Memoire Online - Installation et maintenance d'une BTS

Le réseau UMTS vient se combiner aux réseaux déjà existants. Les réseaux existant GSM et GPRS apportent des fonctionnalités respectives de Voix et de Data ; le réseau UMTS apporte ensuite les fonctionnalités Multimédia. Il est important de noter deux éléments : · Le coût élevé de la mise en place d'un système UMTS (achat licence + modification majeures sinon totales des éléments de base du réseau (station / antenne) répartis de manière massive sur un territoire national). · La difficulté à définir avec précision l'architecture d'un futur réseau UMTS dans la mesure où le 3GPP et l'UMTS Forum travaillent encore aujourd'hui à la définition des normes et des spécifications techniques. La mise en place d'un réseau UMTS va permettre à un opérateur de compléter son offre existante par l'apport de nouveaux services en mode paquet complétant ainsi les réseaux GSM et GPRS.

Le réseau UMTS est complémentaire aux réseaux GSM et GPRS. Le réseau GSM couvre les fonctionnalités nécessaires aux services de type Voix en un mode circuit, le réseau GFPRS apporte les premières fonctionnalités à la mise en place de services de type Data en mode paquets, et l'UMTS vient compléter ces deux réseaux par une offre de services Voix et Data complémentaires sur un mode paquet. C'est ainsi une extension du GPRS et fonctionne également en mode paquet. La vitesse de transmission offerte par les réseaux UMTS atteint 2 Mb/s. L'infrastructure UMTS permet l'élargissement des fréquences ainsi que la modification du codage des données. Mais les investissements en architecture réseau sont conséquents puisque le mode de communication entre les terminaux 3G et les BTS (appelé Node B) est différent. Les modifications matérielles sont très importantes.

Après le GSM le réseau GPRS constituait finalement une étape vers le réseau UMTS. Sur le plan technique, les architectures des trois réseaux GSM, GPRS et UMTS sont complémentaires et interconnectées afin d'optimiser la qualité de service rendue à l'abonné.

Chaque norme de communication radio mobile possède une architecture décrivant ces constituants matériels et immatériels, et un mode de fonctionnement décrivant comment ces éléments s'interagissent pour établir, maintenir et libérer une communication. Toutefois parmi ces normes certaines ont une architecture et un fonctionnent fondamentalement unique : tel est le cas du GSM, GPRS, EDGE, et UMTS, dont l'architecture et le fonctionnement découle d'une même base regroupée sous la notion de couverture cellulaire.

La notion de couverture cellulaire s'applique à ces différentes technologies et permet de repartie et de mieux distribuer le signal et le débit en fonction des cellules.

Les réseaux de première génération possédaient des cellules de grande taille (50 [km] de rayon) au centre desquelles se situait une station de base (antenne d'émission). Au tout début, ce système allouait une bande de fréquences de manière statique à chaque utilisateur qui se trouvait dans la cellule qu'il en ait besoin ou non. Ce système ne permettait donc de fournir un service qu'à un nombre d'utilisateurs égal au nombre de bandes de fréquences disponibles. La première amélioration consista à allouer un canal à un utilisateur uniquement à partir du moment où celui-ci en avait besoin permettant ainsi d'augmenter « statistiquement » le nombre d'abonnés, étant entendu que tout le monde ne téléphone pas en même temps. Mais ce système nécessitait toujours des stations mobiles de puissance d'émission importante (8 [W]) et donc des appareils mobiles de taille et de poids conséquents. De plus, afin d'éviter les interférences, deux cellules adjacentes ne peuvent pas utiliser les mêmes fréquences. Cette organisation du réseau utilise donc le spectre fréquentiel d'une manière sous optimale. C'est pour résoudre ces différents problèmes qu'est apparu le concept de cellule. Le principe de ce système est de diviser le territoire en de petites zones, appelées cellules, et de partager les fréquences radio entre celles-ci. Ainsi, chaque cellule est constituée d'une station de base (reliée au Réseau Téléphonique Commuté, RTC) à laquelle on associe un certain nombre de canaux de fréquences à bande étroite, sommairement nommées fréquences. Comme précédemment, ces fréquences ne peuvent pas être utilisées dans les cellules adjacentes afin d'éviter les interférences. Ainsi, on définit des motifs, aussi appelés clusters, constitués de plusieurs cellules, dans lesquels chaque fréquence est utilisée une seule fois. La figure 1 montre un tel motif, en guise d'exemple.

FIG. 1. Figure représentant un motif élémentaire (à gauche) et un ensemble de motifs dans un réseau (à droite).

Graphiquement, on représente une cellule par un hexagone car cette forme approche celle d'un cercle. Cependant, en fonction de la nature du terrain et des constructions, les cellules n'ont pas une forme circulaire. De plus, afin de permettre à un utilisateur passant d'une cellule à une autre de garder sa communication, il est nécessaire que les zones de couverture se recouvrent de 10 à 15%, ce qui renforce la contrainte de ne pas avoir une même bande de fréquences dans deux cellules voisines.

Pour éviter les interférences à plus grande distance entre cellules utilisant les mêmes fréquences, il est également possible d'asservir la puissance d'émission de la station de base en fonction de la distance qui la sépare de l'utilisateur. Le même processus du contrôle de la puissance d'émission est également appliqué en sens inverse. En effet, pour diminuer la consommation d'énergie des mobiles et ainsi augmenter leur autonomie, leur puissance d'émission est calculée en fonction de leur distance à la station de base. Grâce à des mesures permanentes entre un téléphone mobile et une station de base, les puissances d'émission sont régulées en permanence pour garantir une qualité adéquate pour une puissance minimale.

· par sa puissance d'émission nominale .ce qui se traduit par une zone de couverture à l'intérieur de laquelle le niveau du champ électrique est supérieur à un seuil déterminé.,

Il faut noter que la taille des cellules n'est pas la même sur tout le territoire. En effet, celle-ci dépend :

· de la configuration du terrain (relief géographique, présence d'immeubles, . . .),

· de la nature des constructions (maisons, buildings, immeubles en béton, . . .) et

· de la localisation (rurale, suburbaine ou urbaine) et donc de la densité des constructions.

Ainsi, dans une zone rurale où le nombre d'abonnés est faible et le terrain relativement plat, les cellules seront plus grandes qu'en ville où le nombre d'utilisateurs est très important sur une petite zone et où l'atténuation due aux bâtiments est forte. Un opérateur devra donc tenir compte des contraintes du relief topographique et des contraintes urbanistiques pour dimensionner les cellules de son réseau. On distingue pour cela quatre services principaux :

1. Le service « OutDoor » qui indique les conditions nécessaires pour le bon déroulement d'une communication en extérieur.

2. Le service « In car » qui tient compte des utilisateurs se trouvant dans une voiture. On ajoute typiquement une marge supplémentaire de 6 décibels Watt, notée 6 [dB], dans le bilan de puissance pour en tenir compte.

3. Le service « Indoor » qui permet le bon déroulement des communications à l'intérieur des bâtiments. Cette catégorie de service se subdivise à son tour en deux :

(a) le « Soft Indoor » lorsque l'utilisateur se trouve juste derrière la façade d'un bâtiment et

Typiquement, on considère que, lors de l'établissement du bilan de puissance, c'est-à-dire de l'analyse du rapport de la puissance émise à la puissance reçue au droit du récepteur, il faut tenir compte de 10 [dB] d'atténuation supplémentaire pour le Soft Indoor et de 20 [dB] pour Deep Indoor à 900 [MHz]. Quand on sait que 10 [dB] représentent un facteur de 10 en puissance, on comprend qu'il est crucial pour un opérateur de dimensionner au mieux son réseau, quitte à effectuer des mesures sur le terrain. Par rapport au système de première génération, les cellules étant de taille plus petite, la puissance d'émission est plus faible et le nombre d'utilisateurs peut être augmenté pour une même zone géographique. C'est grâce au principe de ré- utilisation des fréquences qu'un opérateur peut augmenter la capacité de son réseau. En effet, il lui suffit de découper une cellule en plusieurs cellules plus petites et de gérer son plan de fréquences pour éviter toute interférence. Il y a ainsi toute une nomenclature spécifique pour classer les cellules en fonction de leur taille (macro, micro, pico, etc.).

Étant donné que, dans un réseau, une même fréquence est réutilisée plusieurs fois, il est nécessaire d'évaluer la distance minimum qui doit séparer deux cellules utilisant la même fréquence pour qu'aucun phénomène perturbateur n'intervienne. En calculant le rapport entre la puissance de la porteuse et celle du bruit, il est possible d'estimer cette distance.

Pratiquement, dans une cellule, un mobile reçoit à la fois le message utile (dont la puissance vaut C) qui lui est destiné et un certain nombre de signaux perturbateurs. La connaissance du rapport entre ces puissances, nous permettra de connaître la qualité de la communication. Pour commencer, il est nécessaire d'identifier les différents signaux perturbateurs. On peut les subdiviser en deux classes :

1. Les interférences de puissance totale I qui sont dues aux signaux émis par les autres stations. On peut distinguer :

(a) Les interférences co-canal qui sont dues aux signaux émis par les autres stations de base utilisant la même fréquence.

(b) Les interférences de canaux adjacents dues aux signaux émis par les stations de base utilisant des fréquences voisines.

2. Le bruit, de puissance N, provenant principalement du bruit de fond du récepteur.

Dès lors, c'est le rapport C/N + I (1) qui permet d'évaluer la qualité de la communication ainsi que la distance de réutilisation des fréquences.

1. Le sous-système radio contenant la station mobile, la station de base et son contrôleur.

Les éléments de l'architecture d'un réseau GSM sont repris sur le schéma de la figure 2.

	GSM	DCS-1800
Bande de fréquence (/) Bande de fréquence (\)	890.2-915Mhz 935.2-960 Mhz	1710-1785 Mhz 1805-1880 Mhz
Nombre d'intervalle de temps par trames TDMA	8	8
Débit total par canal	271kbps	271kbps
Débit max de donnée	13kbps	13kbps
Débit de la parole	12kbps	12kbps
Technique de multiplexage	Multiplexage fréquentielle et temporelle	Multiplexage fréquentielle et temporelle
Puissance des terminaux	2-8w	0.25-1w
Sensibilité des terminaux	-102db
Sensibilité de la station de base	-104db
Rayon de la cellule	0.3-30km	0.1-4km

Encore appelé réseau d'accès, sa fonction principale est la gestion de l'attribution des ressources radio, indépendamment des abonnés, de leur identité ou de leur communication. On distingue dans le BSS :

La station mobile (MS) est composée d'une part du terminal mobile, et d'autre part du module d'identification de l'abonné SIM (Subscriber Identification Module). Chaque terminal mobile est identifié par un code unique IMEI. Ce code est vérifié à chaque utilisation et permet la détection et l'interdiction de terminaux volés.

Le SIM est une carte à puces qui contient dans sa mémoire le code IMSI qui identifie l'abonné de même que les renseignements relatifs à l'abonnement (services auxquels l'abonné à droit). Cette carte peut être utilisée sur plusieurs appareils. Il est à noter que l'usager ne connaît pas son IMSI mais il peut protéger sa carte à puce à l'aide d'un numéro d'identification personnel à 4 chiffres.

Elle est un ensemble d'émetteurs-récepteurs appelés TRX (Transceiver), pilotant une ou plusieurs cellules. Elle permet le dialogue avec le mobile sur l'interface Air (aussi appelée interface Radio ou interface Um), elle dialogue également avec son BSC grâce à l'interface A-Bis. Cette liaison est une liaison MIC (Modulation par Impulsions Codées) à 2 Mb/s réalisée sur ligne cuivre classique, parfois sur faisceaux hertziens (2, 4 ou 8 Mb/s).

Nous vous parlerons avec plus en détail de l'installation et la maintenance d'une BTS dans la suite elle est chargée de récupérer le signal des mobiles pour envoyer au BSC et vice versa.

Il assure le contrôle d'une ou de plusieurs BTS. Il gère la ressource radio, exploite les mesures effectuées par la BTS pour contrôler les puissances d'émission du mobile et/ou de la BTS. La plupart des fonctions intelligentes du BSS sont implantées à son niveau, notamment les fonctions de gestion des ressources radioélectriques tels que :

Le BSC est relié au NSS par le biais de l'interface A. c'est une liaison à grand débit (32Mb/s) sur fibre optique, elle est acheminée via le réseau public. Le BSS est relié au serveur de l'OMC-R par l'Interface REM. Cette liaison suivant le protocole X25, utilise habituellement une ligne cuivre classique.

Le NSS assure principalement les fonctions de commutation et de routage. C'est lui qui permet d'établir les communications entre mobile d'un même PLMN ou de PLMN différent et entre mobile et PSTN. En plus des fonctions indispensables de commutation, on y retrouve les fonctions de gestion de la mobilité, de la sécurité et de la confidentialité qui sont implantées dans la norme GSM. Le NSS est constitué de :

a) Le MSC (Mobile Services Switching Center) : C'est la partie centrale du NSS. Il prend en charge l'établissement des communications des abonnés GSM. Du fait de la mobilité, l'implantation de la seule fonction de commutation n'est pas suffisante. Le MSC gère la mobilité et les fréquences et enregistre la localisation des abonnés visiteurs (base de données VLR). Il est relié aux autres équipements du sous-système réseau EIR, HLR, VLR.

b) Le VLR : (Visitors Location Register) : c'est la base de données associée à chaque MSC. Le VLR contient une partie des informations des HLR concernant les abonnés des mobiles situés dans les BSS dépendant du MSC. Le VLR enregistre les informations de localisation des mobiles. Il détermine les numéros de réacheminement MSRN (Mobile Station Roaming Number) pour les communications à destination des mobiles. Les informations sont effacées lorsque le mobile quitte cette zone.

c) Le HLR (Home Location Register) : il contient les informations nécessaires à la gestion des communications d'un certain nombre d'abonnés. Pour chaque abonné qu'il gère, le HLR possède l'identité internationale de l'abonné (IMSI), son numéro d'abonné MSISDN et les services souscrits. Il connaît le VLR/MSC dont dépend le mobile à un instant donné.

d) L'AuC (Authentification Center) : Il mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de services et pour le chiffrement des communications. Un AuC est en général associé à chaque HLR.

e) EIR (Equipement Identity Register) : est une base de donnée contenant le numéro international de l'équipement IMEI (International Mobile Equipement Identity) permettant ainsi son identification.

Cette partie permet à l'opérateur de superviser son PLMN (Public Land Mobile Network). Le centre d'exploitation et de maintenance OMC (Opération and Maintenance Centre) est décomposé en deux parties :

Ø OMC-S : (Opération and Maintenance Centre Switching part) supervise, détecte et corrige les anomalies du NSS.

Ø OMC-R : (Opération and Maintenance Centre Radio part) exploite et maintient le sous-système radio.

Dans cette partie nous allons vous montrer l'architecture d'un réseau GPRS. Cependant, comme nous l'avons mentionné, GPRS est un service complément de GSM et s'intègre dans ce dernier. C'est pourquoi nous verrons le sous réseau GSM dans l'architecture GPRS. Nous allons voir les différentes parties qui composent cette architecture avec les interconnexions entre ces entités.

Cette architecture peut paraître complexe, cependant GPRS étant un service de GSM, une partie de cette infrastructure est le sous réseau GSM.

Ce réseau est composé en différentes parties que nous allons expliquer, avec les différents équipements et interfaces d'interconnexions. Voici maintenant un descriptif de chacune des entités du réseau GPRS :

· MS (Mobile Station) : terminal mobile de l'utilisateur (TE pour Terminal Equipment) avec sa carte SIM (Subscriber Identity Mobile).

· BTS (Base Transceiver Station) : émetteur / récepteur gérant une cellule, la couche physique sur la voie radio et la couche liaison de données avec le mobile.

· BSC (Base Station Controller) : commutateur qui réalise une première concentration de circuits, qui s'occupe de la gestion de la ressource radio (allocation des canaux, ...).

· MSC (Mobile services Switching Center) : commutateur du réseau GSM, qui gère l'établissement de circuits à travers le réseau.

· VLR (Visitor Location Register) : base de données locale qui contient les profils de tous les abonnées présents dans la zone gérée par ce VLR. Dans la plupart du temps, cet équipement est dans le même équipement que le MSC.

· HLR (Home Location Register) : base de données globale du réseau GSM, dans laquelle les profils de services des abonnés, la localisation des abonnées et la gestion de la sécurité sont enregistrés.

· EIR (Equipment Identity Register) : base de données dans laquelle sont enregistrés les numéros d'identification des terminaux mobiles au sens matériel avec l'IMEI (International station Mobile Equipment Identity).

· SMS-GMSC (Short Message Service - Gateway Mobile Services Switching Center) et SMS-IWMSC (Short Message Service - Inter Working MSC) : ces deux MSC sont des commutateurs dédiés au service des messages courts.

· SMS-SC (Short Message Service - Service Center) : cette entité est très importante dans le traitement des messages courts.

· PCU (Packet Control Unit) : cet équipement gère les fonctions de couches basses, c'est-à-dire les protocoles RLC, MAC, contrôle de puissance, adaptation des débits, ... pour envoyer sur le réseau « GPRS ». Il gère les fonctions de transmissions et d'acquittements.

· SGSN (Serving GPRS Support Node) : serveur d'accès au service GPRS (équivalent au MSC), et qui gère les MS présentes dans une zone donnée. Son rôle est de délivrer des paquets aux MS.

· GGSN (Gateway GPRS Support Node) : routeur connectant le réseau GPRS et un réseau externe de commutation par paquets (IP ou X.25). Il sert de passerelle entre les SGSN du réseau GPRS et les autres réseaux de données.

Comme nous pouvons le voir sur la figure 3, de nombreux équipements sont présents dans l'architecture d'un réseau GPRS. C'est pourquoi, voyons désormais les différents sous ensembles qui constituent ce réseau.

· Equipement utilisateur : Il est composé du terminal utilisateur (TE) ainsi que de la carte SIM. Ceci est appelé la MS. Celui-ci est raccordé au sous-système radio par l'interface Um.

· Sous-système radio : Ce sous-système radio est appelé BSS (Base Station System). Il est composé de la BTS et la BSC. Ce sous-système radio est connecté au sous-système réseau GSM via l'interface A, et au sous-système réseau GPRS via l'interface Gb.

· Sous-système réseau GSM. Ce sous-système réseau GSM est composé des MSC/VLR, HLR et EIR qui sont très peu implémentées compte tenu du coût de ce genre d'équipement. De plus, les équipements SMS-GMSC et SMS-IWMSC font partie de ce sous-système, mais ils sont utilisés dans le sous-système réseau GPRS, car tout utilisateur GPRS comme tout utilisateur GSM, peut émettre et recevoir des messages courts.

· Sous-système réseau GPRS : Le sous-système réseau GPRS se compose principalement des SGSN et des GGSN. D'autres éléments sont nécessaires au bon fonctionnement du réseau GPRS, mais ils ne sont pas représentés ici par souci de clarté. Nous les retrouverons plus tard, dans la figure 6, lors de la description fonctionnelle du GPRS.

EDGE signifie Enhanced Data Rates for GSM Evolution. Il s'agit d'une interface hertzienne différente de celle utilisée en GSM, c'est à dire que le lien entre les terminaux et les antennes est modifie. Elle utilise une interface différente. La modulation est aussi différente : c'est une modulation en phase, ajoutée à la modulation de fréquence du GSM classique. Elle permet de multiplier par trois le volume de données transporte. Par conséquent, les antennes et les stations de bases (BTS) doivent être modifiées, ainsi que les terminaux. Elle joint aussi Les débits : Le débit théorique est ainsi porte à 384 kbps, et remplit donc les conditions pour être qualifie de 3G par l'ITU (International Télécommunications Union). Il permet de profiter pleinement du débit disponible dans le système HSCSD, surdimensionné par rapport au débit des terminaux GSM.

Ce réseau n'est qu'un réseau de transition ou une passerelle entre le GPRS et l'UMTS c'est pour cette raison qu'il est presque improbable d'avoir une architecture physique et aussi certaine interface que régit cette technologie.

L'UMTS est l'acronyme de Universal Mobile Télécommunications System. Les systèmes de première et deuxième générations étaient considérés comme des systèmes de téléphonie mobile, donc la troisième génération se différencie des deux précédentes par le fait que l'on passe de téléphonie à télécommunication ce qui sous-entend l'apparition de services multimédia à tout instant et en tout lieu.

L'UMTS est un système cellulaire de troisième génération qui fait partie de la famille IMT 2000 et dont les spécifications techniques sont développées au sein du 3GPP. L'architecture de ce système est composée essentiellement d'un réseau terrestre d'accès radio, l'UTRAN (Universal terrestrial Radion Access Network) et d'un réseau coeur dérivé de celui spécifié pour la phase 2+ du GSM.

L'UTRAN utilise deux modes d'accès fondés sur la technologie CDMA large bande :

Ceux qui caractérisent l'UMTS sont ses performances radio liées à la nouvelle technologie radio utilisée l'UTRAN, un réseau de services mobiles complexes et une architecture flexible et modulaire permettant l'évolutivité de la technologie et sa compatibilité avec les différents systèmes de deuxième et troisième générations. Le système UMTS est modélisé à partir de deux points de vue, l'un physique et l'autre fonctionnel.

Installation et maintenance d'une BTS

I.1.4 UMTS