et a un taux de charge égal au taux de charge du secteur considéré. L'autre est composé du TRX portant le BCCH et a un taux de charge égal à 100%.

• Spécificités du saut de fréquences en Bande de Base En saut de fréquences en Bande de Base, le même phénomène de bourrage des TS du TRX portant le BCCH existe et la même séparation d'un secteur en deux secteurs brouilleurs est faite. Par contre, les communications sautent sur l'ensemble des TRX du secteur et il n'y a donc pas de séparation entre les TRX lors de l'analyse du secteur en tant que serveur.

3.4 Evaluation de la qualité voix en GSM Ce paragraphe décrit un exemple direct de l'application du modèle général d'interférence en FTDMA avec saut de fréquences qui vient d'être présenté. L'objectif ici est de prendre en compte les spécificités liées à une norme de transmission et un service afin d'aboutir à une évaluation de la qualité de service mesurable par un utilisateur. Des tests élémentaires de comportement du modèle seront étudiés ici, avant de présenter dans le prochain chapitre des résultats de validation du modèle par rapport à la réalité de mesures et d'implémentations d'ingénierie.


3.4.1 Transmission de la parole en GSM L'objectif n'est pas ici de rentrer en profondeur dans les détails de l'interface radio GSM pour la voix. L'objectif est de comprendre que l'ensemble de la chaîne de transmission est construit autour :

o du découpage du service en blocs élémentaires, o de l'ajout d'information à l'information utile du bloc pour faciliter la correction des

erreurs dues à l'interférence, o du mélange pseudo aléatoire des bits d'information afin de limiter l'impact de

l'interférence à l'échelle d'un ensemble de symboles, o de la transmission du bloc protégé sur plusieurs intervalles de temps afin de le

protéger contre un phénomène d'interférence à l'échelle d'une trame TDMA. L'ensemble de ces éléments justifie les hypothèses du modèle d'évaluation donnant la même importance à chaque burst transmis pour une trame de service lors du calcul de la collision entre TS et la même importance à chaque bit transmis lors du calcul du taux d'effacement de bits sur une trame de service. En GSM, la transmission des canaux physiques s'effectue sur des trames TDMA composées de 8 TS. La parole analogique est découpée en trames vocales de 20 ms. Ces trames sont numérisées par un système RPE-LTP (Regular Pulse Excitation – Long Term Prediction). Ce système transforme chaque trame vocale en un bloc de 260 bits composé de 3 parties :

o LPC (Linear Predictive Coding) : corrélations à court terme (36 bits) o LTP : corrélations à long terme (36 bits) o RPE : détermine le signal d’excitation pour reproduire le signal de parole (4 groupes

de 15 paramètres (47 bits) = 188 bits) Ces 260 bits sont ensuite classés selon leur importance :

o Classe Ia : 50 bits très sensibles aux erreurs o Classe Ib : 132 bits sensibles aux erreurs o Classe II : 78 bits moins sensibles aux erreurs

Ils sont ensuite protégés en différentes étapes jusqu'à obtenir un bloc de parole protégée de 456 bits :

o 50 bits classe Ia protégés par un CRC (Cyclic Redundancy Check) [Lagrange99] de 3 bits = 53 bits

o 53 bits (Ia et CRC) + 132 bits (Ib) + 4 bits de traînée (servant à purger le registre à décalage du codeur) donnent 189 bits

o 189 bits en entrée d'un codeur convolutionnel de taux ½ donnent (2 x 189 bits) = 378 bits

o 378 bits + 78 bits de classe II donnent 456 bits Ces bits ne sont pas transmis directement dans des bursts, ils sont entrelacés afin de rendre plus aléatoires les positions des erreurs qui arrivent généralement en salve dans le contexte radio. En effet il existe une taille maximum d’un paquet d’erreurs pouvant être corrigées par un code convolutionnel. Il y a donc mélange des bits d'information avant découpage du bloc de parole protégé en 8 demi-bursts et transmission de ceux-ci sur un TS par trame TDMA en combinaison avec des demi-bursts de trames vocales précédentes ou suivantes (Figure 32).


Trame vocale 1 Trame vocale 2

Codage de la parole

10110011010101100101010010101011000011101101001011000

Bloc de 260 bits de parole numérisée

non protégée

Codage du canal

101100110101011001010100101010110000111011010010110001010100100001010011110011010011101010100111100011010111110

Bloc de 456 bits de parole numérisée

protégée

Entrelacement

8 demi-bursts de 57 bits


Codage de la parole

Codage du canal

Entrelacement

010110111

010001011

101010010

100100110

011010101

010101001

011001011

010010001

010110111

010001011

101010010

100100110

011010101

010101001

011001011

010010001

010110111

010001011

101010010

100100110

011010101

010101001

011001011

010010001

010110111

010001011

101010010

100100110

011010101

010101001

011001011

010010001

Figure 32 : Le codage binaire de l'information vocale

3.4.2 Adaptation des modèles d'évaluation de l'interférence

• Adaptation du modèle de probabilité de collision entre TS Le modèle de collision entre TS fait l'hypothèse que les collisions entre TS génèrent un taux d'effacement de 100% (BER de 50%) sur les demi-bursts de service. C'est le codage convolutionnel de taux ½ qui justifie l'hypothèse d'avoir au moins 5 demi-bursts sur 8 reçus sans interférence afin de permettre de décoder la trame vocale [Deissner98]. En effet 4 demi-bursts parfaitement reçus ne représenteraient que 228 bits ce qui est moins que la taille de l'information numérisée brute. On peut considérer que ce critère est optimiste car il représente le minimum de demi-bursts devant être reçus, on peut donc le considérer comme une borne minimum du FER. On considère donc également un critère exigeant la réception de 6 demi-bursts sur 8 sans interférence afin de permettre de décoder la trame vocale et considérer que la probabilité de perte de trame associée est une borne maximum du FER. On en déduit que la borne minimum du FER moyen reçu pour un secteur serveur S en un point est égale à la valeur PPTmin (5) :

( )∑=

=8

48min

k

kEPPPT

De la même manière, la borne maximum du FER moyen reçu pour un secteur serveur S en un point est égale à la valeur PPTmax donné par la même formule :


( )∑=

=8

38max

k

kEPPPT

Dans la suite, on parlera indifféremment de modèle de collision entre TS ou de modèle de PPT.

• Adaptation du modèle de probabilité de BER Lorsque le modèle de calcul de la distribution du taux d'effacement de bits sur une trame de service est utilisé, on peut se permettre d'aller plus loin dans la précision analysée. On utilise un simulateur de la chaîne de démultiplexage, de désentrelacement et de décodage du canal afin de déterminer des tables de correspondance entre des niveaux de BER moyens reçus sur un ensemble de trames (½ du taux d'effacement) de service et le décodage ou non de celles-ci [Wigard98]. Un exemple de table de correspondance est donné Figure 33.

Correspondance entre FER et BER pour un saut sur 8 fréquences à 3 km/heure

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

BER

FER

Figure 33 : Exemple de correspondance BER→FER en situation de saut sur 8 fréquences

Ces tables dépendent de paramètres de vitesse du mobile ou encore du nombre de fréquences de saut du secteur serveur pour le gain en diversité de fréquences par rapport aux évanouissements de Rayleigh. On obtient ainsi pour une situation donnée, une table de correspondance BER→FER(x) permettant d'obtenir un valeur de FER correspondant à une valeur x de BER, que l'on applique de la manière suivante :

( )( )( )NkFERBERFERP

NkBERPH k

N

2

2→==

==

kNH devient donc la probabilité d'avoir une valeur de FER instantané correspondant à une valeur

de BER de ( )Nk

2 .

On en déduit que le FER moyen reçu pour un secteur serveur S en un point vaut :

( )( )∑=

→×=N

k

kNmoy N

kFERBERHFER0

2


Dans le cas du service voix en GSM, on possède donc un échantillonnage du BER (et donc du FER) en 9 niveaux et la distribution de probabilité d'apparition de chacun de ces niveaux. Dans la suite, on parlera de modèle probabiliste de FER.

3.4.3 Comparaison des modèles d'évaluation du FER On se place dans des conditions d'interférence où tout secteur brouilleur génère un BER de 50% sur tout canal de fréquences commun avec le secteur serveur. Ces conditions d'interférence rendent valide l'hypothèse d'effacement total du modèle de collision entre TS. Dans ces conditions, le modèle de probabilité de perte de trame (PPT) effectue un calcul analytique exact et la seule hypothèse liée au système est constituée par le nombre de demi-bursts nécessaires à la reconstitution de la trame de parole. Le modèle probabiliste de FER quant à lui utilise deux tables issues de la simulation :

o Une table de correspondance entre le rapport de puissance des champs serveur et brouilleur et le taux d'effacement instantané sur une collision entre bursts (Figure 29).

o Une table de correspondance entre un BER moyen sur la réception d'un ensemble de trames vocales et le FER moyen généré après application des codes correcteurs d'erreurs (Figure 33).

Il fait également un certain nombre d'approximations afin de limiter les calculs de configurations de saut du secteur serveur lorsque la taille de la MAL est trop élevée. On se place, dans les tests suivants, dans un cas où ces approximations n'interviennent pas : MAL de taille inférieure à 8 ou motif 1x1. On compare tout d'abord les résultats des deux modèles sur une configuration de deux secteurs (un serveur et un brouilleur) à 7 TRX de saut en Saut Synthétisé avec 8 canaux de fréquences de saut et un taux de charge de 100%. On observe (Figure 34) l'influence du nombre de canaux de fréquences partagés entre les MAL des deux secteurs sur la réception des trames vocales.

FER moyen et PPT en fonction du nombre de canaux de fréquences partagés

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 2 4 6 8

Nombre de fréquences communes

FER

/ PP

T .

FER moyPPTmaxPPTmin

Figure 34 : Influence du partage de canaux de fréquences sur le décodage de trame vocale en

plan classique avec un secteur brouilleur ayant un taux de charge à 100%


On s'aperçoit que les tendances des modèles vis-à-vis du nombre de canaux de fréquences interférents sont bien les mêmes. Les hypothèses de borne minimum et de borne maximum des modèles PPT se vérifient par rapport au modèle de FER incluant la simulation de la réception et du décodage du canal. Dans cette configuration d'interférence, on s'aperçoit que le FER devient important à partir de 3 canaux de fréquences partagés entre le secteur serveur et le secteur brouilleur. On considère maintenant que tous les canaux de fréquences sont partagés entre les deux secteurs. On observe (Figure 35) l'influence de la charge sur la réception des trames vocales pour un et deux secteurs brouilleurs de mêmes caractéristiques.

FER moyen et PPT en fonction de la charge (plan classique)(1 secteur brouilleur)

0%

10%

20%

30%

40%50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%Taux de charge

FER

/ PPT

.

FER moyPPTmaxPPTmin

FER moyen et PPT en fonction de la charge (plan classique)(2 secteurs brouilleurs)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%Taux de charge

FER

/ PPT

.

FER moyPPTmaxPPTmin

Figure 35 : Influence de la charge sur le décodage de trame vocale en plan classique avec un et

deux secteurs brouilleurs partageant l'ensemble de la MAL du secteur serveur On observe que les tendances des modèles vis-à-vis de la charge sont bien les mêmes. Les hypothèses de borne minimum et de borne maximum des modèles PPT sont à nouveau vérifiées par rapport au modèle de FER. Dans cette configuration très interférée, le taux de trames non décodées s'envole à partir de 40% de taux de charge. Le cas d'interférence avec 2 secteurs brouilleurs sur l'ensemble des canaux de fréquences du secteur serveur est extrême et n'intervient généralement pas sur des réseaux réels. Il montre la cohérence entre les modèles dans l'impact de l'ajout d'un secteur brouilleur avec un taux de trames non décodées qui augmente très fortement à partir de 20% de taux de charge. On se place maintenant en situation de motif 1x1 avec une configuration de secteurs serveur et brouilleur à 3 TRX de saut et ayant un taux de charge de 100%. On regarde alors (Figure 36) l'influence de la taille de la MAL de saut sur l'interférence dans le cas d'un seul secteur brouilleur et de deux secteurs brouilleurs.


FER moyen et PPT en fonction de la taille du motif 1x1 (1 secteur brouilleur)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

3 8 13 18

Taille de la MAL

FER

/ PP

T .

FER moyPPTmaxPPTmin

FER moyen et PPT en fonction de la taille du motif 1x1 (2 secteurs brouilleurs)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

3 8 13 18

Taille de la MAL

FER

/ PP

T .

FER moyPPTmaxPPTmin

Figure 36 : Influence de la taille de la MAL sur le décodage de trame vocale en plan motif 1x1

avec un et deux secteurs brouilleurs ayant un taux de charge de 100% Ce cas est plus réaliste par rapport à des situations pouvant apparaître sur des réseaux opérationnels. Il montre d'une part l'influence complètement non linéaire de la taille des motifs par rapport au taux de trames non décodées. Il montre également que des MAL permettant de rester dans des niveaux d'interférence raisonnables lorsque l'on est en présence d'un seul secteur brouilleur (par exemple MAL=13), sont sous dimensionnées dans le cas où deux secteurs brouilleurs interviennent avec une puissance très forte.


3.5 Conclusion Ce chapitre décrit les enjeux de la modélisation du saut de fréquences dans l'évaluation de la qualité des réseaux FTDMA. Ces enjeux sont liés à la capacité d'un modèle en prendre en compte les gains liés à la diversité de fréquences et à la diversité d'interférences. Dans un premier temps, plusieurs méthodes de modélisation de ces phénomènes de diversité trouvées dans la littérature ont été présentées. Ces méthodes ont été jugées soit incomplètes, soit inadaptées à l'évaluation de réseaux réels de grande taille. De plus, le point bloquant lié à l'évaluation de la multiplicité des niveaux d'interférences rencontrés sur les bursts d'une trame de service a été identifié. Un modèle a été proposé pour résoudre ce problème. Ce modèle se construit en deux étapes. La première étape consiste en un calcul de probabilité d'apparition de bursts d'un secteur brouilleur sur un canal de fréquences. Cette probabilité permet de mettre en évidence les aspects liés à la discontinuité du trafic et de l'interférence générée par celui-ci sur un canal de fréquences fixe en situation de saut de fréquences. Ce premier modèle peut être vu comme un modèle d'interférence si l'on se place dans une hypothèse de destruction complète de l'information d'un burst de service lors de la collision avec un burst brouilleur. Un deuxième modèle a ensuite été proposé pour lever cette hypothèse de conséquence binaire à la collision de deux bursts. Ce modèle général de calcul de distribution de probabilité du taux d'effacement de bits sur un ensemble de trames de service est construit sur la base du premier modèle proposé. Il permet de prendre en compte des secteurs brouilleurs de puissances différentes intervenant sur le service. Ce modèle, bien qu'essentiellement analytique, fait appel à des tables de correspondance issues de la simulation. La cohérence entre ces deux modèles a été vérifiée sur le cas du service voix de la norme GSM en calculant des bornes à l'aide du modèle de collisions entre bursts, bornes dans lesquelles le modèle général s'est inscrit. Le prochain chapitre s'attache à mettre en perspective ces résultats théoriques avec des situations réelles issues de mesures collectées sur des réseaux opérationnels.

Chapitre 4 - Tests et résultats expérimentaux 79

4 Tests et résultats expérimentaux Ce chapitre présente des résultats expérimentaux de validation du modèle d'évaluation de la qualité de service proposé dans les deux chapitres précédents. Cette validation est réalisée pour un service voix en GSM. L'indicateur de qualité de service calculé par le modèle est donc le FER. La première partie de ce chapitre présente la validation du modèle de FER calculé à l'échelle d'une maille en situation de saut en Bande de Base par rapport à une campagne de mesures effectuée sur la ville de Paris en 2002. Cette campagne de mesures permet donc une validation partielle du modèle présenté au chapitre 3. L'utilisation du saut en Bande de Base force en effet un ratio (Nombre de fréquences de saut / Nombre de TRX) égal à 1. Dans un second temps, le modèle de FER est utilisé pour évaluer la qualité de différentes ingénieries de fréquences à l'échelle d'une ville de taille moyenne. Ces évaluations sont comparées aux indicateurs de qualité mesurés sur un réseau réel lors d'un changement d'ingénierie de fréquences. Cette expérimentation permet de tester la robustesse du modèle à des ratios (Nombre de fréquences de saut / Nombre de TRX) très différents. Elle permet également de vérifier la qualité de la méthodologie d'évaluation à l'échelle d'un réseau complet présentée dans le chapitre 2. Enfin elle permet d'examiner la corrélation entre un indicateur de qualité simulé en FER et différents indicateurs de qualité remontés du réseau ou ressentis par des utilisateurs. Mots clefs : campagne de mesures, FER, taux de coupure, CRC.

4.1 VALIDATION DU MODELE PAR CAMPAGNE DE MESURES........................................................... 80 4.1.1 Protocole expérimental ...................................................................................................... 80 4.1.2 Parcours secteur DR_Bagnolet_3...................................................................................... 82 4.1.3 Parcours Station DR_Bagnolet_2 ...................................................................................... 89 4.1.4 Conclusion.......................................................................................................................... 95

4.2 IMPACT DU SAUT DE FREQUENCES SUR LE CHOIX DE L'INGENIERIE DE FREQUENCES ................ 96 4.2.1 Rappel sur les stratégies d'allocation de fréquences en situation de saut de fréquences... 96 4.2.2 Choix de la taille de la MAL pour le Saut Synthétisé motif 1x1 ......................................... 98 4.2.3 BBFH ou SFH_1x1, un compromis entre qualité et coûts opérationnels......................... 103 4.2.4 Résultats opérationnels et comparaison aux prédictions ................................................. 104

4.3 CONCLUSION ......................................................................................................................... 109


4.1 Validation du modèle par campagne de mesures Après avoir décrit le protocole expérimental suivi, ce paragraphe présente les résultats de comparaison entre le modèle probabiliste de FER et des mesures effectuées sur un mobile de test le long de 2 parcours ne présentant pas les mêmes caractéristiques d'interférence. Chacun des parcours est analysé suivant 3 axes :

o Une analyse temporelle du parcours qui permet de suivre l'évolution de la qualité telle qu'elle est perçue lors d'une communication effectuée par une personne se déplaçant.

o Une analyse géographique du parcours qui permet de valider la géolocalisation ponctuelle de la mauvaise qualité prédite par le modèle.

o Une analyse de seuil de brouillages qui permet de vérifier la prévision de zones de mauvaise qualité et ainsi de valider le modèle dans une utilisation opérationnelle sur des réseaux de grande taille.

L'étude des cas de bonne et de mauvaise prévision donne lieu pour chacun des parcours à des hypothèses sur l'origine de l'imprécision. Ces hypothèses sont essentiellement basées sur la précision des modèles de prédiction du champ et des bases de données géographiques. Elles sont testées dans l'analyse du deuxième parcours de mesures.

4.1.1 Protocole expérimental Le protocole expérimental de la comparaison décrit la prise en compte des données externes au modèle probabiliste de FER et leur mise en accord avec les conditions de mesures sur le parcours.

o Données de propagation : comme annoncé au chapitre 2, afin de garantir des temps de calcul raisonnables, les modèles d'évaluations sont calculés dans un mode maillé. Ce calcul est basé sur les résultats des modèles de propagation eux-mêmes calculés sur un maillage de la zone analysée par extrapolation du calcul en un point de chaque maille. Les données de parcours de mesures sont quant à elles remontées en des points de mesures précis du réseau. Afin de limiter les effets de l'extrapolation des modèles de propagation, mais aussi de limiter les effets locaux de la prise d'une mesure à un instant donné, l'étude de comparaison présentée ici se fait à un pas de maille de 5m.

o Données de taux de charge des secteurs : la plus grande précision disponible sur

le trafic remonté du réseau est une valeur à la minute. L'échelle temporelle d'analyse retenue est donc d'une minute.


Point de mesure brute, minute NPoint de mesure brute, minute N+1

Point de comparaison, minute NPoint de comparaison, minute N+1

5m

5m

Figure 37 : Schéma de regroupement des données de mesures

Ainsi, on définit un point de comparaison (Figure 37) entre les mesures et la simulation comme une maille carrée de 5m de côté considérée durant une minute. Un changement de point de comparaison se fait donc soit par le déplacement sur une autre maille, soit par le passage à une nouvelle minute. Afin de faciliter la comparaison, certaines conditions de test sont également respectées :

o Le plan de fréquences du réseau est figé durant l'expérimentation et il est utilisé en simulation pour l'analyse de l'interférence.

o Les mécanismes de HO ont été inhibés sur le réseau afin de lever toute ambiguïté

sur la prise en service du mobile sur un secteur spécifique. Les évaluations de FER par le modèle probabiliste se feront donc uniquement sur un secteur serveur considéré comme ayant une probabilité de prise de service de 1.

o La désactivation des mécanismes de HO entraîne l'extension de la zone de prise de

service du secteur serveur sur le parcours. En effet, le HO n'étant plus déclenché lors de la baisse du niveau de puissance du secteur serveur, le mobile reste attaché à celui-ci jusqu'à atteindre la limite de son niveau de sensibilité. Afin de prendre en compte ce phénomène, on considère dans les simulations que le seuil de service d'un mobile s'étend jusqu'à -105dBm.

• Traitement des parcours de mesures Les données de mesures effectuées sur le parcours et utilisées pour la comparaison sont :

o Le FERmesuré du secteur serveur : valeur à valider par rapport au modèle probabiliste de FER.

o Le RxLev du secteur serveur : valeur de champ mesurée par le mobile (cf. chapitre 2.2.1) à mettre en rapport avec la valeur Cd de champ prédit par le modèle de propagation.

o Le CellId du secteur mesuré : identifiant du secteur assurant le service pour le mobile de mesure.

o Les coordonnées spatiales et temporelles de la mesure : géolocalisation du mobile de mesure par système GPS (Global Positioning System) et coordination temporelle


entre les prises de mesures et les remontées temporelles de taux de charge du réseau.

Les données de FERmesuré et de RxLev sont ensuite moyennées par point de comparaison. On obtient ainsi pour un secteur serveur : les coordonnées de la maille, la minute de mesure, le FERmesuré moyen sur le point de comparaison et le RxLev moyen sur le point de comparaison.

• Traitement des données de trafic Les données de trafic par secteur et par minute sont obtenues par le traitement de fichiers de mesures obtenus à partir de sondes disposées sur les liaisons entre les secteurs et les BSC sur le réseau (interface Abis). Ces données sont traitées pour extraire pour chaque secteur, son CellId et sa charge minute à minute sur l'ensemble de la période de temps des parcours de mesures. Pour l'analyse d'un parcours de mesures, les données relatives aux stations influant la zone sont synchronisées et extraites sur la période du parcours de mesures. La synchronisation est faite sur la base de l'écart constaté entre l'horloge parlante (référence du mobile de mesure) et l'ordinateur de capture (référence des remontées sur l'interface Abis) arrondi à la minute la plus proche. Les données manquantes sur certains secteurs brouilleurs sont remplacées par la charge moyenne du secteur en question.

• Seuils d'analyse en FER et ressenti de la qualité vocale Des tests effectués sur des usagers de téléphonie mobile ont permis de corréler un ressenti sur la qualité vocale perçue et le taux de trames vocales perdues enregistré par le mobile lors de la communication. Ces tests ont montré qu'à partir d'un niveau de FER de 2%, l'usager commence à percevoir une dégradation de la qualité de la communication. Cette qualité se dégrade de plus en plus tout en restant audible jusqu'à un niveau de FER de 7%. A partir de ce niveau de perte de trames vocales, la conversion devient inaudible et la communication risque d'être coupée soit par l'usager, soit par le mobile lui-même s'il ne peut effectuer un HO sur RxQual. C'est pourquoi dans la suite de cette comparaison, l'attention sera souvent portée sur la prédiction des niveaux de FER entre 0% et 10%.

4.1.2 Parcours secteur DR_Bagnolet_3

• Description de la situation de brouillage Le secteur 3 du site DR_Bagnolet possède 3 TRX et présente une ingénierie de saut en Bande de Base. Le saut de fréquences est donc effectué sur 3 fréquences (canaux 03, 20 et 28). On filtre les autres secteurs du réseau émettant sur l'un de ces canaux et impactant au moins une maille de la zone de couverture de DR_Bagnolet_3 avec un rapport de puissance C/I supérieur ou égal à un seuil donné :

o pour un seuil à 9dB, seuls 2 secteurs interviennent o pour un seuil à 14dB, 11 secteurs interviennent o pour un seuil à 20dB, 21 secteurs interviennent

Les tests ont été effectués avec les secteurs filtrés à 14dB et 20dB. Même s'il existe peu de différences entre les 2 tests, les résultats présentés utilisent les secteurs filtrés à 20dB, c'est-à-dire que les résultats sont calculés pour un secteur serveur et 21 secteurs brouilleurs.


Les taux de charge des secteurs brouilleurs ne sont pas très élevés (autour de 15 % et au pire 50%). La situation de brouillage ne parait donc pas critique sur cette station. Cette impression sera confirmée par les simulations effectuées qui indiqueront des zones de mauvaise qualité essentiellement dans des cas de mauvaise réception du signal du secteur serveur. Ce phénomène apparaît à cause de l'inhibition des mécanismes de HO.

• Description du parcours de mesures Ce parcours est effectué sur une plage horaire allant de 10h21 à 13h11. Le FERmesuré moyenné sur les points de comparaison varie de 0% à 89%. Le RxLev mesuré moyenné sur les points de comparaison varie de –51dB à –96dB.

• Comparaison simulation/mesures dans la temporalité du parcours L'objet de ce paragraphe est de montrer une comparaison temporelle entre les mesures et la simulation. L'intérêt de ce mode de présentation est de suivre l'évolution de la qualité telle qu'elle est perçue lors d'une communication effectuée par une personne se déplaçant.

Comparaison temporelle des mesures et de la simulation

0%

15%

30%

45%

60%

75%

90%

10:21 10:36 10:51 11:06 11:21 11:36 11:51 12:06 12:21 12:36 12:51

Temps

FER

FER mesuré FER simulé Figure 38 : Comparaison du modèle probabiliste de FER et de mesures d'un mobile test en

déplacement dans le temps sur une durée de 2h50 On regroupe les points de comparaison temporellement à la minute. Sur chaque minute, on compare les valeurs de FER et de champs. Les valeurs simulées et mesurées sont obtenues sur chaque minute par une moyenne des valeurs en chaque point de comparaison intervenant sur la minute, pondérées par le nombre d'observations de mesures sur chacun des points de comparaison. Cela permet de donner à chaque maille traversée un poids proportionnel au temps où le mobile de mesure est resté sur cette maille. La figure 38 représente les FER mesurés et calculés en fonction du temps sur une échelle allant de 0 à 100% de FER. La figure 39 représente quant à elle ces valeurs sur une échelle allant de 0 à 10% de FER.



0%

2%

4%

6%

8%

10%

10:21 10:36 10:51 11:06 11:21 11:36 11:51 12:06 12:21 12:36 12:51

Temps

FER

FER mesuré FER simulé Figure 39 : Comparaison du modèle et des mesures pour les valeurs de FER entre 0 et 10%

La qualité des résultats de calcul du FER est variable suivant la période temporelle du parcours. On observe que lorsqu'il y a une bonne corrélation entre les mesures et la simulation, cette corrélation existe à la fois en termes de variations et d'amplitude. On s'aperçoit également que le modèle probabiliste de FER est presque toujours optimiste par rapport aux mesures, ce qui est rassurant étant donné que tous les phénomènes susceptibles de générer du FER ne sont pas modélisés mais par contre sont mesurés. Avant de remettre en cause le modèle d'interférence lui-même (table C/I→BER, table BER→FER, non prise en compte de l'interférence due aux fréquences adjacentes…), plusieurs facteurs liés aux entrées du modèle ont été testés pour expliquer les différences entre les calculs et les mesures :

o Géolocalisation des mesures : une analyse en simulation a été faite sur l'ensemble des mailles voisines de la maille de comparaison afin de pallier l'incertitude sur la localisation GPS des points de mesure. Les différences enregistrées ont cependant été minimes et ne sont donc pas présentées ici.

o Synchronisation du trafic : différents ajustements de la synchronisation des données

de trafic entre les captures réseau et les horaires de mesures ont été faites. Ces ajustements n'ont également apportés que des différences très faibles dans les résultats analysés et ne sont donc pas présentés ici.

o L'analyse des données de champs entre le modèle de propagation et les mesures a

par contre donné une clef pour l'analyse des différences majeures entre les mesures et les simulations du modèle.

Il est délicat de comparer directement le RxLev mesuré par un mobile de mesure et le champ Cd calculé par un modèle de propagation de type COST-231. En effet le RxLev mesuré à un instant t est soumis à la précision du mobile de mesure (de 5 à 10dB), au fading rapide, à l'effet de tête, et aux effets de masquage lents (passage dans la circulation…). Le champ calculé par un modèle de propagation ne prend pas en compte ces phénomènes et possède également une incertitude. Il dépend également de la validité des bases de données géographiques utilisées. Si les valeurs des champs calculés ne peuvent donc pas être directement comparées aux RxLev mesurés, on s'aperçoit (Figure 40) que les deux sont très bien corrélées en variation tout au long


du parcours de mesures (différence relativement stable). Il existe cependant quelques écarts dans cette corrélation.

Comparaison temporelle des champs mesurés et simulés

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-2010:31 10:46 11:01 11:16 11:31 11:46 12:01 12:16 12:31 12:46

Temps

Cha

mp

(en

dB)

RxLev mesuré Cd simulé Figure 40 : Corrélation entre les champs calculés par le modèle de propagation et les RxLev

mesurés sur le parcours A l'observation des résultats, on suppose que le modèle probabiliste de FER ne permet pas de détecter les problèmes de qualité lorsque les 2 conditions suivantes sont réunies :

o Le champ du secteur serveur est suffisamment faible pour subir l'influence des secteurs brouilleurs : il risque d'y avoir de la mauvaise qualité mesurée.

o La différence ente le RxLev mesuré et le Cd simulé est anormalement élevée : il y a

probablement une mauvaise prévision du champ. La figure 41 représente d'une part les FER mesurés et calculés en fonction du temps sur une échelle allant de 0 à 100% (comme pour la figure 38) et d'autre part les écarts de corrélation entre le champ calculé et le RxLev. La courbe représentant ces écarts est construite de la manière suivante :

( )

=

>−

−<−=

sinon 0

14

80 si

Y

CdRxLevetRxLev

CdRxLevY

simulémesuré

mesuré

simulémesuré

La très grande corrélation qui existe entre ces écarts de prévision du champ du secteur serveur et l'absence de détection de la mauvaise qualité est très encourageante quant à la qualité du modèle probabiliste de FER. En effet, il semble que le facteur dominant d'imprécision dans les calculs soit externe au modèle. Ce constat ouvre des perspectives très intéressantes pour l'utilisation de parcours de mesures de champs en entrée du modèle de FER. On peut également s'étonner de l'absence d'effet sur le calcul du FER de l'écart systématique d'environ 20dB entre le champ simulé et le champ mesuré. Ce phénomène est dû au fait que les simulations permettant d'obtenir les tables de qualité sont basées sur des champs en entrée ayant


le niveau de modélisation de Cd et faisant intervenir dans leur application les phénomènes que l'on retrouve au niveau du RxLev (comme le fading rapide par exemple). De plus l'influence des erreurs absolues dans la prévision des champs est en partie gommée par l'utilisation systématique du rapport entre le champ serveur et le champ brouilleur. Ce rapport permet donc d'éliminer un biais qui serait systématique pour la prévision du champ de l'ensemble des secteurs du réseau.

Corrélation entre les erreurs de prévision du FER et les erreurs de prévision du champ

0%

20%

40%

60%

80%

100%

10:31 10:46 11:01 11:16 11:31 11:46 12:01 12:16 12:31 12:46

Temps

FER

-50

-40

-30

-20

-10

0

RxLe

v - C

d (e

n dB

) .

FER mesuré FER simulé Accident de prévision du champ

Figure 41 : Analyse de l'impact de la mauvaise prévision du champ avec la mauvaise prévision du FER

• Comparaison simulation/mesures géolocalisée sur le parcours On s'intéresse ici à la localisation spatiale des zones de mauvaise qualité du service voix calculées et mesurées sur le parcours.

1 1

FER mesuré FER simulé

Maille subissant un FER < 2%Maille subissant un FER < 2% Maille subissant un 2% ≤ FER < 7%Maille subissant un 2% ≤ FER < 7% Maille subissant un FER ≥ 7%Maille subissant un FER ≥ 7%

1

Figure 42 : Visualisation des FER mesurés et simulés, localisés sur le parcours pour des seuils

de 2% et 7% de FER


La figure 42 représente, sur les mailles du parcours, les niveaux de FER simulés et mesurés, avec des seuils à 2% et 7% de FER. Pour cette comparaison, aucun aspect temporel n'est visible. Les points de comparaison appartenant à une même maille sont moyennés avec une pondération correspondant au nombre de mesures effectuées sur chaque point de comparaison. Le trafic utilisé pour le modèle de probabilité de FER est le trafic moyen sur la période du parcours de mesures. Une analyse détaillée de ces deux cartes conduit aux mêmes hypothèses que précédemment quant aux causes principales des différences entre simulation et mesures. Les écarts les plus grands sont constatés dans la zone sud-est. Des renseignements pris au niveau de l'opérateur ont indiqué que la zone de prise de mesure était une zone active de construction. Il est donc possible que des bâtiments aient été construits ou surélevés entre le secteur et la zone sud-est de prise de mesures. Les bases de données géographiques ayant servi au calcul de la propagation n'ayant pas été mises à jour depuis ces constructions, ces nouveaux bâtiments n'ont pas été pris en compte lors du calcul de Cd.

• Comparaison simulation/mesures et analyse des zones L'objet de ce paragraphe est de donner une idée plus globale de la prévision du FER par le modèle probabiliste sur la zone d'étude et de vérifier la cohérence de cette prévision avec le parcours de mesures qui a été effectué. Le but est de définir des zones de bonne et de mauvaise qualité et de vérifier que lorsque le parcours entre ou sort de ces zones, les grandes tendances de ces changements calculés par le modèle sont observées dans les mesures. Cette comparaison est la meilleure pour valider le modèle afin de l'utiliser à des fins d'évaluation et d'optimisation d'ingénieries où les évaluations sont effectuées et agrégées sur des zones de grande taille.

1

1

1

FER mesuré

FER mesuré < 2%

FER mesuré≥ 2%

FER simulé

FER simulé < 2%

FER simulé≥ 2%

Figure 43 : Visualisation des FER mesurés sur parcours et des FER simulés sur la zone de

service du secteur DR_Bagnolet_3 pour un seuil de FER à 2%


Les cartes présentées dans ce paragraphe montrent donc le FER mesuré sur le parcours en surimpression sur un fond de plan de FER calculé. Trois intervalles sont considérés (FER < 2%, 2% <= FER < 7% et FER >= 7%). Pour plus de clarté, deux cartes sont représentées, l'une avec un seuil à 2% de FER (Figure 43) et l'autre avec un seuil à 7% de FER (Figure 44). La présentation dynamique de ces résultats est intéressante, surtout si l'on considère qu'il y a un double aspect dynamique : déplacement sur le parcours et prévision en fonction du trafic. Cependant un tel mode de représentation permettant de visualiser ces aspects s'avère difficile à mettre en place dans un document. C'est pourquoi les résultats sont présentés ici en statique en utilisant pour les calculs du modèle probabiliste de FER des valeurs moyennes de trafic sur la période des mesures.

1

1

1

FER mesuré

FER mesuré < 7%

FER mesuré≥ 7%

FER simulé

FER simulé < 7%

FER simulé≥ 7%

Figure 44 : Visualisation des FER mesurés sur parcours et des FER simulés sur la zone de

service du secteur DR_Bagnolet_3 pour un seuil de FER à 7%

• Conclusion DR_Bagnolet_3

Les FER calculés et mesurés sur le parcours de mesures de DR_Bagnolet_3 sont fortement corrélés tant au niveau des variations de FER qu'au niveau des valeurs calculées. L'évolution de la qualité durant le parcours est bien rendue par le modèle, à la fois temporellement et géographiquement. Globalement, les zones de mauvaise qualité rencontrées lors du parcours correspondent bien à des zones de mauvaise qualité prédites par le modèle. En effet, un découpage avec deux seuils (2% de FER et 7% de FER) indique que :

o 80% des points de comparaison présentent un FER mesuré et simulé concordant dans des zones délimitées à 2% et 7%.

o 93% des points de comparaison présentent un FER mesuré et simulé concordant

dans des zones délimitées par un seuil unique à 7% (zones avec risque de coupure de communication).


Malgré toutes les incertitudes liées aux mesures et toutes les simplifications faites lors de la modélisation, nous avons montré que la majorité des incohérences de prévision du modèle est liée à une mauvaise prévision du champ de la station offrant le service par le modèle de propagation.

4.1.3 Parcours Station DR_Bagnolet_2

• Description de la situation de brouillage Le secteur 2 du site DR_Bagnolet possède 2 TRX et présente une ingénierie de saut en Bande de Base. Le saut de fréquences est donc effectué sur 2 fréquences (canaux 44 et 16). La situation de diversité de fréquences est donc différente de celle du secteur sur lequel a été fait le parcours de mesure précédent. A niveau d'interférence (BER) équivalent, le FER sera donc plus élevé. On filtre les autres secteurs du réseau émettant sur l'un de ces canaux et impactant au moins une maille de la zone de couverture de DR_Bagnolet_2 avec un rapport de puissance C/I supérieur ou égal à un seuil donné :

o pour un seuil à 9dB, 16 secteurs interviennent o pour un seuil à 14dB, 22 secteurs interviennent o pour un seuil à 20dB, 22 secteurs interviennent également

Les tests ont donc été effectués avec les secteurs filtrés à 14dB, c'est-à-dire que les résultats sont calculés pour un secteur serveur et 22 secteurs brouilleurs. Les taux de charge des secteurs brouilleurs sont un peu plus élevés que pour le parcours de mesure précédent (autour de 20 % et au pire 60%). Le secteur DR_Bagnolet_2 est donc dans une situation de brouillage beaucoup plus délicate que le secteur DR_Bagnolet_3. Il faut s'attendre à trouver des niveaux de FER plus élevés et ceci même dans des zones où le secteur serveur présente un niveau de champ de bonne qualité.

• Description du parcours de mesures Ce parcours est effectué sur une plage horaire allant de 10h16 à 11h11. Le FERmesuré moyenné sur les points de comparaison varie de 0% à 83%. Le RxLev mesuré moyenné sur les points de comparaison varie de –49dB à –102dB.

• Comparaison simulation/mesures dans la temporalité du parcours L'objet de ce paragraphe est le même que pour l'étude du parcours de DR_Bagnolet_3. L'observation d'écarts plus importants entre le RxLev et le champ Cd simulé conduira cependant à approfondir l'analyse de l'impact de la qualité de prévision du champ du secteur serveur sur la qualité de prévision du FER par le modèle probabiliste. Pour rappel, on regroupe les points de comparaison temporellement à la minute. Les valeurs simulées et mesurées sont obtenues sur chaque minute par une moyenne des valeurs en chaque point de comparaison intervenant sur la minute, pondérées par le nombre d'observations disponibles sur chacun des points de comparaison. La figure 45 représente les FER mesurés et calculés en fonction du temps sur une échelle allant de 0 à 100% de FER.



0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

10:16 10:31 10:46 11:01

Temps

FER


Figure 45 : Comparaison du modèle probabiliste de FER et de mesures d'un mobile test en déplacement dans le temps sur une durée de 55 minutes

La corrélation des résultats de prévision du FER avec les mesures effectuées est assez médiocre sur ce parcours, notamment après les 20 premières minutes de mesures. Comme dans le cas du parcours précédent, l'analyse de la comparaison entre RxLev et Cd permet de comprendre en grande partie les écarts observés. Comme pour DR_Bagnolet_3 les courbes temporelles de RxLev et Cd sont très bien corrélées en variation. Cependant on s'aperçoit que la différence en valeur absolue est beaucoup plus importante que dans le cas précédent et que celle-ci n'est pas stable dans le temps (Figure 46).


-100

-80

-60

-40

-2010:16 10:31 10:46 11:01

Temps

Cha

mp

(en

dB)

RxLev mesuré Cd simulé

Figure 46 : Corrélation entre les champs calculés par le modèle de propagation et les RxLev mesurés sur le parcours


On représente à nouveau (Figure 47) les courbes temporelles de FER mesurés et simulés et les écarts de corrélation entre la prévision du champ Cd et le RxLev. Etant donné le plus fort niveau de brouillage sur cette station, on ajuste les paramètres de caractérisation des écarts de corrélation de la manière suivante :

( )

=

>−

−<−=

sinon 0

15

75 si

Y

CdRxLevetRxLev

CdRxLevY

simulémesuré

mesuré

simulémesuré

La corrélation entre les écarts de prévision du champ de la serveuse et l'absence de détection de la mauvaise qualité par le modèle est à nouveau très bonne. Cependant elle est presque systématique sur cette station et apporte donc peu d'information pour une validation du modèle de FER.

Corrélation entre les erreurs de prévision du FER et les erreurs de prévision du champ

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

10:16 10:31 10:46 11:01

Temps

FER

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0Rx

Lev

- Cd

(en

dB) .

FER mesuré FER simulé Accident de prévision du champ

Figure 47 : Analyse de l'impact de la mauvaise prédiction du champ avec la mauvaise prévision du FER

Etant donnée l'importance de l'écart du champ, on cherche maintenant à ajuster le champ du secteur serveur à partir des RxLev mesurés afin de vérifier l'impact direct de celui-ci sur la qualité de prévision du FER. On applique donc un correctif de –15dB au champ de la serveuse à partir de 10h37 et jusqu'à la fin de la période de mesures (Figure 48).



-100

-80

-60

-40

-2010:16 10:31 10:46 11:01

Temps

Cha

mp

(en

dB)

RxLev mesuré Cd simulé

Figure 48 : Corrélation entre les champs calculés par le modèle de propagation et les RxLev mesurés sur le parcours avec correctif de -15dB sur le champ simulé du secteur serveur à partir

de 10h37

Cet ajustement permet de rapprocher le champ de la serveuse du RxLev dans des proportions comparables aux résultats du premier parcours de mesures. Aucun paramètre d'ajustement n'est ajouté au modèle probabiliste de FER. Le choix des valeurs d'ajustement du champ est lié aux observations d'écarts mais n'a pas fait l'objet d'une recherche approfondie. Les résultats sont donc indicatifs et sans doute améliorables. On obtient les courbes de FER données en Figure 49.


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

10:16 10:31 10:46 11:01

Temps

FER


Figure 49 : Comparaison du modèle probabiliste de FER et de mesures d'un mobile test dans le temps avec ajustement du champ du secteur serveur (-15dB à partir de 10h37)


L'amélioration de la corrélation des valeurs de FER obtenue par cet ajustement est bien visible et confirme les hypothèses quant à l'impact de la qualité de prévision des champs pour la précision du modèle probabiliste de FER.

• Comparaison simulation/mesures géolocalisée sur le parcours Cette comparaison est la même que pour le parcours DR_bagnolet_3 avec et sans prise en compte de l'ajustement du calcul du champ. L'ajustement est réalisé sur tout le parcours.

1 1

FER mesuré

FER simulé

Sans ajustement

Maille subissant un FER < 2%Maille subissant un FER < 2% Maille subissant un 2% ≤ FER < 7%Maille subissant un 2% ≤ FER < 7% Maille subissant un FER ≥ 7%Maille subissant un FER ≥ 7%

1

FER simulé

Avec ajustement

1

Figure 50 : Visualisation des FER mesurés et simulés, localisés sur le parcours pour des seuils

de 2% et 7% de FER, avec et sans ajustement du champ du secteur serveur (-15dB) La figure 50 représente sur les mailles du parcours les niveaux de FER simulés et mesurés avec des seuils à 2% et 7% de FER. Les parcours sont représentés sans ajustement du champ du secteur serveur et avec ajustement du champ du secteur serveur avec un correctif de -15dB appliqué sur toute la durée du parcours. La carte ajustée ne représente donc pas exactement les résultats obtenus figure 49.

• Comparaison simulation/mesures et analyse des zones De même que pour le parcours DR_Bagnolet_3, les cartes présentées dans ce paragraphe montrent le FER mesuré sur le parcours en surimpression sur un fond de plan de prévision de FER par le modèle probabiliste. De la même manière que précédemment, deux cartes sont représentées, l'une avec un seuil à 2% de FER (Figure 51) et l'autre avec un seuil à 7% de FER (Figure 52).


1

11

FER mesuré

FER mesuré < 2%

FER mesuré≥ 2%

FER simulé

FER simulé < 2%

FER simulé≥ 2%

Simulation sans ajustement Simulation avec ajustement

Figure 51 : Visualisation des FER mesurés et simulés (avec et sans ajustement de -15dB) sur la zone de service du secteur DR_Bagnolet_2 pour un seuil de FER à 2%

Etant donné qu'il n'y a pas d'aspect temporel dans cette représentation, il n'est pas possible de visualiser un ajustement différencié du champ de la serveuse sur la durée du parcours. Deux types de cartes sont présentées, sans ajustement du champ de la serveuse et avec un ajustement global de –15dB.

1

1

Simulation sans ajustement Simulation avec ajustement

FER mesuré

FER mesuré < 7%

FER mesuré≥ 7%

FER simulé

FER simulé < 7%

FER simulé≥ 7%

11

Figure 52 : Visualisation des FER mesurés et simulés (avec et sans ajustement de -15dB) sur la

zone de service du secteur DR_Bagnolet_2 pour un seuil de FER à 7% Ces cartes permettent de confirmer les gains de précision obtenus à l'aide de l'ajustement du champ serveur et observés dans l'analyse temporelle. On voit notamment la remontée de l'interférence dans les guides d'ondes constitués par les rues.


• Conclusion DR_Bagnolet_2 Les FER calculés et mesurés sur le parcours de mesures de DR_Bagnolet_2 ne sont que faiblement corrélés tant au niveau des variations de FER qu'au niveau des valeurs absolues prédites. Une analyse de la prévision du champ permet de se rendre compte que malgré une bonne corrélation en variations du champ calculé Cd et du RxLev, leurs valeurs absolues sont souvent très éloignées (> 20dB). L'application d'un facteur correctif simple sur le champ de la serveuse permet de corriger de manière très significative les résultats du modèle probabiliste de FER sur l'ensemble du parcours de mesures de DR_bagnolet_2. L'évolution de la qualité durant le parcours est alors à nouveau bien rendue par le modèle, à la fois temporellement et géographiquement. Les zones de mauvaise qualité rencontrées lors du parcours correspondent également à des zones de mauvaise qualité calculées par le modèle. Un découpage avec deux seuils (2% de FER et 7% de FER) indique que :

o 66% des points de comparaison présentent un FER mesuré et simulé concordant dans des zones délimitées à 2% et 7% après correction.

o 77% des points de comparaison présentent un FER mesuré et simulé concordant

dans des zones délimitées par un seuil unique à 7% après correction. Il faut noter que le taux de bonne prévision du FER dans les seuils décrits sur ce secteur serveur est sensiblement plus bas que dans le cas du parcours précédent. Cela vient notamment du fait de la présence d'un FER non nul sur un ensemble de points de mesures bien plus important.

4.1.4 Conclusion La campagne de mesure de FER effectuée à Paris dans une situation de saut de fréquences en Bande de Base avec inhibition du HO a permis de confronter les prévisions du modèle probabiliste de FER à des mesures terrain. La construction analytique du modèle n'ayant donné lieu à aucun ajustement ou facteur correctif, les résultats obtenus à la suite de cette comparaison sont donc très encourageants. Ils indiquent un très bon comportement global du modèle en utilisation et comparaison directe sur des données brutes. L'évolution de la qualité durant le parcours est bien rendue par le modèle, à la fois temporellement et géographiquement, à la fois en relatif et en absolu. De plus les zones de mauvaise qualité rencontrées lors du parcours correspondent bien à de grandes zones de mauvaise qualité calculées par le modèle. L'analyse des points de mesures mal identifiés par le modèle montre de manière systématique un écart très grand entre la prévision du Cd du secteur serveur et le RxLev mesuré. Cette constatation de l'influence d'un facteur externe au modèle ouvre plusieurs perspectives :

o L'utilisation de parcours de mesures simples (uniquement RxLev) pour l'alimentation du modèle de prévision du FER.


o L'application d'un facteur correctif simple sur le champ de la serveuse afin de corriger les résultats de prévision du FER. Ce test a donné de très bons résultats sur l'ensemble du parcours de mesures de DR_bagnolet2 avec une correction de -15dB.

Ces résultats ont été obtenus en saut de fréquences en Bande de Base pour des situations de diversité de fréquences et de diversité d'interférences différentes sur les deux secteurs (3 et 2 TRX sautant en fréquences). On peut supposer que l'on obtiendrait une qualité de calcul du FER similaire dans une situation de saut de fréquences synthétisé en plan de fréquences classique. Cette campagne de mesures ne permet cependant pas de conclure quant à la validité des calculs dans le cas d'un saut synthétisé avec augmentation de la taille de MAL par rapport au nombre de TRX.

4.2 Impact du saut de fréquences sur le choix de l'ingénierie de fréquences

Une fois le modèle d'évaluation de l'interférence dans les systèmes FTDMA validé, celui-ci peut être utilisé afin d'effectuer des choix d'ingénierie sur le réseau et notamment quant aux différentes stratégies d'allocation des fréquences. L'objectif de ce paragraphe est de présenter et comparer un ensemble de stratégies d'ingénierie sur un réseau. Le modèle d'évaluation en FER mis en place dans cette thèse est utilisé afin de choisir une stratégie d'allocation de fréquences. La comparaison des résultats de simulation avec la mise en place effective de ces plans de fréquences sur le réseau est ensuite présentée afin d'apporter une validation opérationnelle et de montrer l'intérêt de l'approche [Chambreuil05]. Bien évidemment, les résultats suivants de comparaison d'ingénierie ne peuvent pas être généralisés à l'ensemble des réseaux opérationnels. Ils dépendent de l'arrangement sur le réseau du nombre de TRX de chaque secteur, de la qualité de la conception du réseau, du nombre global de canaux de fréquences disponible, de l'environnement, … Cependant, si chaque réseau est unique et présente certaines particularités, les grandes tendances en termes de stratégies vis-à-vis de la densité du réseau et de sa charge en trafic restent les mêmes. Le réseau étudié de manière théorique est le réseau réel d'une ville de taille moyenne d'environ 350 secteurs. La zone d'évaluation représente 110 secteurs disposés sur des sites tri-sectoriels avec en moyenne de 2 à 4 TRX par secteur. Le nombre de canaux de fréquences disponibles est de 50.

4.2.1 Rappel sur les stratégies d'allocation de fréquences en situation de saut de fréquences

Avant le développement du saut de fréquences, un plan de fréquences correspondait à l'allocation d'un canal fixe par TRX. Le nombre de canaux affectés était donc égal au nombre de TRX. Avec le saut de fréquences, le nombre de canaux peut être égal ou supérieur. Par la suite, on appellera "plan classique" (aussi trouvé sous le nom de "ad hoc") un plan tel que le nombre de canaux alloués est égal au nombre de TRX quel que soit le mécanisme de gestion des porteuses, avec ou sans saut.


Comme exposé précédemment, deux principales solutions ont été retenues pour l'implémentation du saut de fréquences en FTDMA.

o En saut de fréquences en Bande de Base, un seul canal de fréquences fixé est associé en permanence à chaque TRX. Une communication saute à chaque trame TDMA d'un TRX sur un autre TRX suivant une séquence de saut cyclique ou pseudo aléatoire. Le canal BCCH est transmis de manière continue sur le même TRX. L'allocation de fréquences est faite de manière globale sur l'ensemble des TRX du réseau de telle sorte qu'un seul canal de fréquences est alloué à chaque TRX. Les plans en Bande de Base sont des plans classiques.

o En saut de fréquences synthétisé, le TRX portant le canal BCCH est associé en

permanence à un seul canal de fréquences fixé. Les communications portées par ce TRX ne sautent pas. Chaque autre TRX est associé à un groupe de canaux de fréquences appelé MAL (Mobile Allocation List). A chaque trame TDMA, chaque TRX synthétise une nouvelle fréquence de sa MAL choisie de manière cyclique ou pseudo aléatoire et transmet ses communications sur celle-ci. Une même communication reste toute sa durée sur le même TRX et saute ainsi en fréquences à chaque trame TDMA. Dans la suite, on supposera toujours que l'ensemble des TRX d'un secteur, hormis le TRX portant le canal BCCH, possèdent la même MAL.

Différentes stratégies d'allocation de fréquences peuvent alors être utilisées dans le cas du saut de fréquences synthétisé.

o Plan classique : le plan de fréquences est effectué de manière globale sur l'ensemble des TRX du réseau. Un canal de fréquences est alloué à chaque TRX portant le canal BCCH. La MAL de chaque secteur est constituée d'un nombre de fréquences égal au nombre de TRX du secteur moins un (TRX portant le canal BCCH). Vu de manière macroscopique, le réseau possède un et un seul canal de fréquences par TRX.

o Plan avec motifs : la bande de fréquences est découpée en deux parties contiguës. Une

partie est réservée à l'allocation de fréquences pour les TRX portant le canal BCCH (une fréquence par TRX). L'autre partie est réservée à l'allocation de fréquences pour les MAL des autres TRX de chaque secteur. Un ou deux canaux de fréquences "de garde" ne sont pas utilisés afin de garantir la séparation complète des bandes de fréquences. La notion de motif implique la réutilisation de manière régulière de MAL prédéfinies sur l'ensemble du réseau. Les motifs de réutilisation de fréquences s'écrivent de manière générique avec deux paramètres : "motif AxB". Le paramètre A correspond à la taille du motif en termes de sites. Le paramètre B correspond à la taille du motif en termes de secteurs (Figure 53). La répartition des fréquences dans les différentes MAL peut se faire de manière consécutive ou sous forme de peignes [Halonen03].


Motif 1x3Motif 3x1

Allocation de la MAL1 à l'ensemble des TRX de saut du secteurAllocation de la MAL1 à l'ensemble des TRX de saut du secteur

Allocation de la MAL2 à l'ensemble des TRX de saut du secteur

Allocation de la MAL3 à l'ensemble des TRX de saut du secteur

Figure 53 : Exemple de motifs d'allocation de MAL

o Plan avec MAL optimisées : le plan de fréquences est effectué de manière globale sur

l'ensemble des TRX du réseau. Un canal de fréquences est alloué à chaque TRX portant le canal BCCH. Sur chaque secteur du réseau, la MAL peut avoir une taille et des fréquences différentes. Ce cas général contient à la fois les solutions de plans classiques et de plans avec motifs.

Dans ce chapitre, seules les deux solutions les plus opposées (plan classique en Bande de Base et motif 1x1 en Saut Synthétisé) seront analysées et comparées. Ces solutions sont également les plus utilisées sur les réseaux opérationnels. La stratégie de lutte contre l'interférence sous-jacente à l'utilisation du plan classique en saut en Bande de Base est la séparation de fréquences. Les interférences fortes entre secteurs sont résolues lors de l'allocation de fréquences. Les séparations de fréquences n'ayant pu être résolues par l'allocation de fréquences interviennent de manière quasi permanente sur les communications du fait de la répartition du trafic sur un spectre très réduit par secteur. Par la suite, cette stratégie sera notée BBFH. La stratégie de lutte contre l'interférence sous-jacente à l'utilisation du Saut Synthétisé en motif 1x1 est la production de "bruit blanc". Exception faite du TRX portant le BCCH qui est protégé par une séparation des bandes de fréquences et par une allocation de fréquences, les fréquences des MAL de saut ne sont pas protégées de l'interférence co-canal provenant des secteurs voisins. Cependant l'impact de ces interférences co-canal est limité par une charge faible des fréquences en trafic car le trafic de chaque secteur est étalé sur l'ensemble des fréquences de la MAL. Par la suite ces stratégies seront notées SFH_1x1_XX_YY où XX représente le nombre de canaux réservés à l'allocation des fréquences pour les TRX portant le canal BCCH et YY représente le nombre de canaux de la MAL.

4.2.2 Choix de la taille de la MAL pour le Saut Synthétisé motif 1x1 La solution de Saut Synthétisé en motif 1x1 est devenue populaire lors de l'apparition du saut de fréquences car elle conserve une bonne qualité de communication tout en facilitant la problématique d'allocation de fréquences et donc la maintenance du réseau. En effet seul un canal de fréquences par secteur nécessite d'être alloué et ceci sans problématique de prise en


compte des phénomènes de qualité liés au saut de fréquences (canal pour le TRX portant le BCCH). De plus, l'ajout d'un TRX sur un secteur est immédiat en termes de planification des fréquences puisqu'il y a allocation de la MAL à ce nouveau secteur. Les "hot spots" temporaires gérés par l'ajout de secteurs temporaires sont également très faciles à intégrer vis-à-vis de la planification des fréquences. Le problème principal lié au management du spectre en motif 1x1 réside dans la séparation du spectre en deux bandes de fréquences.

o La première, qui sera appelée par la suite "bande BCCH", sera utilisée pour allouer un unique canal de fréquences de manière fixe à chaque TRX portant un canal BCCH sur le réseau.

o La seconde, qui sera appelée par la suite "bande TCH (Traffic Channel)", constituera, dans le cas du motif 1x1, la MAL de l'ensemble des TRX de saut de l'ensemble des secteurs du réseau.

• Effets du découpage du spectre sur la bande TCH L'augmentation de la taille de la bande BCCH permet de faciliter l'allocation de canaux de fréquences séparés sur des secteurs potentiellement interférents. De cette manière, le canal pilote sera plus protégé de l'interférence et l'ensemble des communications portées sur les slots disponibles des TRX BCCH seront de meilleure qualité. Mais la diminution de la taille de la bande TCH augmente la probabilité d'utiliser la même fréquence au même moment pour deux secteurs potentiellement interférents. L'équilibre entre l'augmentation de cette probabilité et le taux de charge de ces secteurs potentiellement interférents détermine, comme montré précédemment, le niveau de collision pour chaque communication. La première difficulté de la recherche du point d'équilibre entre la taille de ces deux bandes est due à deux phénomènes :

o la non linéarité entre le taux de charge et l'interférence à une taille de MAL donnée,

o la non linéarité entre la taille de la MAL et l'interférence à une charge donnée. Ce problème est critique car l'augmentation de l'interférence prend un caractère exponentiel à partir d'un certain taux de charge pour une certaine taille de MAL. La figure 54 représente ce phénomène. Le trafic y est exprimé comme un pourcentage du trafic à la deuxième heure la plus chargée de chaque secteur. Ce concept de deuxième heure la plus chargée est usuellement utilisé sur les réseaux pour représenter une situation de trafic difficile sans pour autant se placer dans un "pire cas". Il consiste, pour chaque secteur, à analyser son trafic hebdomadaire, à déterminer l'heure la plus chargée, à prendre en considération la deuxième heure la plus chargée n'apparaissant pas le même jour que l'heure la plus chargée. En regroupant ces informations sur l'ensemble des secteurs du réseau, on obtient un instantané de trafic sur le réseau appelé deuxième heure la plus chargée, ou HC2. Cette situation ne correspond à aucune réalité physique sur le réseau, puisqu'il n'y a aucune obligation que ces deuxièmes heures les plus chargées apparaissent en même temps sur l'ensemble des secteurs. Cependant cette situation permet de représenter un cas difficile pour l'interférence permettant de prendre en compte la majorité des corrélations de trafic pouvant être gênantes sur le réseau.


Interférence sur les TRX de saut en fonction de la charge pour différentes tailles de MAL

0

10

20

30

40

50

60

70

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140%

Charge en % de la deuxième heure la plus chargée

Erla

ngs

Bro

uillé

s

SFH_18_30 SFH_21_27 SFH_25_23

Figure 54 : Interférence sur la bande TCH du réseau en fonction de la taille de la MAL et de la charge en trafic (variation de la charge sans re-dimensionnement en TRX)

La figure 54 représente l'agrégation sur l'ensemble de la zone d'étude des Erlangs brouillés sur les TRX sautant en fréquences, c'est-à-dire sans prendre en compte l'interférence sur les TRX portant le canal BCCH. Ces courbes montrent que la double non linéarité évoquée précédemment et observée au niveau des probabilités de collision se retrouve au niveau de la qualité globale du réseau. L'étude des courbes d'évolution de la qualité en fonction de la charge permet d'évaluer la robustesse de différentes tailles de motif lors de l'augmentation de la charge sur le réseau. Sur le réseau étudié, on s'aperçoit que les situations de charge au-delà de 80% du trafic HC2 sont très mal supportées par une taille de motif de 23 canaux de fréquences.

• Interférence simultanée sur les bandes BCCH et TCH Une décision basée sur les courbes précédentes reviendrait à déterminer la quantité maximum de communications interférées que l'on tolère aux heures de fortes charges du réseau, et d'augmenter la taille de la MAL en fonction du respect de ce critère. Ces courbes ne représentent cependant qu'une partie du problème de décision dans l'équilibrage des canaux de fréquences entre bande BCCH et bande TCH. La figure 55 représente les mêmes résultats que ceux de la figure 54 mais pour l'agrégation des Erlang brouillés sur l'ensemble des TRX de l'ensemble des secteurs du réseau. C'est-à-dire en prenant également en compte l'effet de l'augmentation de la taille de la bande TCH sur la diminution de la taille de la bande BCCH.


Interférence globale en fonction de la charge pour différents équilibres BCCH / TCH

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140%

Charge en % de la deuxième heure la plus chargée

Erla

ngs

Bro

uillé

s

SFH_21_27 SFH_25_23 SFH_18_30

Figure 55 : Interférence cumulée sur les bandes BCCH et TCH du réseau en fonction de la taille de la MAL et de la charge en trafic

A un niveau de charge donné, ces courbes permettent de déterminer la répartition de canaux entre bandes BCCH et bande TCH qui produit le moins d'Erlangs brouillés sur le réseau. On s'aperçoit que l'introduction de l'évaluation de l'interférence sur la bande BCCH, fait intervenir des points de croisement dans ces courbes de qualité. En effet, la bande BCCH fait intervenir une interférence permanente et peu dépendante du niveau de trafic. Cette interférence est inversement proportionnelle à la taille de la bande BCCH. Cet effet s'oppose à la plus grande résistance d'une MAL de grande taille à des charges de trafic élevées. Sur la figure 55, la solution SFH_18_30 présente plus de 10 Erlangs brouillés à partir de 30% de charge, alors que la figure 54 montre le même niveau pour 60% de charge. Ceci est du à la dimension réduite de la bande BCCH qui conduit à une dégradation globale de la qualité. Ainsi, les ingénieries à taille de MAL élevées sont efficaces pour des taux de charge élevés, mais de relativement mauvaise qualité même pour des taux de charge très faibles (la mauvaise qualité est focalisée sur la bande BCCH). Inversement, les ingénieries réservant une bande de fréquences large pour le BCCH atteignent un niveau de saturation en trafic qui fait évoluer l'interférence de façon exponentielle.

• Analyse de la qualité et variations de trafic Le choix d'une ingénierie doit donc être fait en fonction de l'évolution réelle ou prévisible de la charge en trafic du réseau. Une méthode peut être de prendre en compte la dispersion de la charge en trafic durant la journée.


La figure 56 montre cette influence. Dans ce cas de figure, on peut éliminer la stratégie SFH_1x1_18_30 qui est systématiquement plus mauvaise que les autres. En effet, le réseau n'atteint jamais un taux de charge suffisant pour rendre intéressante une taille de MAL de 30 canaux de fréquences par rapport à l'interférence générée sur la bande BCCH par une allocation sur seulement 18 fréquences.

Interférence globale durant une journée pour différents équilibres BCCH / TCH

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

6 h 8 h 10 h 12 h 14 h 16 h 18 h 20 h 22 h

Temps

Erla

ngs

Bro

uillé

s

SFH_21_27SFH_25_23SFH_18_30

Figure 56 : Comparaison d'ingénieries motif 1x1 en fonction du trafic journalier

Si la solution SFH_18_30 a pu être facilement écartée, on s'aperçoit que la décision n'est pas évidente entre les deux autres ingénieries analysées. Aucune des deux ingénieries ne domine l'autre tout au long de la journée (Figure 57).

Erlangs Brouillés SFH_21_27 SFH_25_23Entre 18h & 21h 91.64 97.77Journée complète 243.17 223.04

Figure 57 : Comparaison des ingénieries SFH_21_27 et SFH_25_23 En effet, la solution SFH_21_27 garantit une meilleure qualité durant les heures les plus chargées de la journée (entre 18h et 21h). Par contre, la solution SFH_25_23 est globalement meilleure sur l'ensemble de la journée (10% de trafic brouillé en moins sur la journée). Dans un cas comme celui-ci, le choix des opérateurs se tourne souvent vers une amélioration de la qualité durant les heures les plus chargées. Une étude similaire sur réseau théorique et évalué à l'aide d'un C/I ajusté peut être trouvée dans [Kronestedt97]. On peut trouver également une comparaison de stratégies de plans de fréquences dans des conditions de saut dans [Bourjolly02]. Cependant, cette étude en partie axée sur une hypothèse de synchronisation du réseau ne propose pas de métrique claire pour comparer la qualité des plans de fréquences dans le temps. L'aspect dynamique lié à l'évaluation de la qualité n'apparaît qu'à travers l'étude des niveaux de C/I à chaque trame TDMA.


4.2.3 BBFH ou SFH_1x1, un compromis entre qualité et coûts opérationnels

La question qui se pose ici est de déterminer le gain potentiel que peut offrir l'utilisation du saut en Bande Base pour tirer profit du fait que :

o Toutes les communications, y compris les communications du TRX portant le BCCH, sautent en fréquences et profitent donc du gain en diversité de fréquences.

o L'absence de séparation de bande entre BCCH et TCH permet une meilleure

réutilisation du spectre et n'impose pas l'utilisation de fréquences de garde inutilisées (gain de 2 canaux de fréquences).

Pour répondre le plus justement possible à cette question, il est nécessaire de prendre en compte l'évolution d'un réseau dans le temps. Mois après mois, le réseau subit des retouches afin d'introduire de nouveaux sites, de nouveaux TRX… Ces retouches impactent le plan de fréquences et sont généralement faites de manière manuelle et locale sur le réseau. Ainsi, au fil du temps, la qualité du plan de fréquence modifié plusieurs fois localement a tendance à diminuer. Cette dégradation de la qualité suite à des retouches successives est d'autant plus importante que la planification des fréquences est complexe. Ce phénomène apparaît donc très fortement dans le cas d'un plan classique et donc dans une ingénierie en Bande de Base. Cet aspect doit être mis en perspective du SFH_1x1 dont la qualité reste très stable avec une densification du réseau à taux de charge constante. Deux nouveaux plans de fréquences sont donc considérés dans ce paragraphe. Le premier, appelé "BBFH retouché" correspond à l'état d'un plan de fréquences BBFH optimisé il y a un an par un logiciel d'affectation automatique des fréquences et ayant subi des retouches manuelles pour prendre en compte l'évolution du réseau sur une durée globale d'une année. Le second plan, appelé "BBFH optimisé" correspond à un nouveau plan de fréquences calculé globalement sur la zone d'étude par le même logiciel d'affectation automatique des fréquences en prenant en compte toutes les évolutions du réseau sur l'année écoulée. On compare ces deux plans de fréquences aux deux plans SFH optimaux sur la journée obtenus dans les mêmes conditions que le BBFH optimisé. La simplicité du problème d'allocation de fréquences sur cette ingénierie permet de considérer que ces deux plans SFH seraient de la même qualité s'ils avaient été obtenus par retouches locales successives sur la durée d'une année. Les résultats sont présentés figure 58.


Interférence globale durant une journée, comparaison BBFH et SFH_1x1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

6 h 8 h 10 h 12 h 14 h 16 h 18 h 20 h 22 h

Temps

Erla

ngs

Bro

uillé

s

SFH_21_27SFH_25_23BBFH retouchéBBFH optimisé

Figure 58 : Comparaison d'ingénieries SFH motif 1x1 et Bande de Base

On s'aperçoit que la qualité du réseau optimisé en Bande de Base est très largement supérieure aux ingénieries de Saut Synthétisé motif 1x1. Cependant, l'évaluation du plan en Bande de Base présent actuellement sur le réseau et résultant de l'évolution sur un an d'un plan optimisé amène à s'interroger sur le compromis à trouver entre coût de maintenance et qualité de service. En effet, le coût de maintenance d'un plan SFH en motif 1x1 est quasiment nul pour un résultat obtenu par retouches manuelles plus proche de la qualité obtenue par un BBFH optimisé.

4.2.4 Résultats opérationnels et comparaison aux prédictions Les résultats présentés dans ce paragraphe sont issus d'une étude réelle visant l'amélioration de la qualité de service sur un réseau GSM. Historiquement, ce réseau est situé dans une zone qui fonctionnait massivement en Saut Synthétisé motif 1x1. La qualité de ce motif était très bonne dans les années 2000, lors de son implémentation, lorsque le trafic était encore relativement faible.

• Description du réseau Le réseau étudié ici est composé de :

o Un centre ville de 58 BS en Saut Synthétisé avec un plan de fréquence en motif 1x1. Le trafic écoulé en moyenne par une BS du centre ville en deuxième heure la plus chargée est de 7 Erlangs. Le motif utilisait des tailles de MAL de 27 ou 30 canaux de fréquences et une bande BCCH de 21 ou 18 canaux de fréquences. Soit un mélange de motifs 18_30 et 21_27.

o Une périphérie de 82 BS en Saut Synthétisé plan classique utilisant uniquement des

canaux de fréquences de la bande BCCH du motif 1x1. Cette ingénierie à spectre réduit n'est possible que par une faible charge des BS, environ 4 Erlangs en


moyenne par BS. Cette zone est considérée comme une zone tampon entre le centre ville et l'extérieur.

La zone périphérique n'utilisant que des fréquences de la bande BCCH était mise en place pour permettre l'intégration de zones en motif 1x1 (donc avec peu de maintenance à effectuer) dans un environnement utilisant un plan de fréquences classique. En effet, cette zone "tampon" permet de contrôler les interférences avec les MAL utilisées par le motif 1x1.

• Ingénieries de fréquences étudiées Le point noir lié à la qualité sur cette ville était constitué par un niveau élevé de déclenchement de HO sur cause de mauvaise qualité. Ce problème est mesuré par un indicateur appelé IQR (Indice de Qualité Radio). Cet indicateur est calculé suivant la formule :

IQR = 100 - (Nombre HO cause qualité UL + Nombre HO cause qualité DL) / Trafic La qualité est jugée d'autant meilleure que l'IQR est grand, il faut donc maximiser l'IQR. Cet indicateur étant directement lié au RxQual et donc à l'interférence (cf. chapitre 2), trois scénarii ont été envisagés pour diminuer l'interférence sur ce réseau en changeant d'ingénierie de fréquences.

o Optimisation du plan de fréquence sur la zone tampon : ce plan de fréquences ayant subi de nombreuses retouches manuelles, un plan de fréquences global sur cette zone a été testé.

o Augmentation de la bande BCCH : l'objectif est de mieux utiliser la balance entre les bandes de fréquences BCCH et TCH afin d'améliorer la qualité sur la zone en motif 1x1 et d'augmenter le nombre de fréquences disponibles pour la zone tampon en plan classique. La taille de la MAL passait dans ce cas globalement à 25 canaux de fréquences et donc la bande BCCH à 23 canaux de fréquences, soit un motif 23_25.

o Passage en Bande de Base : cette option consiste à passer l'ensemble de la zone (centre + périphérie) en ingénierie de fréquences Bande de Base, et donc en plan classique.

Evaluation des ingénieres de fréquences

0

5

10

15

20

Plan initial Optim zonetampon

Augmentationbande BCCH

Plan Bande deBase

Ingénieries

% d

e tr

afic

bro

uillé

FER à 4%FER à 7%

Figure 59 : Comparaison des ingénieries pour optimisation de la qualité de service


Chacune de ces solutions a été évaluée à l'aide du modèle calcul de FER sur la deuxième heure la plus chargée du réseau. Les évaluations sont présentées, figure 59, en termes de pourcentage de trafic brouillé à différents niveaux de FER. Les résultats montrent un gain marginal lors de l'optimisation de la zone tampon. Cela implique que le problème ne vient pas de mauvais choix dans les retouches manuelles effectuées lors de la maintenance du réseau. L'augmentation de la taille de la bande BCCH donne des gains sensibles. Ce résultat montre d'une part que le plan BCCH était trop contraint sur le centre ville et d'autre part que la bande de fréquences disponible pour la zone tampon était bien trop faible et génèrait globalement beaucoup de mauvaise qualité sur le réseau. L'ingénierie en Bande de Base permet de résoudre ce problème. Cette analyse a entraîné le passage du réseau de cette ville en saut en Bande de Base plan classique. Cette décision a été prise bien que ce choix soit le plus coûteux en termes de modifications à apporter et de maintenance.

• Basculement du plan de fréquences et analyse des compteurs On considère que le trafic brouillé avec un niveau de FER au-delà de 4% correspond à du trafic générant un mauvais RxQual et engendrant éventuellement des HO sur qualité. On suppose donc que cet indicateur simulé correspond pour partie à l'indicateur IQR directement remonté du réseau. La figure 60 montre l'évolution dans le temps de cet indicateur IQR par rapport à la date de basculement du plan de fréquence initial vers le nouveau plan de fréquences en Bande de Base. Le nouveau plan de fréquences mis en place permet d'obtenir un gain moyen de 2 points sur l'IQR (passage de 94 à 96).

Figure 60 : Evolution de l'IQR avant et après changement du plan de fréquences

On considère également que le trafic brouillé avec un niveau de FER au-delà de 7% correspond à un trafic subissant une qualité suffisamment mauvaise pour engendrer éventuellement des coupures. De la même manière que l'IQR, on observe donc un indicateur relatif aux coupures de communications avant et après basculement du plan de fréquences. Cet indicateur est appelé NCOUP et est calculé de la manière suivante :

NCOUP = Nombre de communications coupées / Nombre d'heures de communication


Il faut minimiser cet indicateur pour améliorer la qualité. La figure 61 représente l'évolution dans le temps de cet indicateur. Le nouveau plan de fréquences permet d'obtenir un gain moyen de 16% sur le NCOUP (passage de 0.32 à 0.27).

Figure 61 : Evolution du NCOUP avant et après changement du plan de fréquences

• Basculement du plan de fréquences et analyse de la qualité ressentie par le client

Le dernier indicateur de qualité ayant été analysé suite à ce changement d'ingénierie de fréquences est un indicateur ayant pour but de reproduire la qualité de service telle que ressentie par le client. Cet indicateur a été mis en place par l'ARCEP (Autorité de Régulation des Communications Electroniques et des Postes) pour évaluer et comparer les différents opérateurs de radiotéléphonie mobile [ARCEP05]. Cet indicateur est obtenu par une campagne statistique effectuée par des enquêteurs dans des conditions réelles d'utilisation du réseau. Il prend en compte :

o la réussite de l'initialisation de la communication o le maintien de la communication pendant 2 minutes o le niveau de qualité sonore de la communication

Le critère retenu par l'ARCEP comptabilise le taux de communications réussies (initialisation et maintien durant 2 minutes) et de qualité correcte (la qualité auditive perçue par les deux interlocuteurs est parfaite ou perturbée légèrement sans toutefois gêner la conversation). On appelle cet indicateur le CRC (Communication Réussie de qualité Correcte). L'indicateur équivalent présenté ici est obtenu par l'exécution sur le réseau réel d'un ensemble de parcours de mesures au cours desquels un automate génère automatiquement des communications d'une durée prédéfinie. L'automate détecte si l'initialisation de la communication est réussie et si la communication est maintenue dans toute sa durée. L'automate est également calibré pour donner une mesure de la qualité de la communication telle que perçue par un utilisateur. De cette manière, le CRC peut être mesuré sans passer par une coûteuse campagne d'enquête.


On compare en figure 62 les résultats de campagnes de parcours de mesures CRC avant et après basculement du plan de fréquences. Deux CRC sont mesurés, un CRC basé sur des communications de 2 minutes et un CRC basé sur des communications de 10 minutes. Ce deuxième CRC est moins sensible aux problèmes d'initialisation et se concentre donc plus sur les problèmes potentiellement liés à l'interférence.

Comparaison CRC mesuré et simulation suite au basculement d'ingénierie de fréquences

0%

25%

50%

75%

100%

Avant basculement Après basculement

% C

RC

Mesure : CRC 2 minutes

Mesure : CRC 10 minutes

Simulation : % de trafic avecFER < 4%

Figure 62 : Analyse de la corrélation entre le CRC et la simulation de l'interférence

Ces deux CRC sont comparés aux résultats de simulation du modèle de FER sur le pourcentage de trafic subissant un FER inférieur à 4%. On s'aperçoit que les résultats prédits par le modèle de FER sont très proches, à la fois en tendance et en valeur absolue, des mesures de CRC faites sur des communications d'une durée de 10 minutes. Ces résultats viennent renforcer la corrélation déjà montrée à travers les indicateurs réseau entre la prévision de l'interférence par le modèle de FER et les phénomènes de coupure et de dégradation de la qualité vocale.


4.3 Conclusion Dans la première partie, ce chapitre a présenté une validation ponctuelle sur un ensemble de mesures du modèle de FER proposé dans cette thèse. Cette validation a montré la précision du modèle de FER, en situation de secteur serveur unique, lorsque les modèles de propagation sont suffisamment proches de la réalité ou que le biais présenté est équivalent pour l'ensemble des secteurs. Les aspects validés par une campagne de mesures sont relatifs à la structuration de l'interférence en situation de saut de fréquences (modélisation des probabilités de collision), au cumul de l'interférence provenant de plusieurs secteurs brouilleurs et à la pertinence des tables de conversion du C/I au BER et du BER au FER dans des conditions différentes de diversité de fréquences. Aucune calibration du modèle n'a été effectuée lors de cette validation. Il est à noter que cette campagne de validation n'a pu être effectuée que sur un réseau en ingénierie en Bande de Base. Les aspects liés aux probabilités de collision pour de grandes tailles de MAL n'ont donc pu être validés lors de cette campagne. La deuxième partie de ce chapitre est relative à l'approche d'évaluation globale du réseau. Tout d'abord une étude de comparaison de différentes stratégies d'ingénierie des fréquences a été effectuée. Cette comparaison montre la souplesse du modèle à s'adapter à des configurations de réseau différentes tout en restant cohérent avec les phénomènes structurant l'interférence : recouvrement des champs, qualité du plan de fréquences, tailles des MAL et taux de charge. Ces résultats d'études ont été ensuite validés par une expérimentation sur un réseau de 140 secteurs. Cette expérimentation montre la capacité du modèle à comparer des stratégies d'ingénierie de fréquences complètement différentes. Elle montre également le lien fort qui existe entre le critère radio qu'est le FER lié à l'interférence et des indicateurs remontés du réseau tels que le taux de coupure ou les HO sur qualité. Enfin, la comparaison en valeur absolue des résultats de prévision de trafic brouillé avec des mesures de qualité de service ressentie par l'utilisateur montre la pertinence, à une échelle macroscopique, des méthodes d'agrégation de l'interférence par probabilité de prise de service. Les résultats de ces expérimentations ont été suivis du déploiement opérationnel par Orange d'un module d'évaluation basé sur le modèle de FER présenté dans cette thèse. Ce modèle est donc exploité depuis 2003 par Orange pour évaluer la qualité de ses réseaux GSM et choisir ses stratégies d'allocation des fréquences. Le chapitre suivant présente les adaptations qui ont été faites de ce modèle pour permettre l'évaluation des systèmes de transmission de données GPRS et EDGE sur les réseaux FTDMA.

Chapitre 5 - Evaluation de la qualité pour les systèmes de données 110

5 Evaluation de la qualité pour les systèmes de données

L'objectif de ce chapitre est de décrire et d'étudier la possibilité d'adapter le modèle de probabilité d'effacement de bits décrit dans le chapitre 3 afin de permettre l'évaluation de la qualité de services en mode paquet aux normes GPRS (General Packet Radio Service) et EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) sur des réseaux FTDMA. La généricité du modèle probabiliste vis-à-vis du saut de fréquences demande uniquement une adaptation au niveau de la prise en compte de l'interface radio. Il est donc spécifique pour une norme de transmission et un service associé. Ce chapitre fait écho à l'adaptation du modèle pour le calcul du FER pour le service voix en GSM. Le premier système analysé est la transmission de données en GPRS. Après une description de GPRS et des adaptations réalisées au niveau des métriques de qualité calculées à partir du modèle de probabilité, une étude d'ingénierie de fréquences dans un contexte de services simultanés voix et données est présentée sur un réseau. Cette étude discute du choix de l'ingénierie de fréquences et des priorités d'allocation des ressources radio dans un scénario de forte montée en charge de services de données GPRS dans un réseau GSM mature. Le deuxième système analysé est la norme de transmission EDGE. La description des différences entre cette norme et GPRS permet de mettre en évidence un nombre plus important d'ajustements à effectuer dans le modèle de probabilité et la difficulté à produire des métriques de qualité de service sur la base d'une seule évaluation de l'interférence. Mots clefs : GPRS, EDGE, débit, retransmission, adaptation de lien.

5.1 EVALUATION DU SYSTEME DE TRANSMISSION GPRS............................................................. 111 5.1.1 Spécificités de l'interface radio impactant le modèle ....................................................... 111 5.1.2 Partage des ressources physiques avec le service GSM voix ........................................... 112 5.1.3 Evaluation de la qualité du service GPRS........................................................................ 113 5.1.4 Comparaison d'ingénieries et montée en charge du service GPRS.................................. 116 5.1.5 Conclusion........................................................................................................................ 123

5.2 EVALUATION DU SYSTEME DE TRANSMISSION EDGE ............................................................ 124 5.2.1 Introduction de la norme EDGE ...................................................................................... 124 5.2.2 Modulation ....................................................................................................................... 125 5.2.3 Schémas de modulation et de codage MCS ...................................................................... 127 5.2.4 Construction d'un burst .................................................................................................... 128 5.2.5 Adaptation de lien ............................................................................................................ 129 5.2.6 Protocole de retransmission IR ........................................................................................ 130 5.2.7 Partage des ressources et multiplexage ........................................................................... 131 5.2.8 Conséquences pour le modèle probabiliste ...................................................................... 132

5.3 CONCLUSION ......................................................................................................................... 136


5.1 Evaluation du système de transmission GPRS Le GPRS est une évolution vers la transmission en mode paquet de la norme GSM [GSM03.64]. Les deux systèmes cohabitent donc sur le même réseau et les systèmes de transmission sur la voie radio sont très proches. Le passage d'un mode circuit à un mode paquet ne remet pas en cause le modèle de probabilité d'effacement de bits. En effet on analyse toujours cette probabilité sur une trame de service.

5.1.1 Spécificités de l'interface radio impactant le modèle Les trames TDMA GPRS ont la même structure qu'en GSM (8 TS) et le schéma de protection des données utilisé est sensiblement le même que celui du GSM. Cependant, la taille du CRC ainsi que le taux du code de convolution diffèrent de ceux du GSM. Ces deux paramètres peuvent changer en cours de transmission du service GPRS en fonction de l'interférence reçue sur le canal physique. On parle de mécanisme d'adaptation de lien. Les différentes valeurs que peuvent prendre ces deux paramètres définissent 4 schémas de codage (Coding Scheme, noté par la suite CS) différents numérotés de 1 à 4 (Figure 63). Les taux du codage convolutionnel pour CS1, CS2, CS3 et CS4 sont respectivement de 1/2, ≈2/3, ≈3/4 et 1.

RLC/MAC bloc non

codé (bits)

CRC (bits)

Taille avant codage convolutif

(bits)

Taille après codage convolutif

(bits)

Taille après poinçonnage

(bits)

Débit (kbits/s)

CS-1 184 40 228 456 456 9,05 CS-2 271 16 294 588 456 13,4 CS-3 315 16 338 676 456 15,6 CS-4 431 16 456 456 456 21,4

Figure 63 : Paramètres du codage GPRS pour CS1 à CS4

Le schéma de codage CS1 est donc le plus protégé contre l'interférence, mais également celui présentant le débit utile sur le canal physique le plus faible (9,05 kbits/seconde). A l'inverse, le schéma de codage CS4 est très peu protégé contre l'interférence, mais permet d'obtenir un débit sur le canal physique plus de 2 fois supérieur à celui du CS1 (21,4 kbits/seconde). Pour les 4 schémas de codage, l'entrelacement s'effectue sur un ensemble de 456 bits. Il correspond à une suite de permutation à l'intérieur du bloc de 456 bits codés. Puis le bloc est divisé en 4 bursts de 114 bits (et non 8 demi-bursts comme pour la voix en GSM). Quatre trames TDMA successives permettent alors de transmettre le bloc complet de données. La transmission GPRS s'effectue avec la même modulation de fréquences que le GSM, ainsi la chaîne de réception de GPRS est la même que celle du GSM (même démodulation et même algorithme de décodage du canal). Afin d'augmenter les débits transmis par le système GPRS, plusieurs canaux physiques peuvent être alloués à un même utilisateur. Des blocs de données différents sont alors transmis sur des indices de TS différents d'une même trame TDMA pour le même utilisateur. Le débit utilisateur est alors une multiplication directe du débit du CS utilisé par le nombre de canaux physiques alloués à l'utilisateur.


Le système GPRS met également en place un système de retransmission des informations perdues présent dans la norme GSM mais non utilisé pour le service voix. Il s'agit de l'ARQ (Automatic Repeat reQuest) qui consiste à réémettre sur le canal physique les trames de service non décodées par le mobile. Ces spécificités interviennent essentiellement au moment de l'analyse de la qualité du service GPRS dans le modèle d'évaluation (conversion du BER). Elles n'impactent que très peu les mécanismes de calculs de collision entre TS et d'effacement de bits (calcul sur 4 trames TDMA au lieu de 8). Par contre la charge ajoutée par le service GPRS intervient fortement sur le taux de charge des TRX et donc sur l'interférence globale générée pour les services voix et données sur le réseau.

5.1.2 Partage des ressources physiques avec le service GSM voix Dans GPRS, un canal physique est configuré soit pour GSM (voix en mode circuit) soit pour GPRS (données en mode paquet). Cette configuration peut être fixe par indice de TS par TRX mais une option permet de la faire varier très rapidement en fonction de la charge du réseau. On définit 3 configurations possibles pour chaque TS de chaque TRX (Figure 64) :

o 0 : TS dédié à la transmission de service GSM voix en mode circuit. o 1 : TS dédié à la transmission de service GPRS données en mode paquet. o 2 : TS mixte permettant la transmission de service voix ou données en fonction de la

demande et des stratégies d'allocation des ressources (priorité voix ou données en cas de conflit de la demande).

L'existence de ces 3 configurations de TS complique l'évaluation du taux de charge de chaque TRX pour le calcul d'interférence du modèle probabiliste.

Figure 64 : Exemple de configuration de TS sur un secteur possédant 3 TRX

Afin d'être complet vis-à-vis de ce calcul, on prend également en compte un aspect qui a été occulté lors du chapitre 3. En effet, en Saut Synthétisé, il existe un paramètre permettant de définir les priorités d'allocation de ressources entre le TRX portant le canal BCCH et les TRX de saut. Ce paramètre permet de configurer trois cas :

o Priorité au TRX BCCH : les communications sont écoulées en priorité sur le TRX portant le canal BCCH jusqu'à ce que les 8 TS de celui-ci soient occupés.

o Priorité au saut : les communications sont écoulées en priorité sur les TRX de saut jusqu'à ce que l'ensemble des TS de ceux-ci soient occupés.

o Pas de priorité : les communications sont écoulées aléatoirement sur l'ensemble des TRX.

Ces deux paramètres de configuration de TS et de priorité au saut déterminent l'allocation des ressources sur les différents canaux physiques d'un secteur. Ils entraînent un déséquilibre dans la charge des TRX de chaque secteur et donc impactent l'interférence générée.


On ne dispose pas sur le réseau de l'information consistant à déterminer le taux de charge écoulé par TRX sur chaque secteur. On dispose seulement d'une information agrégée dans le temps donnant la charge sur l'ensemble du secteur en termes d'Erlangs de communication voix et de nombre de blocs de données écoulés. Pour déterminer une approximation du taux de charge de chaque TRX, on utilise donc un simulateur de trafic prenant en entrée le trafic voix, ainsi que le niveau de DTX, et le trafic données écoulés sur un secteur. Ce simulateur donne un ensemble de sorties nécessaires à l'évaluation :

• Taux de charge brouilleur de chaque TRX. Ce résultat est utilisé pour le calcul des probabilités d'effacement de bits avec :

o Prise en compte du TRX portant le BCCH comme brouilleur permanent sur le réseau (taux de charge égal à 1)

o Prise en compte du DTX comme facteur de diminution de l'effet brouilleur de la charge due à la voix

• Charge brouillée de chaque TRX. Ce résultat est utilisé pour le calcul du trafic interféré.

Il donne deux valeurs : o Nombre d'Erlangs voix écoulés sur chaque TRX o Nombre de blocs GPRS écoulés sur chaque TRX

Les résultats présentés par la suite seront obtenus en utilisant un simulateur de trafic. Ce simulateur respecte les priorités d'allocation entre TRX BCCH et TRX de saut, ainsi que les configurations de TS entre voix et données. Cependant il ne prend pas en compte le très grand écart type de la charge lors du transfert de données en mode paquet. Dans un réseau la charge du trafic de données est donc supposée suivre la même loi de variation que la charge voix, c'est-à-dire une loi de Poisson.

5.1.3 Evaluation de la qualité du service GPRS L'évaluation de l'interférence subie sur un service de données GPRS n'est pas aussi directe que celle de la voix. En effet, le principe de réémission des blocs perdus (ARQ) fait que le service est toujours transmis à l'utilisateur en intégralité. Les éléments de qualité de service soumis à variation sont les débits de transmission et leur adéquation avec le type de service de données demandé. Par exemple, un service temps réel nécessite une continuité de débit durant la transmission du service alors qu'un service de téléchargement ne sera jugé que par le débit moyen de téléchargement et donc le temps d'attente de l'utilisateur. On examine ici différentes métriques d'évaluation pouvant être construites directement à partir du modèle probabiliste présenté au chapitre 3.

• Calcul du BLER pour un schéma de codage fixé On considère un CS de transmission fixé pour un secteur serveur et on évalue le taux de perte de blocs de données (BLER) émis avec ce niveau de protection. Cette évaluation est très proche de l'évaluation en FER proposée au chapitre 3. En plus du calcul par simulateur du taux de charge, seules deux modifications interviennent :


o Un bloc de données étant transmis en 4 bursts sur 4 trames TDMA consécutives, le calcul du modèle se fera avec un paramètre de nombre de trames TDMA analysées N=4 et non plus N=8.

o On n'utilisera plus des tables de conversion du BER vers le FER, mais des tables de conversion du BER vers le BLER (Figure 65) également issues de la simulation et également dépendantes de la vitesse et du nombre de fréquences de saut du secteur serveur pour la prise en compte des phénomènes de diversité de fréquences.

Correspondance Taux d'effacement en bit et BLER en GPRS sans saut de fréquences

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Taux d'effacement en bits

BLE

R

CS1

CS2

CS3

CS4

Figure 65 : Tables de qualité Taux d'effacement -> BLER en l'absence de saut de fréquences

Cette approche directe n'est cependant pas très satisfaisante car peu adaptée à l'évaluation de la qualité d'un service de données. En effet, les mécanismes d'adaptation de lien empêchent un mobile de continuer de transmettre à un CS donné si le taux de perte de blocs est trop important du fait de l'interférence reçue. Le paragraphe suivant propose une autre évaluation plus proche de la qualité de service ressentie par l'utilisateur.

• Evaluation du schéma de codage de transmission On étudie la prise en compte du mécanisme d'adaptation de lien. On considère un secteur serveur donné et on évalue, en fonction de l'interférence présente sur le réseau, le schéma de codage sur lequel le service sera effectué. Pour faire cette évaluation, il faut supposer que hormis le secteur considéré l'ensemble du réseau est dans un état figé de transmission. En effet, si cette hypothèse n'était pas faite, en changeant de schéma de codage, un mobile quelconque modifierait le niveau de BLER auquel son service est soumis. Ainsi le taux de retransmission de blocs changerait également et par conséquent modifierait le taux de charge des secteurs du réseau. Ce taux de charge étant modifié, l'interférence globale du réseau est également modifiée et le mécanisme d'adaptation de lien peut donc potentiellement à nouveau modifier le schéma de codage des transmissions de service données du secteur que l'on analyse. Nous sommes donc dans une hypothèse simplificatrice car


les usagers étant sans cesse en mouvement sur le réseau, il n'y a jamais vraiment convergence vers un état stable de l'interférence. Ces éléments font que l'on prend en entrée du simulateur l'ensemble du trafic GPRS écoulé sur le réseau. Cela inclut les données retransmises par l'ARQ à cause de l'interférence. C'est cet état de trafic qui correspond à un état d'interférence ayant réellement existé sur le réseau et qui permet de faire l'évaluation pour chaque secteur en considérant l'ensemble des autres secteurs figés. Ces données, facilement accessibles pour l'analyse d'un réseau existant en cours de fonctionnement, doivent être extrapolées dans le cas d'analyses prévisionnelles. Dans l'ensemble des calculs présentés dans ce chapitre, on considérera l'algorithme d'adaptation de lien décrit figure 66.

Algorithme de calcul de CS

CS = 1Si BLER(CS1) > Seuil1

Return CSSi BLER(CS2) ≥ Seuil2

Return CSCS = 2Si BLER(CS2) > Seuil3


Return CSCS = 3Si BLER(CS3) > Seuil5


Return CSCS = 4Return CS

CS1

CS2

CS3

CS4

BLER(CS1) > 2%

BLER(CS1) ≤ 2%BLER(CS2) ≥ 30%

1% < BLER(CS2) < 30%

BLER(CS2) ≤ 1%

0% < BLER(CS3) < 20%

BLER(CS2) ≥ 20%

BLER(CS3) = 0%

BLER(CS4) ≥ 27%

BLER(CS4) < 27%

CS1

CS2

CS3

CS4

BLER(CS1) > 2%

BLER(CS1) ≤ 2%BLER(CS2) ≥ 30%

1% < BLER(CS2) < 30%

BLER(CS2) ≤ 1%

0% < BLER(CS3) < 20%

BLER(CS2) ≥ 20%

BLER(CS3) = 0%

BLER(CS4) ≥ 27%

BLER(CS4) < 27%

Schéma fonctionnelSeuil1 = 2% ; Seuil2 = 30% ; Seuil3 = 1%Seuil4 = 20% ; Seuil5 = 0% ; Seuil6 = 27%

Figure 66 : Algorithme de calcul du CS par adaptation de lien

Le calcul du schéma de codage de transmission d'un secteur en un point se fait en trois étapes :

o Calcul du taux d'effacement qui est indépendant du CS de transmission. o Calcul à partir de ce taux, du BLER qui serait généré pour chaque CS de transmission. o Calcul du CS par l'algorithme d'adaptation de lien (Figure 66) en utilisant les valeurs de

BLER calculées L'ensemble des BLER calculés aux différents schémas de codage est donc évalué d'après les tables de qualités (Figure 65) et le taux d'effacement de bits selon la méthode présentée dans le paragraphe précédent. L'algorithme d'adaptation de lien est ensuite appliqué et retourne en chaque point de calcul et pour chaque secteur, le schéma de codage dans lequel ce secteur émet si une communication GPRS est allouée à ce secteur en ce point. Des statistiques sont ensuite faites en utilisant les probabilités de prise de communication pour déterminer globalement le trafic écoulé à chaque niveau de CS sur le réseau. Cette répartition permet d'avoir une vision globale du débit potentiellement accessible sur le réseau.


5.1.4 Comparaison d'ingénieries et montée en charge du service GPRS L'objet de ce paragraphe est de présenter l'évolution de la qualité radio d'un réseau GSM/GPRS en fonction de la montée en charge du service GPRS sur ce réseau. Cette étude peut servir de base à la préparation d'un réseau pour l'introduction d'un service EDGE et pour le lancement d'offres commerciales haut débit. • Phase 1 : pour chaque ingénierie de fréquences étudiée, on considère les charges voix et

données remontées du réseau en fonctionnement, ainsi que les configurations de TS. Il s'agit ici de déterminer la qualité du réseau suivant différentes ingénieries de fréquences vis-à-vis d'une situation de référence comportant un service de données (extension de l'étude du chapitre 4).

• Phase 2 : pour chaque ingénierie de fréquences étudiée, on considère le nombre de TRX et

la charge voix prévisionnels sur chaque secteur du réseau. On considère également des configurations de TS cibles permettant d'écouler une montée en charge des services de données sur le réseau. La charge de données est donc considérée comme maximale, c'est à dire occupant potentiellement en permanence l'ensemble des TS dédiés aux données et mixtes. Il s'agit ici d'évaluer l'évolution de la qualité de chaque ingénierie de fréquences dans le cas d'une forte montée en charge du service de données. On écoule cette montée en charge sur le TRX portant le BCCH afin d'avoir plus de contrôle sur la qualité de celui-ci et d'évaluer plus facilement quel serait l'impact sur la mise en place d'un service EDGE (Partie 5.2).

Conformément aux usages habituels sur les réseaux commerciaux, la priorité d'allocation des TS mixtes est toujours affectée au service voix.

• Réseau analysé Le spectre de fréquences disponible sur le réseau présenté ici est de 50 canaux de fréquences en GSM/GPRS. Pour des raisons de contraintes de déploiement d'un service EDGE (Partie 5.2), seules des ingénieries en Saut Synthétisé ont été testées sur ce réseau. En effet, la modulation utilisée pour le service EDGE nécessite le remplacement des TRX pour la transmission de celle-ci. Pour cette raison, l'ingénierie en Bande de Base serait très coûteuse car demandant le remplacement de tous les TRX et n'a pas été étudiée. Les ingénieries étudiées correspondent à des ingénieries pour lesquelles un seul TRX EDGE est installé, l'idée étant de mettre ce TRX en service sur le TRX BCCH. Ces ingénieries correspondent à :

o Un plan de fréquences Saut Synthétisé classique (noté Plan Entier). o 4 plans de fréquences Saut Synthétisé motif 1×1 pour différentes valeurs du spectre

BCCH : 18, 21, 23 et 25 canaux de fréquences (noté Motif 1). o Un plan de fréquences Saut Synthétisé motif 1×3 (noté Motif 1x3).

Pour ces ingénieries, 3 stratégies de priorité d'allocation des communications entre TRX portant le canal BCCH et TRX effectuant un saut en fréquences sont considérées :

o Priorité au saut (noté PS) : des communications sont allouées au TRX BCCH à partir du moment où toutes les ressources des TRX de saut sont occupées.

o Priorité au TRX BCCH (noté PBCCH) : des communications sont allouées aux TRX de saut à partir du moment où toutes les ressources du TRX BCCH sont occupées.

o Sans priorité au saut (noté PAS PS) : la répartition est parfaitement équitable.


Une étude sur réseaux théoriques comparant différentes ingénieries de fréquences peut également être trouvée dans [Gutiérrez00]. Cette étude ne prend cependant pas en compte les différentes priorités d'allocation de ressources possibles dans le cas du Saut Synthétisé. De plus, les gains liés à chaque ingénierie de fréquences sont limités par leur adaptation à l'usage de motifs de réutilisation. L'ingénierie actuelle sur ce réseau correspond à un Saut Synthétisé motif 1×1 avec un spectre BCCH de 23 canaux de fréquences. Le nombre de TRX cible et le trafic voix prévisionnel sont les mêmes que pour le réseau d'origine. La configuration GPRS cible est de 2 TS dédiés et 4 TS mixtes avec priorité des TS mixtes à la voix sur le TRX portant le canal BCCH. La charge du service de données est mise au maximum de la capacité, c'est-à-dire équivalent à l'occupation des 6 TS possibles (Figure 67).

Actuel Prévisionnel Nombre de Sites 153 153 Nombre de Secteurs 322 322 Nombre de TRX 962 962 Moyenne de TRX par secteur 2,98 2,98 Charge Voix Totale (Erlangs) 2580 2580 Charge Données Totale (millions de blocs)

16 373

Config cible du TRX portant le BCCH

- 2 TS dédiés 4 TS mixtes

Figure 67 : Configurations initiales et finales du réseau étudié

Ce réseau apparaît assez peu chargé en moyenne, mais cette charge est très variable selon les zones. Le trafic de données passe d'une valeur négligeable à une charge occupant en permanence 6 TS. Afin de s'abstraire des effets de bord de l'évaluation d'un réseau dus à son déracinement par rapport au réseau global dans lequel il se trouve, on évalue seulement un groupe de secteurs central du réseau (Figure 68).

Actuel Prévisionnel Nombre de Sites 54 54 Nombre de Secteurs 152 152 Nombre de TRX 439 439 Moyenne de TRX par secteur 2,88 2,88 Charge Voix Totale (Erlangs) 1269 1269 Charge Données Totale (millions de blocs)

7 176

Figure 68 : Configurations initiales et finales du groupe de secteurs évalué

• Métriques d'évaluation Des métriques basées sur le modèle probabiliste sont mises en œuvre pour l'évaluation de la qualité des différents services sur le réseau et pour pouvoir comparer les avantages de chaque ingénierie vis-à-vis de la montée en charge du trafic de données. Pour le service voix :

3 TS mixtes


o Nombre d'Erlangs brouillés sur le TRX portant le BCCH émis avec un FER≥2% (resp. 7%).

o Nombre d'Erlangs brouillés sur l'ensemble des TRX de saut émis avec un FER≥2% (resp. 7%).

Pour le service de données : On considère que le nombre de blocs brouillés est donné en millions de blocs par heure.

o Nombre de blocs brouillés sur le TRX portant le BCCH qui seraient émis avec un BLER≥2% (resp. 7%) en CS1.

o Nombre de blocs brouillés sur l'ensemble des TRX de saut qui seraient émis avec un BLER≥2% (resp. 7%) en CS1.

o Nombre de blocs par schéma de codage émis sur le TRX portant le BCCH. o Nombre de blocs par schéma de codage émis sur l'ensemble des TRX de saut.

• Résultats Les évaluations sont d'abord présentées sous forme d'histogrammes pour les différentes ingénieries. Ces histogrammes sont affichés suivant la même échelle de valeurs afin de pouvoir estimer les pertes en qualité dues à la montée en charge du trafic de données. Cette perte en qualité est représentée ici de manière absolue, c'est-à-dire sur les quantités globales de service perdu. Elle n'est pas mise en perspective avec l'augmentation de la charge. L'ingénierie actuelle sur le réseau est encadrée de rouge sur les schémas. Les premiers résultats concernent l'évaluation des Erlangs brouillés avec un FER supérieur ou égal à 7% dans les contextes actuels (Figure 69) et prévisionnels (Figure 70).

Réseau actuel : Evaluation Voix à 7% de FER

0

50

100

150

(PAS PS) (PBCCH) (PS) 18_30 21_27 23_25 25_23 (PAS PS) 18_30 21_27 23_25 25_23 (PBCCH) 18_30 21_27 23_25 25_23 (PS)

PLAN ENTIER MOTIF1 (PAS PS) MOTIF1×3

MOTIF1 (PBCCH) MOTIF1×3

MOTIF1 (PS) MOTIF1×3

Type d'ingénierie

Erla

ngs

brou

illés

TCHBCCH

Figure 69 : Comparaison des ingénieries sur le réseau actuel pour le service voix (Erlangs

brouillés FER à 7%) La solution retenue actuellement, Motif1_23_25 sans priorité d'allocation au saut, fait partie des meilleures solutions possibles sur le réseau actuel pour la qualité voix. Les solutions consistant à diminuer le spectre sur le TRX portant le BCCH et à faire passer le plus possible de trafic sur les TRX de saut permet cependant d'obtenir un gain en qualité significatif pour le service voix (configurations Motif1 PS 18_30 et 21_27).


Réseau prévisionnel : Evaluation Voix à 7% de FER

0

50

100

150





Type d'ingénierie

Erla

ngs

brou

illés

TCHBCCH

Figure 70 : Comparaison des ingénieries sur le réseau prévisionnel pour le service voix

(Erlangs brouillés FER à 7%) Avec l'augmentation du trafic de données sur le réseau prévisionnel et l'écoulement de l'ensemble de ce trafic sur le TRX portant le BCCH, la qualité du service voix s'améliore légèrement sur les solutions de Motif1 sans priorité d'allocation (Motif1 PAS PS). En effet, l'occupation des ressources par les données sur le TRX portant le BCCH redirige l'émission du service voix sur les TRX de saut et rapproche ces solutions de celles avec priorité d'allocation aux TRX de saut (Motif1 PS). Evidemment, cette amélioration est un compromis avec la qualité du service de données. Ici encore la meilleure solution pour le service voix reste le Motif1_18_30 avec priorité d'allocation aux TRX de saut. On évalue maintenant les réseaux actuels et prévisionnels suivant les deux métriques définies précédemment pour l'analyse des services de données GPRS. Les figures 71 et 72 représentent la répartition de la transmission des blocs entre les différents CS pour les réseaux réels et prévisionnels. Cette évaluation donne les débits potentiels sur le réseau.

Réseau actuel : répartition de la transmission GPRS par CS

0%

20%

40%

60%

80%

100%

(PASPS)

(PBCCH) (PS) 18_30 21_27 23_25 25_23 (PASPS)

18_30 21_27 23_25 25_23 (PBCCH) 18_30 21_27 23_25 25_23 (PS)




Type d'ingénierie

CS1CS2CS3CS4

Figure 71 : Comparaison des ingénieries sur le réseau actuel pour le service de données

(répartition de la transmission des blocs sur les différents schémas de codage) Cette évaluation montre que la solution actuelle (cadre rouge) est parmi les moins performantes pour le service de données. La meilleure solution est une solution de Plan Entier, ce qui


s'oppose donc aux conclusions sur le service voix. Par contre la solution Motif1_18_30 avec priorité d'allocation aux TRX de saut est également de bonne qualité pour le service de données. Cette constatation devrait conduire à un changement d'ingénierie sur le réseau.

Réseau prévisionnel : répartition de la transmission GPRS par CS

0%

20%

40%

60%

80%

100%

(PASPS)

(PBCCH) (PS) 18_30 21_27 23_25 25_23 (PASPS)

18_30 21_27 23_25 25_23 (PBCCH) 18_30 21_27 23_25 25_23 (PS)




Type d'ingénierie

CS1CS2CS3CS4

Figure 72 : Comparaison des ingénieries sur le réseau prévisionnel pour le service de données

(répartition de la transmission des blocs sur les différents schémas de codage) L'augmentation du trafic de données sur le réseau prévisionnel ne change pas fondamentalement les rapports de qualité entre les ingénieries sur le service de données. Il est cependant important de mesurer la qualité du trafic transmis en CS1 du fait de l'adaptation de lien. On distingue le trafic effectivement transmis avec un débit proche du débit maximum permis par le CS1, et le trafic fortement brouillé, même en CS1, qui génère un taux de retransmission élevé et ne permet donc pas un service correct. Les figures 73 et 74 représentent le nombre de millions blocs perdus par heure en CS1 à 2% de BLER sachant que tout le trafic de données est transmis sur le TRX portant le BCCH. Cette évaluation donne l'interférence résiduelle lorsque l'adaptation de lien a déjà positionné le schéma de codage en CS1.

Réseau actuel : Evaluation données en CS1 à 2% de BLER

0

5

10

15

20

25

30

35

40





Type d'ingénierie

NB

R d

e B

locs

(en

mill

ions

) b

roui

llés

en C

S1

TCHBCCH

Figure 73 : Comparaison des ingénieries sur le réseau actuel pour le service de données (blocs

brouillés en CS1 avec un BLER à 2%)


Les résultats sur le réseau actuel encadré en rouge (Figure 73) sont assez marginaux du fait du très faible trafic de données enregistré sur ce réseau.

Réseau prévisionnel : Evaluation données en CS1 à 2% de BLER

0

5

10

15

20

25

30

35

40





Type d'ingénierie

NB

R d

e B

locs

(en

mill

ions

) b

roui

llés

en C

S1

TCHBCCH

Figure 74 : Comparaison des ingénieries sur le réseau prévisionnel pour le service de données

(blocs brouillés en CS1 avec un BLER à 2%) Ces évaluations sur le trafic prévisionnel (Figure 74) confirment la qualité du Plan Entier pour les services de données. Par contre, les solutions de Motif1 avec une faible bande de fréquences réservée au BCCH et une priorité d'allocation aux TRX de saut ont une évaluation très mauvaise sur ce critère. Cela signifie que le trafic de données transmis en CS1 sur ces ingénieries est soumis à un très fort taux de retransmission, rendant le service quasiment impossible pour l'utilisateur. Ce résultat rend donc ces ingénieries beaucoup moins attractives.

• Analyse comparative La multiplicité des ingénieries étudiées et des critères d'évaluation rend peu synthétique la représentation de l'ensemble des solutions sur les différents critères. Une autre approche d'analyse des résultats consiste à représenter les différentes ingénieries de manière relative suivant leur qualité. On représente ces ingénieries simultanément suivant plusieurs critères. Ces ingénieries sont alors séparées et analysées en deux catégories et chaque catégorie est comparée à l'ingénierie actuelle.

o Les ingénieries extrêmes sont les ingénieries donnant le meilleur résultat parmi l'ensemble des ingénieries sur au moins l'un des critères, mais pouvant être très mauvaises sur les autres critères.

o Les ingénieries de bons compromis sont les ingénieries ayant de bons résultats sur l'ensemble de critères représentés, c'est-à-dire à la fois sur l'évaluation de la voix et des données, mais également à la fois dans le contexte actuel et dans le contexte prévisionnel.

Les représentations en figures 75 et 76 en diagrammes "araignées" sont obtenues en donnant un score à chaque solution suivant chaque critère en fonction de son classement par rapport aux autres solutions sur ce critère. La moins bonne solution a un score de 1, la suivante un score de 2, etc. Le score maximum suivant un critère est donc de 8. Plus l'aire associée à une solution est grande, meilleure est cette solution.


Etant donnés les résultats vus précédemment, on retient 8 critères pertinents pour cette analyse. Les 4 premiers critères sont constitués par la qualité de la solution pour le service voix en termes du minimum d'Erlangs brouillés à 2% et 7% de FER pour le réseau initial et le réseau prévisionnel. Les 4 autres critères sont constitués par la qualité de la solution pour le service de données en termes du minimum de blocs brouillés à 2% et 7% de BLER en CS1 pour le réseau initial et le réseau prévisionnel. Dans l'analyse des solutions extrêmes en figure 75, la solution la meilleure pour la voix apparaît très clairement comme étant un Motif1_18_30 avec une priorité d'allocation aux TRX de saut (toute la voix passe sur les TRX de saut qui ont une bande de fréquence très large). Cependant, l'évaluation de la qualité du service de données montre que la qualité du TRX portant le BCCH d'une telle ingénierie risque d'être très mauvaise et risque de perturber à la fois le service de données GPRS, mais également la qualité de la voie balise. A l'inverse, une ingénierie de Saut Synthétisé plan entier permettrait une montée en charge du service GPRS dans les meilleures conditions possibles, mais engendrerait une dégradation de la qualité du service voix sans doute rédhibitoire.

Solutions extrêmes

QoS FER initial 2%

QoS FER initial 7%

QoS BLER initial 2%

QoS BLER initial 7%

QoS FER previ 2%

QoS FER previ 7%

QoS BLER previ 2%

QoS BLER previ 7%

PLAN ENTIER (PBCCH)PLAN ENTIER (PAS PS)MOTIF1_18_30 (PS)MOTIF1_23_25 (PAS PS)

Figure 75 : Analyse des solutions extrêmes

En ce qui concerne les solutions de compromis en figure 76, il ressort de l'analyse de ce réseau que l'ingénierie actuelle (Motif1_23_25 PAS PS) est une bonne solution de compromis sur les qualités voix et données. Cette solution reste une solution très correcte dans les hypothèses faites quant à la montée en charge du service GPRS. On s'aperçoit également qu'une solution consistant à augmenter de 2 la taille de la bande réservée au BCCH permet de favoriser la qualité du trafic de données sans pour autant dégrader de manière trop importante la qualité du service voix. C'est l'option qui a été prise en service opérationnel suite à cette étude.


Solutions de compromis

QoS FER initial 2%

QoS FER initial 7%

QoS BLER initial 2%

QoS BLER initial 7%

QoS FER previ 2%

QoS FER previ 7%

QoS BLER previ 2%

QoS BLER previ 7%

MOTIF1_25_23 (PBCCH)MOTIF1_25_23 (PAS PS)MOTIF1_23_25 (PBCCH)MOTIF1_23_25 (PAS PS)

Figure 76 : Analyse des meilleures solutions de compromis

Les résultats obtenus dans cette expérimentation sont spécifiques au réseau étudié. On peut cependant discerner certaines tendances dans l'impact des choix d'ingénierie sur le compromis de qualité entre les services voix et de données. Ce compromis se ramène à un compromis entre qualité du TRX portant le BCCH et des TRX de saut dans les conditions de l'étude où l'ensemble du trafic de données est émis sur le TRX portant le BCCH. Tout d'abord les solutions de Plan Entier permettent d'avoir la meilleure qualité au niveau du TRX portant le BCCH. En effet, l'absence de séparation des bandes de fréquences permet d'utiliser deux fréquences supplémentaires gardées comme fréquences de séparation entre bande BCCH et TCH dans le cas des Motifs. Cette absence de séparation permet de garantir une très grande flexibilité lorsque le problème d'allocation de fréquences sur le TRX portant le BCCH est complexe du fait de nombreux recouvrements entre les cellules du réseau. D'un autre côté, ces solutions présentent une qualité sur les TRX de saut qui est limitée par l'utilisation d'un faible nombre de fréquences dans la MAL, et donc limitée en termes de gain en diversité de fréquences. La qualité de ces solutions est également fortement dépendante du logiciel d'allocation automatique des fréquences utilisé. Les solutions de Motif permettent d'avoir une bonne qualité sur les TRX de saut, surtout dans le cas d'un réseau peu chargé en trafic comme celui analysé dans cette étude. Le choix du rapport entre le spectre de fréquences réservé aux TRX portant le BCCH et celui réservé aux TRX de saut permet de contrôler le compromis de qualité entre les services. Cependant même avec une bande de fréquences de saut de taille inférieure à celle du BCCH, la qualité obtenue avec le Plan Entier sur les TRX portant le BCCH est meilleure. Le choix de la priorité d'allocation permet ensuite de répartir les différents trafics voix et données sur les TRX dont on a assuré la meilleure qualité. Le Motif1 avec une large bande de fréquences de saut et une priorité au saut, est meilleur en service voix qu'en service de données, et vice-versa pour le même Motif1 sans priorité au saut. Cette priorité d'allocation donne un degré supplémentaire d'optimisation.

5.1.5 Conclusion La généricité du modèle de probabilité d'effacement de bits proposé dans cette thèse permet une adaptation simple de celui-ci à l'évaluation de la qualité d'un service GPRS. L'impact de la mise en place de ce service se limite à :

o La modification des taux de charge de TRX pour les différents secteurs du réseau.


o Le calcul d'interférence sur 4 trames TDMA au lieu de 8 pour la voix. o L'utilisation de courbes de correspondance entre le BER et le BLER pour les différents

schémas de codage utilisés en GPRS. o La différentiation du trafic voix et données lors de l'analyse du trafic interféré sur

l'ensemble du réseau. L'étude présentée sur la base de ce modèle permet de comparer différentes stratégies d'ingénierie de fréquences et d'allocation de ressources aux services. Cette comparaison est faite sur la base de préférences exprimées entre la conservation de la qualité du service voix actuelle et la volonté d'offrir des débits importants pour les services de données. Cette étude est la base de ce qui a permis la préparation, en termes d'ingénierie de fréquences, de l'ouverture du réseau EDGE par Orange.

5.2 Evaluation du système de transmission EDGE

5.2.1 Introduction de la norme EDGE Le projet de normalisation EDGE s'inscrit dans la continuité du service GPRS. Il a été initié afin de rehausser les débits des services GSM/GPRS en mode circuit et en mode paquet. La standardisation EDGE comporte deux phases :

o EDGE Phase I se compose du volet EGPRS (Enhanced GPRS) pour la transmission de données par paquet et du volet ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) pour la transmission des données en mode circuit. L'accent est mis sur la composante EGPRS. La partie ECSD suscite moins d'intérêt chez les constructeurs et opérateurs. Les spécifications EDGE Phase I ont été complétées en 1999.

o EDGE Phase II est en cours de normalisation. Son concept est de fournir des services temps réel en mode paquet.

L'objectif principal durant la conception de la norme EDGE a été de minimiser son impact sur les spécifications de GSM. Les modifications majeures apportées au système GSM affectent principalement les couches physiques [GSM05.03] [GSM05.04] et RLC/MAC (Radio Link Control / Medium Access Control) [GSM04.60]. Les spécifications EDGE (Release 1999) incluent deux configurations de l'interface air : "EDGE Classic" et "EDGE Compact" :

o "EDGE Classic" a été conçu pour que les opérateurs GSM puissent déployer EDGE conjointement au réseau GSM dans la même bande de fréquence (900 ou 1800) en maximisant l'utilisation de la ressource spectrale.

o "EDGE Compact" a été conçu pour les pays ne possédant pas une infrastructure GSM et où la ressource spectrale est rare (Amérique du Nord). Il consiste en un système EDGE indépendant (seulement EGPRS peut être supporté) dans une bande spectrale de 0,6 MHz, toujours dans les bandes 900 ou 1800.


• Phase I:

• EGPRS (Enhanced GPRS) Non-real-time data

• ECSD (Enhanced CSD)

• Phase II:

• Real-time services over packet

• GSM based (TDMA)

•Enhanced physical layer

• 8-PSK and GMSK modulation Nine coding schemes (EGPRS)

• Incremental redundancy

• Enhanced RLC/MAC functionality

• EDGE Classic (2.4 MHz deployment)

• EDGE Compact (0.6 MHz deployment – North America)

• EDGE Phase I (release 1999)

• EDGE Phase II (release 2002)

EDGE

Services Technologies

StatusNetwork configuration

Figure 77 : EDGE : vue d'ensemble d'après [Molkdar02]

Seule la composante EGPRS de "EDGE Classic" (Figure 77) est étudiée ici. Les différences techniques entre EGPRS et GPRS sont d'abord brièvement décrites. Ensuite, une synthèse de leur impact sur les équipements et le réseau est effectuée afin d'établir les modifications à apporter au modèle d'évaluation pour la prise en compte de la composante EGPRS. Afin d'augmenter les débits, une nouvelle modulation a été introduite ainsi que neuf schémas de modulation et de codage notés MCS (Modulation Coding Scheme). Les MCS permettent de s'adapter à différentes conditions de propagation et d'interférence et sont une extension des différents CS présents en GPRS. Le MCS approprié est sélectionné par adaptation de lien en fonction de la qualité du lien radio. Deux nouvelles métriques ont été introduites pour mesurer la qualité du lien radio. Une nouvelle technique de retransmission, différente de l'ARQ en GPRS, a également été introduite. Cette méthode, appelée IR (Incremental Redundancy) fonctionne conjointement avec l'adaptation de lien selon un schéma hybride. Ces éléments sont introduits dans les sections suivantes.

5.2.2 Modulation

• Modulation 8PSK et récepteur La modulation 8PSK (8-level Phase Shift Keying) a été introduite conjointement à la modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) utilisée pour la transmission GSM et GPRS. En 8PSK, un symbole transporte 3 bits, le débit bit est donc théoriquement multiplié par un facteur 3 comparé à la modulation GMSK. Cependant, l'augmentation du nombre d'états et donc du nombre de transitions engendre, en comparaison avec GMSK, une augmentation du taux d'erreur par symbole au niveau du récepteur dans des conditions radio équivalentes. Par conséquent, malgré une augmentation du débit bit par 3, l'augmentation de débit effective est inférieure à 3 dans des conditions équivalentes car un codage plus robuste des données est nécessaire.


La conception du récepteur EGPRS est différente de celle du GSM principalement concernant l'estimation de la séquence de symboles émis. Pour le GSM, la modulation GMSK est utilisée et l'algorithme (ou égaliseur) de Viterbi est généralement utilisé pour l'estimation de la séquence de bits émis. Pour EGPRS, l'algorithme de Viterbi aurait une complexité rédhibitoire, car celle-ci augmente de manière exponentielle avec le nombre de bits dans un symbole. Par conséquent, un égaliseur sous optimal de moindre complexité tel que RSSE (Reduced-State Sequence Estimation), DDFSE (Delayed Decision-Feedback Sequence Estimation) ou M-algorithm est nécessaire pour EGPRS. Une étude théorique des performances de ces récepteurs pour EDGE est donnée par exemple dans [Gerstacker2002]. Le récepteur implémenté dépend du constructeur et les informations associées sont généralement difficiles d'accès. Les tables de correspondance C/I→8PSK_BER dépendent aussi du récepteur implémenté.

Correspondance entre BER et C/I pour les modulations GMSK et 8PSK

0%

10%

20%

30%

40%

50%

-10 0 10 20 30 40

C/I (en dB)

BER BER GMSK

BER 8PSK

Figure 78 : Comparaison des qualités de réception des modulations GMSK et 8PSK en fonction

du rapport C/I

L'évaluation de la distribution de probabilité du BER par le modèle probabiliste utilise des tables de performances C/I→BER. Du fait de l'introduction d'une nouvelle modulation 8PSK en plus de GMSK, le modèle doit pouvoir prendre en compte l'une ou l'autre des modulations selon le service analysé. Deux tables de performances C/I→8PSK_BER et C/I→GMSK_BER sont donc nécessaires. La figure 78 donne un exemple de table de qualité 8-PSK et la compare à GMSK.

• Impact sur la puissance de transmission, phénomène de Back-off La modulation 8PSK n'est pas à enveloppe constante. Cette modification d'enveloppe entraîne des contraintes sur la linéarité des amplificateurs des BS GSM et provoque généralement une réduction de la puissance émise en 8PSK. Cette réduction est typiquement entre 0 et 4dB par rapport au GMSK à enveloppe constante. Ce phénomène de réduction de puissance entre la modulation GMSK et 8PSK est appelé Back-off. La valeur du Back-off est dépendante de chaque constructeur. Le TRX compatible EDGE émet donc avec une réduction de puissance dépendante du matériel et impactant le réseau. En effet la puissance de transmission détermine la couverture du service EDGE et dans le cas de transmission sur le TRX portant le BCCH on observe une puissance de transmission moyenne plus faible sur la voie balise.


La modélisation de ce paramètre dans le modèle d'évaluation probabiliste impliquerait de le prendre en compte dans les calculs des TS interférant d'un même secteur brouilleur transmis avec des puissances différentes. Ils n'auraient donc pas un impact équivalent lors de la collision avec des bursts de service. Cet aspect n'est donc pas actuellement implémenté dans le modèle, mais il pourrait être intégré dans une réflexion plus générale sur la prise en compte de l'effet des mécanismes de contrôle de puissance sur la qualité de service. Pour pallier ce défaut, on peut évaluer la qualité dans les deux cas limites concernant les TRX configurés EDGE :

o Tous les TS sont en GMSK. o Tous les TS sont en 8PSK et le seuil de puissance appliqué dépend du TRX

constructeur.

5.2.3 Schémas de modulation et de codage MCS Neuf nouveaux schémas de modulation et de codage (MCS) ont été introduits pour s'adapter à différentes conditions de propagation et d'interférence. Chaque schéma de codage est caractérisé par un niveau de protection aux erreurs. Quatre schémas sont transmis en modulation GMSK (MCS1 à MCS4) et cinq en modulation 8PSK (MCS5 à MCS9). Ces schémas sont divisés en trois familles A, B, et C. Chaque famille est caractérisée par une unité de la charge utile. Au sein d'une même famille on peut passer d'un schéma à un autre par resegmentation de la transmission. On peut ainsi retransmettre un ensemble de blocs de données sur un schéma de codage plus protecteur. Les MCS d'une même famille sont distingués par le nombre d'unités de la charge utile qu'ils peuvent supporter (Figure 80). Les caractéristiques des MCS sont représentées dans la figure 79.

Scheme Modulation Maximum rate (kbit/s) Code rate Header code rate Blocks per 20 ms Family

MCS-9A 8-PSK 59.2 1 0.36 2 AMCS-8A 8-PSK 54.4 0.92 0.36 2 AMCS-7B 8-PSK 44.8 0.76 0.36 2 BMCS-6A 8-PSK 29.6 0.49 1/3 1 AMCS-5B 8-PSK 22.4 0.37 1/3 1 BMCS-4C GMSK 17.6 1 0.51 1 CMCS-3A GMSK 14.8 0.85 0.51 1 AMCS-3B GMSK 11.2 0.66 0.51 1 BMCS-1C GMSK 8.8 0.53 0.51 1 C

Figure 79 : Les schémas de codage EGPRS


37 octets 37 octets 37 octets37 octets

MCS-3

MCS-6 MCS-9 (MCS-8, 34 octets)

Family A

28 octets 28 octets 28 octets28 octets

MCS-2

MCS-5 MCS-7

Family B

22 octets 22 octets

MCS-1

MCS-4

Family C

Figure 80 : Groupement des MCS par familles

5.2.4 Construction d'un burst La structure du burst est identique à celle du GSM/GPRS. Seulement, si pour GSM/GPRS chaque symbole correspond à un bit, pour EGPRS chaque symbole correspond à 1 ou 3 bits selon le MCS sélectionné et donc la modulation utilisée.

LLC frame

segment segment segment

RLC dataheader tail

convolutional encoding (dictates code rate), puncturing and interleaving

burst 1 burst 2 burst 3 burst 4

transmission across the radio link

RLC block

LLC layer

RLC/MAC layer

Radio link layer

Figure 81 : Transformation d'une trame LLC en bursts TDMA

La figure 81 schématise la transformation d'une trame unité élémentaire de données EGPRS du réseau au niveau LLC (Logical Link Control) en bursts TDMA.

o Une trame LLC correspondant aux données à transmettre est divisée en blocs de données RLC de 20 ms. Le nombre de bits constituant un bloc RLC varie selon le schéma de codage qui est sélectionné par adaptation de lien en fonction de la qualité du lien radio.

o Les en-têtes RLC/MAC sont rajoutés aux données. o Le bloc RLC est transmis à la couche physique où les données et l'entête sont codés

séparément puis poinçonnés (seule une partie de l'information est conservée). Les schémas de codage sont basés sur un code mère 1/3 (1 information sur 3 est strictement nécessaire à la recomposition de l'information initiale) et le poinçonnage est effectué selon un des trois motifs P1, P2, P3.


o Par la suite, le bloc est structuré en deux ou quatre bursts selon le schéma de codage sélectionné. Pour les MCS7 à MCS9, le bloc RLC est entrelacé seulement sur deux bursts, alors que l'entête est entrelacé sur quatre bursts. Pour les autres MCS, les données et l'en-tête sont entrelacés sur quatre bursts.

5.2.5 Adaptation de lien

• Spécificités de la norme EGPRS Le passage d'un MCS à un autre se fait dynamiquement par adaptation de lien. Le but est de réutiliser les services proposés par le GPRS mais en augmentant le débit quand les conditions de réception le permettent ou l'inverse. L'adaptation de lien utilise des mesures de la qualité du lien radio. Ces mesures sont transmises au réseau par le mobile pour la voie descendante. Au moins une mesure est reçue toutes les 480 ms. Le standard introduit deux nouvelles métriques permettant de prédire la qualité du lien radio :

o MEAN_BEP (MEAN Bit Error Probability) : L'estimation de la probabilité d'erreur binaire moyenne. Le MEAN_BEP est moyenné sur les quatre bursts d'un bloc RLC.

o CV_BEP (Coefficient de Variation du Bit Error Probability) : Le coefficient de variation du BEP sur les quatre bursts.

La sélection du MCS approprié se fait en fonction de mesures GMSK (GMSK_MEAN_BEP, GMSK_CV_BEP) et/ou de mesures 8PSK (8PSK_MEAN_BEP, 8PSK_CV_BEP). Pour jouer sur la rapidité de l'adaptation, ces deux métriques sont filtrées dans le temps avec un filtre exponentiel dont la décroissance est fixée par un paramètre appelé facteur d'oubli. Plus ce facteur d'oubli est grand, plus l'adaptation est rapide. Il y a donc une rupture par rapport à l'adaptation de lien GPRS qui tend à faire converger la transmission vers un CS fixe.

• Mesures de la qualité du lien radio Les valeurs de MEAN_BEP et CV_BEP sont mesurées par le mobile ou bien la BS. Elles sont ensuite filtrées avant d'être transmises au PCU (Packet Control Unit) parmi les mesures de la qualité du lien radio. Les valeurs reportées ne sont pas les vraies valeurs mais des entiers allant de 0 à 31 pour MEAN_BEP et de 0 à 7 pour CV_BEP (0 correspond au meilleur niveau de BEP). La correspondance avec les vraies valeurs est issue de tables, elle est différente pour la modulation GMSK et 8PSK concernant MEAN_BEP.

• Configuration des tables d'adaptation de lien Un ensemble de tables d'adaptation de lien sont construites pour les modulations GMSK et 8PSK. Elles sont de dimension 32 par 8. L'algorithme d'adaptation de lien est basé sur l'utilisation de ces tables. L'algorithme utilise les indices du MEAN_BEP et du CV_BEP dans la table d'adaptation de lien appropriée pour trouver le MCS adapté aux conditions radio. Dans le sens DL, quatre tables peuvent être configurées :


o Table 8PSK DL. Cette table utilise des mesures 8PSK transmises par le mobile pour sélectionner le MCS approprié. Tous les MCS supportés peuvent être sélectionnés avec cette table.

o Table GMSK DL. Cette table utilise des mesures GMSK transmises par le mobile pour sélectionner le MCS approprié. Tous les MCS en GMSK peuvent être sélectionnés avec cette table et seul le MCS5 peut être sélectionné en 8PSK.

o Table 8PSK DL & GMSK seulement en sortie. Cette table utilise des mesures 8PSK transmises par le mobile pour sélectionner le MCS en GMSK approprié. Tous les MCS en GMSK peuvent être sélectionnés avec cette table.

o Table GMSK DL & GMSK seulement en sortie. Cette table utilise des mesures GMSK transmises par le mobile pour sélectionner le MCS en GMSK approprié. Tous les MCS en GMSK peuvent être sélectionnés avec cette table.

Les tables sont optimisées pour différents types d'environnements de propagation et peuvent être modifiées. Il est possible de définir un ensemble de tables, par exemple une table par type d'environnement car celles-ci sont configurables par secteur. L'opérateur a la possibilité de modifier ces tables.

• Sélection du MCS par adaptation de lien Le mobile transmet des mesures du MEAN_BEP et CV_BEP pour les modulations GMSK et/ou 8PSK, selon les blocs reçus depuis la transmission des dernières mesures au réseau. La modulation pouvant être différente d'un bloc à l'autre, on peut avoir quatre contenus de mesures différents de la qualité du lien au niveau PCU :

o Pas de MEAN_BEP, ni de CV_BEP, implique pas de modification du MCS commandé par l'adaptation de lien.

o MEAN_BEP et CV_BEP sont incluses pour GMSK, la table GMSK est alors utilisée pour la commande d'un MCS.

o MEAN_BEP et CV_BEP sont incluses pour 8PSK, la table 8PSK est alors utilisée pour la commande du MCS.

o Les deux mesures sont incluses pour GMSK et 8-PSK, les deux tables sont alors utilisées pour la commande d'un MCS : o Si les MCS reportés sont différents et correspondent à différentes modulations,

celui correspondant à la modulation en cours est sélectionné. o Si les MCS reportés sont différents et correspondent à la même modulation, le

MCS le plus élevé des deux est sélectionné, sauf lorsque GMSK_MEAN_BEP vaut 31 (plus mauvaise qualité), alors dans ce cas le MCS résultant de la table 8PSK est sélectionné.

5.2.6 Protocole de retransmission IR Le protocole IR (Incremental Redundancy) est un mécanisme de retransmission à une échelle de temps plus rapide que l'ARQ ne demandant pas de changement de MCS de la part du système. Pour chaque MCS, il existe trois motifs de poinçonnage P1, P2, P3. A la première transmission d'un bloc de données RLC, le motif de poinçonnage P1 est utilisé. Le récepteur essaye de décoder le bloc reçu. Si le bloc n'a pas pu être décodé sans erreur, celui-ci est stocké en mémoire pour un usage futur et l'émetteur retransmet le même bloc avec le poinçonnage P2. Le récepteur peut alors combiner les motifs P1 (stockés après la première transmission) et P2 pour tenter de décoder le bloc et ainsi de suite (Figure 82).


Data Block

MCS fixéP1 P2 P3

P1 P2 P3

P1

P1

P1

P2

P2 P3

1ère transmission 1ère retransmission 2ème retransmission

Niveau de protection *1

Echec décodage

Echec décodage

Combinaison: Niveau de protection *2

Combinaison: Niveau de protection *3

Emetteur

Récepteur

Stocké

Stocké Stocké

Figure 82 : Le protocole de retransmission IR

Si après la deuxième retransmission avec le motif P3 le bloc de données n'a pas pu être décodé sans erreur malgré la combinaison de P1, P2 et P3 par le récepteur, le bloc est alors retransmis en motif P1. Le récepteur peut alors, s'il dispose d'assez de mémoire, combiner celui-ci avec les versions (P1, P2 et P3) précédemment stockées. On peut noter que pour avoir trois motifs de poinçonnage disjoints, les schémas de codage sont basés sur un code mère 1/3. Il est possible de changer de MCS pendant une retransmission, avec pour restriction que le nouveau MCS appartienne à la famille donnée par le MCS de la première transmission. Pour faciliter le mécanisme de retransmission IR, l'en-tête et les données sont codés indépendamment. L'en-tête doit avoir une meilleure protection aux erreurs. En effet, la combinaison des blocs retransmis par le processus IR pour le décodage nécessite un décodage sans erreur de l'en-tête.

5.2.7 Partage des ressources et multiplexage Le multiplexage de mobiles EGPRS/GPRS se fait par un algorithme d'allocation dynamique des ressources. Il n'y a pas de TS dédiés EGPRS ou GPRS. Le multiplexage est possible sur tous les TS des TRX ayant la capacité de transmission EDGE. La capacité multislots des mobiles impacte le nombre de TS partagés entre les mobiles EGPRS et GPRS. Il y a différentes contraintes de multiplexage sur les liens descendant et montant.

• Activation de EDGE sur un secteur Un paramètre "EGPRS-Services" permet d'activer EDGE sur un secteur donné. S'il n'y a aucun TRX EDGE sur le secteur, tous les mobiles EDGE sont servis en mode GPRS. Lorsque "EGPRS-Services" est désactivé, tous les mobiles basculent en mode GPRS.


• Configuration des trames TDMA Certains TRX "NORMAL TDMA" ou "NO EDGE" ne sont pas configurés pour EDGE. Les "EDGE TDMA" ou "FULL EDGE" peuvent supporter les deux modulations. Ceux-ci nécessitent un TRX EDGE. Un paramètre par TDMA "Edge Favor" donne le débit relatif pouvant être atteint avec EDGE sur ce TRX.

• Principes de multiplexage Cette section décrit un exemple de principes proposés pour le multiplexage EGPRS/GPRS. o A un mobile est affectée la combinaison TDMA/TS offrant le maximum de débit. La

sélection du TDMA dépend du type de TDMA, et, pour les TDMA "FULL EDGE", de la valeur du paramètre "Edge Favor". Les mobiles EDGE devraient d'abord être affectés aux TDMA "FULL EDGE", et les mobiles GPRS aux TDMA "NO EDGE". Cependant, un mobile EDGE peut être affecté à un TDMA "NO EDGE" si une des classes de capacité multislots du mobile le permet et si l'offre de débit sur ce TDMA est supérieure à celle d'un TDMA "FULL EDGE".

o Un mobile GPRS peut toujours basculer d'un TDMA "NO EDGE" à un TDMA "FULL

EDGE" pour optimiser la ressource spectrale. Un mobile EGPRS en mode EGPRS ne peut basculer sur un TDMA "NO EDGE". Un mobile EGPRS en mode GPRS peut basculer sur un TDMA "FULL EDGE" et ensuite rebasculer sur un TDMA "NO EDGE".

o Un mobile EDGE peut être alloué en mode GPRS par manque de ressources. o Un paramètre a été introduit dans l'algorithme d'allocation des ressources EGPRS/GPRS

pour limiter ou interdire le multiplexage EGPRS/GPRS : "EDGEMixity". Il représente le pourcentage d'offre des ressources EGPRS aux mobiles GPRS. Si EDGEMixity = 0%, pas de multiplexage. Si EDGEMixity = 100%, aucune contrainte concernant le multiplexage.

o Contrainte de multiplexage EGPRS/GPRS sur la modulation : Soit l'USF (Uplink Status

Flag) un indicateur présent dans les blocs DL qui alloue le bloc UL suivant à un mobile particulier. Si l'USF d'un bloc RLC/MAC est destiné à un mobile GPRS alors que les données de ce bloc sont destinées à un mobile EGPRS, alors la modulation GMSK doit être utilisée pour ce bloc RLC/MAC même si les ressources et le lien radio permettent un plus haut débit en 8PSK. Ceci est dû au fait que le mobile GPRS est capable de détecter l'USF dans un bloc en GMSK et pas en 8PSK. Par conséquent, le débit DL d'un mobile EGPRS est réduit lorsque ce mobile est multiplexé avec le mobile GPRS en UL sur les mêmes TS.

5.2.8 Conséquences pour le modèle probabiliste Les modifications introduites par EDGE affectant le réseau GSM ne remettent pas en cause le principe général d'évaluation par le modèle probabiliste. Néanmoins, quelques adaptations sont nécessaires.

• Evaluation des charges brouilleuses et brouillées sur les TRX d'un secteur L'évaluation de la charge de la brouilleuse par le simulateur doit tenir compte des deux modes : GSM/GPRS et EDGE/EGPRS. Le simulateur utilisé pour la répartition de trafic doit effectuer une répartition du trafic par type de TRX :


o TRX Normal : TRX ne supportant pas EDGE o TRX EDGE : TRX compatible EDGE

On notera que la coexistence des deux types de TRX est incompatible avec le saut de fréquences en Bande de Base. En effet, une communication émise en 8PSK ne peut pas sauter sur un TRX n'étant pas compatible EDGE. La répartition du trafic sur les TS correspondant au même type de TRX est effectuée selon le fonctionnement décrit au paragraphe 5.2.7. La donnée des quantités de trafic voix/données écoulées par type de TRX est nécessaire en entrée du simulateur. Idéalement, ces quantités sont obtenues à partir de mesures effectuées sur le réseau. En pratique, ces charges sont estimées par l'opérateur.

• Evaluation de la probabilité de BER L'évaluation de la distribution de probabilité du BER par le modèle utilise les tables de performances C/I→BER. Du fait de l'introduction d'une nouvelle modulation 8PSK en plus de GMSK, le modèle doit prendre en compte les deux modulations. Les deux tables de performances C/I→8PSK_BER et C/I→GMSK_BER sont nécessaires pour évaluer les distributions de probabilité du 8PSK_BER et du GMSK_BER. Des tables de performances spécifiques à chaque constructeur sont utilisées par le modèle. Le phénomène de back-off présent chez la plupart des constructeurs implique une variation du C/I en chaque maille dépendant du TRX constructeur et n'est pas représenté dans le modèle. La modélisation de ce paramètre impliquerait de prendre en compte dans les calculs des TS interférant d'un même secteur brouilleur mais transmis avec des puissances différentes. Ces TS n'auraient donc pas un impact équivalent lors de la collision avec des bursts de service. Cet aspect n'est donc pas actuellement pris en compte dans le modèle et nécessite une réflexion plus générale sur la prise en compte des mécanismes de contrôle de puissance. Pour pallier ce défaut, on peut évaluer la qualité dans les deux cas limites concernant les TRX configurés EDGE :

o Tous les TS sont en GMSK. o Tous les TS sont en 8PSK et le seuil de puissance appliqué dépend alors du TRX

constructeur.

• Evaluation de la qualité de service La complexité de l'hybridation entre les mécanismes d'adaptation de lien et d'IR, et la dépendance de ces mécanismes avec des implémentations constructeur rendent difficile leur intégration algorithmique dans le modèle d'évaluation de la qualité. L'approche retenue a été l'utilisation de tables de performances directement fournies par les constructeurs ou obtenues par simulation. Ces tables permettent de définir le débit EDGE nominal par TS obtenu par adaptation de lien et IR directement en fonction du niveau de BER calculé par le modèle probabiliste. Ces tables de performances sont souvent fournies en supposant une adaptation de lien et une utilisation de l'IR de manière idéale. Elles permettent cependant de comparer différentes ingénieries à hypothèses égales et de donner une idée du débit pouvant être atteint moyennant une calibration.


Les figures 86 et 87 représentent respectivement des évaluations de la probabilité d'obtenir un débit EDGE nominal supérieur ou égal à 45 et 55 kBits/s. Ces résultats ont été obtenus sur un réseau de 70 secteurs en situation de Saut Synthétisé plan classique. Le dégradé de couleur affiché sur les cartes est dépendant du niveau de probabilité associé au débit. Plus la probabilité d'avoir un débit supérieur à la valeur d'analyse est forte, plus on se rapproche de la couleur verte. On distingue une légende à 5 niveaux :

o 0% ≤ Probabilité < 1% : Noir o 1% ≤ Probabilité < 10% : Rouge o 10% ≤ Probabilité < 50% : Orange o 50% ≤ Probabilité < 90% : Jaune o 90% ≤ Probabilité <= 100% : Vert

Figure 83 : Carte de probabilité de service au delà de 45 kBits/s

Figure 84 : Carte de probabilité de service au delà de 55 kBits/s

Les résultats obtenus pour l'évaluation du service EDGE sont actuellement en cours de validation expérimentale. Les premiers retours liés à cette validation montrent des résultats cohérents avec les débits mesurés par des utilisateurs sur les réseaux en termes de localisation des zones à faibles débits.


En valeurs absolues, les débits calculés par le modèle sont toutefois optimistes par rapport à la réalité. Ce phénomène peut s'expliquer par l'utilisation de tables de qualité "idéales", par la non-prise en compte du Back-off ou encore des phénomènes liés aux autres couches du réseau. La qualité de la prévision pourra sans doute être améliorée par l'ajustement des tables de passage du BER au débit. Ces phénomènes montrent cependant les limites de la modélisation proposée dans cette thèse pour la prise en compte de services de données complexes par rapport à la qualité du modèle pour l'évaluation de l'interférence. L'analyse de la qualité de service avec ce modèle ne peut donc se faire aisément que lorsque celle-ci est directement liée à l'interférence comme le montrent les résultats du chapitre 4.


5.3 Conclusion Ce chapitre présente les adaptations apportées au modèle probabiliste d'évaluation de la qualité pour que celui-ci puisse prendre en considération des services de données. Ces évolutions, peu importantes pour les services GPRS, demandent de faire de nombreuses hypothèses simplificatrices pour les services EDGE. Si les composantes de calcul de probabilité de collision et de probabilité d'effacement de bits restent quasiment inchangées, les modifications interviennent en amont et en aval de ces composantes. Le premier point de modification concerne l'utilisation d'un simulateur de trafic afin de déterminer la charge de chaque type de TRX de chaque secteur en fonction des priorités d'allocation de ressources et des configurations matérielles permettant la transmission de données GPRS et EDGE. Le deuxième point est spécifique aux services EDGE et consiste à prendre en compte la modulation au moment de la détermination du taux de bits impactés par une collision de time-slot. La modulation a un impact sur la capacité du récepteur à supporter l'interférence, et des tables différentes de correspondance C/I -> BER doivent donc être utilisées lors de l'analyse des services EDGE émis en 8PSK, et lors de l'analyse des services GSM et GPRS. Le dernier point concerne la transformation de la distribution de probabilité d'effacement de bits issue du modèle en un indicateur de qualité pertinent pour le service étudié. Les mécanismes permettant d'aboutir à un tel indicateur sont assez proches entre GSM et GPRS. Pour les services EDGE, les mécanismes pour passer de l'un à l'autre sont complexes, souvent gardés confidentiels par les constructeurs et dépendant de couches du réseau supérieures à l'interface radio. Pour cette raison, des tables de qualité directement fournies par les constructeurs sont utilisées pour calculer un débit à partir de la distribution de probabilité d'effacement de bits.

Conclusion 137

Conclusion Cette thèse présente un nouveau modèle d'évaluation de la qualité pour des services voix et données dans les réseaux FTDMA (Frequency Time Division Multiple Access) utilisant un saut de fréquences lent. La mise en place du mécanisme de saut de fréquences pour augmenter l'efficacité spectrale d'un système FTDMA ne permet plus de faire un lien simple entre la réutilisation de fréquences et l'impact de l'interférence sur la qualité de service. En effet, le saut de fréquences a un effet majeur sur la qualité de la porteuse et sur la qualité de service à travers les gains en diversité de fréquences et en diversité d'interférences. L'objectif du modèle d'évaluation proposé dans cette thèse est de permettre l'analyse de l'impact du saut de fréquences sur la qualité de service dans un contexte réaliste de propagation des ondes, sur des réseaux de plusieurs centaines de secteurs, et avec des temps de calcul acceptables pour effectuer des études d'ingénierie du spectre. Ce modèle est basé sur un processus complet d'évaluation de l'interférence dans un mode maillé pour les réseaux FTDMA. Il repose sur :

o L'utilisation de modèles de propagation semi-empiriques. o Un calcul de probabilité de prise de service pour chaque secteur en chaque point du

réseau prenant en compte les critères de service radio et les phénomènes de HO (Handover ou transfert cellulaire automatisé).

o Une comparaison de l'interférence subie par un mobile servi par chaque secteur par rapport à un seuil d'interférence nécessaire à la bonne réception d'un service.

o Une méthode d'agrégation de ces résultats pour un ensemble de secteurs et un ensemble de mailles afin d'obtenir des statistiques de surface et de trafic brouillés globalement sur le réseau analysé.

L'obtention des probabilités de prise de service est axée sur une analyse des mécanismes de mesure et de remontée de critère de qualité du lien radio au niveau du mobile. Deux critères principaux sont retenus comme contribuant majoritairement à la liaison du mobile avec la station de base lui offrant le meilleur service, et donc au transfert intercellulaire en cas de mobilité. Ce sont les critères de puissance (critère absolu) et de liaison (critère relatif). Le calcul de probabilités de prise de service sur ces deux critères permet donc de prendre en compte de manière statistique les phénomènes de HO dans le calcul du trafic du réseau impacté globalement par l'interférence. La structuration de l'interférence en situation de saut de fréquences est ensuite analysée. Un modèle analytique permettant le calcul de la distribution de probabilités de collisions entre bursts de communication est proposé. Ce modèle se construit en deux étapes. Un premier modèle est basé sur un calcul de probabilité d'apparition de bursts d'un secteur brouilleur sur un canal de fréquences. Cette probabilité permet de mettre en évidence les aspects liés à la discontinuité du trafic et de l'interférence générée par le trafic sur un canal de fréquences fixe en situation de saut de fréquences. Ce premier modèle peut être vu comme un modèle d'interférence si l'on se place dans une hypothèse de destruction complète de l'information d'un burst de service lors de la collision avec un burst brouilleur. La deuxième étape de modélisation conduit à un deuxième modèle, basé sur le précédent, qui a pour objectif de lever cette hypothèse de conséquence binaire à la collision de deux bursts. Ce modèle général calcule la distribution de probabilité du taux d'effacement de bits sur un ensemble de trames de service. Il permet de prendre en compte des secteurs brouilleurs de puissances différentes intervenant sur le service. Ce modèle, bien qu'essentiellement analytique, fait appel à des tables de correspondance issues de la simulation.

Conclusion 138

L'application du modèle d'évaluation de distribution de probabilités du taux d'erreur binaire à l'évaluation de la qualité d'un service voix en GSM (Global System for Mobile communications) est ensuite reprise et validée sur un ensemble de points de mesures. La métrique calculée par le modèle et mesurée sur les parcours de mesures est le FER (Frame Erasure Rate). Cette validation montre la précision du modèle de FER, en situation de secteur serveur unique, lorsque les modèles de propagation sont suffisamment proches de la réalité ou que la propagation des ondes à partir de l'ensemble des secteurs présente un biais équivalent. Cette campagne de validation n'a pu être effectuée que sur un réseau en ingénierie en Bande de Base. La capacité du modèle à comparer des ingénieries jouant sur l'équilibre entre séparation des fréquences (Bande de Base) et étalement de la charge sur le spectre (Motifs en Saut Synthétisé) n'a pas pu être validée lors de cette campagne. Une deuxième validation est donc effectuée. Cette validation permet à la fois de vérifier la capacité du modèle à comparer des ingénieries et la validité de l'approche d'évaluation globale du réseau. Tout d'abord une étude de comparaison de différentes stratégies d'ingénierie d'allocation des fréquences est effectuée. Cette comparaison montre la souplesse du modèle à s'adapter à des configurations de réseau différentes tout en restant cohérent avec les phénomènes structurant l'interférence : recouvrement des champs, qualité du plan de fréquences, tailles des MAL et taux de charge. Ces résultats d'études sont ensuite validés par une expérimentation sur un réseau de 140 secteurs. Cette expérimentation montre l'utilité du modèle dans l'aide à la décision pour l'allocation des ressources fréquentielles sur un réseau. Elle montre également le lien fort qui existe entre un critère radio lié à l'interférence, tel le FER, et des indicateurs remontés du réseau, tels que le taux de coupure ou les HO sur qualité. Enfin, la comparaison en valeur absolue des résultats de prévision de trafic brouillé avec des mesures de qualité de service ressentie par l'utilisateur montre la pertinence, à une échelle macroscopique, des méthodes d'agrégation de l'interférence par probabilité de prise de service. Les résultats de ces expérimentations ont été suivis du déploiement opérationnel par Orange d'un module d'évaluation basé sur le modèle de FER présenté dans cette thèse. Ce modèle est donc utilisé depuis 2003 par Orange pour évaluer la qualité de ses réseaux GSM et choisir ses stratégies d'allocation des fréquences avec et sans saut de fréquences. La dernière partie de cette thèse présente les adaptations apportées au modèle probabiliste d'évaluation de l'interférence pour que celui-ci puisse évaluer la qualité de services de données. Ces évolutions, peu importantes pour les services GPRS (General Packet Radio Service), demandent à faire de nombreuses hypothèses simplificatrices pour les services EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Peu de changements interviennent sur les composantes de calculs de probabilité de collision de bursts et de probabilité d'effacement de bits, hormis pour prendre en compte l'impact sur la probabilité d'effacement de bits de la nouvelle modulation introduite dans EDGE. Une modification majeure concerne la mise en place d'un simulateur de trafic afin de déterminer la charge de chaque type de TRX (Transceiver) de chaque secteur en fonction des priorités d'allocation de ressources et des configurations matérielles permettant la transmission de données GPRS et EDGE. La deuxième modification principale concerne la transformation de la distribution de probabilité de taux d'erreur binaire issue du modèle, en un indicateur de qualité pertinent pour le service étudié. Les mécanismes permettant d'aboutir à un tel indicateur sont assez proches entre GSM et GPRS.

Conclusion 139

Pour les services EDGE, les mécanismes à mettre en place sont complexes, souvent gardés confidentiels par les constructeurs, et dépendant de couches réseau autres que l'accès radio. Pour cette raison, des tables de qualité directement fournies par les constructeurs sont utilisées pour calculer un débit à partir de la distribution de probabilité d'effacement de bits. Les débits calculés par le modèle sont toutefois optimistes par rapport à la réalité. Ce résultat peut s'expliquer d’une part par l'utilisation de tables de qualité "idéales", et d’autre part parce que le Back-off et les phénomènes liés aux autres couches du réseau ne sont pas pris en compte. Ces résultats sur EDGE montrent les limites de la modélisation proposée dans cette thèse pour la prise en compte de services de données complexes par rapport à la qualité du modèle pour l'évaluation de l'interférence. L'analyse de la qualité de service avec ce modèle ne peut donc se faire aisément que lorsque celle-ci est directement liée à l'interférence sur la couche radio comme l’illustre la fiabilité des résultats pour la voix. Malgré ces limites, le modèle d'évaluation de la qualité des services de données a été utilisé par Orange au cours de l'année 2005 afin d'élaborer sa stratégie d'allocation de fréquences pour l'ouverture commerciale du réseau EDGE. L'industrialisation de ces méthodes d'évaluation des services de données dans les services opérationnels est prévue en 2006 en complément des méthodes d'évaluation du service voix actuellement utilisées. Au cours de l'année 2006, un module d'évaluation de la qualité basé sur le modèle présenté dans cette thèse devrait également être commercialisé sur le marché international au sein d’un logiciel d'allocation de fréquences. Les évolutions étudiées actuellement et liées à la modélisation proposée consistent en la prise en compte des mécanismes de contrôle de puissance sur le lien descendant. Ces mécanismes impactent l'hypothèse de transmission de l'ensemble des TS d'une même brouilleuse à la même puissance et changent donc l'approche probabiliste liée à l'évaluation des collisions. Le modèle ne peut pas être adapté de manière triviale en dupliquant les secteurs brouilleurs car la répartition du trafic sur les dupliquas ne peut pas être considérée comme aléatoire. Une autre direction d'études est liée à l'adaptation de ce modèle pour d'autres systèmes FTDMA tels que IS-136, AMPS ou iDEN. La généricité de l'approche par calcul de collisions devrait permettre une adaptation relativement aisée à ces systèmes. L'adaptation de ce modèle au découpage temps / fréquences des systèmes OFDMA est également étudiée. Cependant la granularité temporelle très fine de ce système risque de rendre inutile une analyse du type de celle proposée dans cette thèse qui est essentiellement axée sur l'analyse des phénomènes non aléatoires dans les collisions entre TS d'information.

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Modélisation du saut de fréquences des systèmes FTDMA pour l'évaluation de la Qualité

de Service en GSM/GPRS/EDGE et le choix d'ingénieries de fréquences

Résumé Cette thèse présente un nouveau modèle d'évaluation de la qualité pour des services voix et données dans les réseaux FTDMA utilisant un saut de fréquences lent. Ce modèle est basé sur un processus complet d'évaluation de l'interférence dans un mode maillé pour les réseaux FTDMA. Ce modèle se construit en deux étapes. La première permet le calcul d'une probabilité d'apparition de bursts d'un secteur brouilleur sur un canal de fréquences. La deuxième étape permet le calcul de la distribution de probabilité du taux d'effacement de bits sur un ensemble de trames de service. Il permet de prendre en compte des secteurs brouilleurs de puissances différentes intervenant sur le service. L'application du modèle d'évaluation à l'évaluation de la qualité d'un service voix en GSM est validée sur un ensemble de points de mesures. Une étude de comparaison de différentes stratégies d'ingénierie d'allocation des fréquences est ensuite effectuée et validée par une expérimentation à l'échelle d'un réseau réel. Cette expérimentation montre le lien fort qui existe entre un critère radio lié à l'interférence, tel le FER, et des indicateurs remontés du réseau, tels que le taux de coupure ou les HO sur qualité. Enfin, les adaptations à apporter au modèle pour que celui-ci puisse évaluer la qualité de services de données sont discutées. Ces évolutions, peu importantes pour les services GPRS demandent à faire de nombreuses hypothèses simplificatrices pour les services EDGE. Mots clefs : FTDMA, saut de fréquences, modélisation de performances, qualité de service, diversité de fréquences, diversité d'interférences, GSM, GPRS, EDGE

Frequency hopping modeling in FTDMA systems for Quality of Service evaluation of GSM/GPRS/EDGE and frequency hopping engineering

Abstract

This PhD proposes a new model for voice and data quality of service evaluation in frequency hopping FTDMA networks. This model relies on a complete process providing interference evaluation at a bin level on FTDMA networks. It is build up into two steps. First step consists in computing a collision probability issued by an interfering sector on a frequency channel. Second step consist in computing probability distribution of bit erasure rate on a set of service frames. It takes into account interfering sectors with different powers impacting service quality. This model is applied to evaluation of voice quality of service for GSM technology. This application is validated on drive tests. A study comparing different frequency assignment strategies is driven and validated on field on real network. This experiment shows the strong link existing between an interference radio criterion such as FER and quality indicators directly retrieved from the network such as dropped calls and quality based handover. Finally, adaptations to take into account data services are discussed. These adaptations are limited for GPRS services but require many strong hypotheses for EDGE services. Keywords: FTDMA, Frequency Hopping, performance modeling, quality of service, frequency diversity, interference diversity, GSM, GPRS, EDGE

Thèse en Informatique du laboratoire Systèmes Et Transports (SET), Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, 90010 Belfort Cedex

modélisation du saut de fréquences des systèmes ftdma pour

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