Memoire Online - Gestion des ressources radios dans les réseaux sans fils : cas d'un reseau wimax

GESTION DES RESSOURCES RADIOS DANS LES RESEAUX SANS FILS : CAS D'UN RESEAU WiMAX

Travail de fin de cycle présenté en vue de l'obtention du titre de Gradué en Sciences Appliquées.

REMERCIEMENTS

Au terme de ce travail marquant la fin de nos études de premier cycle en Sciences Appliquées, il nous est un grand plaisir d'exprimer notre profonde gratitude et notre reconnaissance à tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réalisation de ce travail.

Nos remerciements s'adressent particulièrement au Professeur Docteur Ingénieur MAGUIRAGA MADIASSA qui a bien voulu assurer la direction de ce travail scientifique, en dépit de ses multiples occupations.

Nous tenons également à remercier Monsieur SAMI TABBANE, Professeur à l'Ecole Supérieure de Télécommunications (Tunisie) qui nous a orienté dans ce domaine de recherche. Sa longue expérience en qualité d'Enseignant et d'Expert International dans le domaine des réseaux mobiles, nous ont été d'un grand apport dans la concrétisation de ce sujet de recherche.

Nous exprimons notre gratitude à Monsieur ALI SKALLI, Ingénieur en Télécommunications et ancien étudiant de l'Université d'Avignon, qui a mis à notre disposition une riche documentation en rapport avec le sujet abordé.

Nous remercions tous les Professeurs, Chefs de Travaux et Assistants de la Faculté Polytechnique de l'Université de Kinshasa pour la qualité de l'enseignement, la discipline et le sens de la rigueur qu'ils nous ont transmis.

Nous voulons aussi témoigner toute notre reconnaissance aux parents, frères et soeurs : Dieudonné BOSASI, Anne-Emilie WABALI, Marie-Jeanne BOPOLO, Andy BOSASI, Nina Céleste BOSASI, Dave BOSASI, Marie-Louise BOPIPO, Kevin BOPIPO, Jeannette BOPIPO ; qu'ils trouvent en ceci le couronnement des efforts consentis pour nous soutenir aussi bien sur le plan matériel que moral.

Que nos amis, connaissances et collègues : Gladis KASOKI, Crispin NSAPU, Eric KAKULE, Papy KITUTU, Patrick KAJA, KASAY HODEO, Nathan Maurice LUMUNA, Glory MALI, Papy MBEY, Jean-Claude KAMONDI, Baub BOLEME, Christian MATAND, Félicienne MISENGA, Nancy TSHIMANGA, etc. ; trouvent ici l'expression de notre profonde reconnaissance.

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION

1. Problématique

Depuis l'antiquité, l'homme n'a cessé de chercher les différents moyens (parole, gestes de la main, signaux de fumée, document écrit,...) pour communiquer. Ainsi, à travers des époques successives, il a fourni des efforts aussi bien intellectuels que physiques afin de découvrir des méthodes de communication adéquates.

Les récents progrès réalisés en matière des techniques de télécommunication ont amené le développement des réseaux sans fils dits « wireless network ». Depuis quelques années, ces réseaux sans fil séduisent de plus en plus d'utilisateurs du fait de multiples avantages qu'ils apportent face aux réseaux câblés. Parmi ces avantages, il convient citer par exemple : la suppression des câbles d'interconnexion, la réduction du temps et des coûts de déploiement ; la simplicité et la commodité d'usage ; l'accroissement de l'accessibilité et de la connectivité ; et mieux encore l'apport de la mobilité.

De nos jours la demande de connexions à Internet haut débit se fait croissante. Sur ce, de nombreuses normes des technologies sans ont été développées, mais nombreuses d'entre elles présentent certaines limites relatives aux débits, à la portée, à la capacité, aux services, au niveau d'interférences et ne permettent pas la souplesse qu'offre une connexion sans-fil.

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme (IEEE 802.16) définie pour les réseaux sans fils pour des connexions à haut débit sur des zones de couverture de plusieurs kilomètres, permettant des usages en situation fixe ou en mobilité. Avec une grande couverture, une grande efficacité spectrale et un débit important, le WiMAX représente une vraie alternative des systèmes nécessitant des connections câblées.

Le spectre radioélectrique est devenu une ressource extrêmement précieuse, en raison de son exploitation massive par des systèmes de communication de toutes sortes. Suite à une demande continue du spectre, aussi bien pour les services existants que pour les nouveaux services radio, il y a des contraintes de plus en plus fortes sur cette ressource notamment en ce qui concerne l'équilibre entre l'offre et la demande.

Avec le développement de ces technologies et leurs implications dans la croissance économique du pays et leur rareté, Il est donc nécessaire de prévoir une gestion rationnelle de cette ressource. Elle doit être gérée d'une manière efficace et efficiente afin que l'on puisse en retirer un maximum d'avantages. Sa gestion permet également d'éviter les brouillages de signaux (interférences).

2. Objectifs du sujet

L'objectif poursuivi dans ce travail est de montrer de quelle manière se fait la gestion des ressources radios dans un réseau sans fil de type WiMAX c'est-à-dire le contrôle d'un certain nombre de paramètres dans le but d'utiliser de façon efficiente les ressources radios disponibles.

3. Délimitation du travail

La gestion des ressources radio est un mécanisme de contrôle du niveau du système d'une communication sans fil. Ce mécanisme implique des stratégies et des algorithmes pour le contrôle des paramètres tels que la planification de la fréquence radio (RF), le bilan de liaison, les techniques de modulation, les techniques d'accès au canal, etc... La planification de la fréquence radio inclut la planification des cellules, la couverture et la capacité du réseau. Dans ce travail, nous nous intéresserons qu'à la planification des cellules et aux techniques de modulation dans le contexte d'un réseau WiMAX.

4. Méthodologie de travail

Pour mener à terme ce travail, nous avons eu recours à la technique documentaire qui nous a permis de consulter les ouvrages, les thèses, les mémoires d'études, les revues techniques et les articles traitant du domaine des réseaux sans fils et du WiMAX en particulier. Nous également consulter un certain nombre de documents disponibles sur Internet.

5. Subdivision du travail

Hormis l'introduction générale et la conclusion, ce travail s'articulera autour de quatre chapitres répartis de la manière suivante :

· Le premier chapitre traite des généralités sur les réseaux sans fil. Ce premier chapitre permet de comprendre le fonctionnement des technologies sans fil ;

· Le deuxième chapitre fait une présentation générale de la technologie WiMAX ;

· Le troisième chapitre aborde la technologie WiMAX en présentant ses différentes caractéristiques techniques et son fonctionnement interne ;

· Le quatrième chapitre est consacré à la gestion des ressources radios dans le réseau WiMAX.

CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES RESEAUX SANS FIL

I.1. NOTIONS PRELIMINAIRES

I.1.1. Définition et avantages d'un réseau sans fil

Un réseau est un ensemble des noeuds reliés entre eux par des liens ou canaux de communication dans le but d'échanger des informations.

Selon le type des noeuds, on distingue : les réseaux de télécommunication dans lesquels les noeuds sont les stations mobiles, les stations de base (BTS), les contrôleurs des stations de base (BSC), les commutateurs (MSC) ; et les réseaux informatiques dans lesquels les noeuds sont les ordinateurs, les imprimantes, les routeurs, les switches ou tout autre équipement informatique.

Selon le type de canaux de communication, on distingue : les réseaux filaires qui utilisent un canal de transmission matériel (le câble coaxial, les paires torsadées, la fibre optique) et les réseaux sans fils.

Les réseaux sans fil sont ceux qui utilisent le canal air pour communiquer en utilisant les ondes hertziennes, les infrarouges ou le laser. L'utilisation des réseaux sans fil procure plusieurs avantages, notamment :

I.1.2. Classification des réseaux sans fil

I.1.2.1. Classification des réseaux en fonction de la taille

Dans cette catégorie, on retrouve les réseaux sans fil à l'échelle humaine dont la portée maximale est limitée à quelques dizaines de mètres autour de l'usager (bureaux, salles de conférence...). On y trouve les standards tels que le Bluetooth, l'Ultra Wide Band (UWB), ZIGBEE, RFID et HomeRF.

C'est la catégorie des réseaux locaux sans fil dont la portée va jusqu'à 500 m, pour les applications couvrant un campus, un bâtiment, un aéroport, un hôpital, etc. On y trouve les standards tels que le Wi-Fi (Wireless Fidelity) et les HIPERLAN.

Plus connus sous le nom de Boucle Locale Radio (BLR), ce type de réseau utilise le même matériel que celui qui est nécessaire pour constituer un WLAN mais peut couvrir une plus grande zone de la taille d'une ville avec une portée pouvant aller jusqu'à 50 Km. C'est dans cette catégorie que l'on classe le WiMAX et les HIPERMAN.

C'est la catégorie de réseaux cellulaires mobiles dont la zone de couverture est très large, à l'échelle mondiale. Dans cette catégorie, on peut citer le GSM et ses évolutions (GPRS, EDGE), le CDMA et l'UMTS.

I.1.2.2. Classification des réseaux suivant le mode opératoire

En mode infrastructure, le réseau est composé de plusieurs cellules et chacune d'elles comprend une station de base (ou un point d'accès) par laquelle toutes les autres stations de la cellule accèdent au réseau intra et intercellulaire. Les différents points d'accès sont reliés entre eux et/ou au réseau Internet à l'aide d'une technologie supplémentaire qui peut être filaire ou hertzienne. Dans cette catégorie, on trouve les réseaux WLAN (Wi-Fi), WMAN (WiMAX) et WWAN (GSM).

En mode ad hoc, il n'y a pas de point d'accès fixe, l'infrastructure n'est composée que des stations elles-mêmes, ces dernières jouant à la fois le rôle de terminaux et de routeurs pour permettre le passage de l'information d'un terminal vers un autre sans que ces terminaux soient reliés directement. La caractéristique essentielle d'un réseau ad-hoc est l'existence de tables de routage dynamiques dans chaque noeud. C'est la catégorie des réseaux WPAN tels que le Bluetooth.

I.2. L'ARCHITECTURE LOGIQUE DES RESEAUX SANS FIL

I.2.1. Les principes de la transmission

Les processus d'échange des données dans un réseau sont conçus en tenant compte de principaux points ci-après :

Pour concevoir un standard réseau, les concepteurs intègrent des solutions spécifiques dans un ensemble des programmes (fonctions et protocoles) qui s'exécutent à tous les niveaux suivant une structure que l'on appelle architecture logique. Elle se définit aussi comme étant l'ensemble des couches et protocoles d'un réseau. Pour éviter la multiplication des solutions d'interconnexion des réseaux basés sur des architectures hétérogènes, les concepteurs des réseaux se basent sur les modèles de référence OSI ou TCP/IP.

I.2.2. Les modèles de référence OSI et TCP/IP

I.2.2.1. Le modèle OSI

Le modèle OSI (Open System Interconnection : Interconnexion des systèmes ouverts) est basé sur un découpage en sept couches, chacune d'elles correspondant à un ou plusieurs principes sur les échanges des données.

· La couche physique : Elle résout les problèmes liés au canal de transmission.

· La couche liaison de données : Elle s'occupe de la structure syntaxique des données, de l'adressage physique et logique des entités du réseau, du multiplexage, de la livraison ordonnée des trames et du contrôle de flux de données.

· La couche réseau : Elle assure toutes les fonctionnalités de relais et d'amélioration de services entre entités du réseau : l'adressage, le routage, la détection, etc.

· La couche transport : Elle est responsable du bon acheminement des messages complets de l'émetteur au récepteur.

· La couche session : Elle ouvre, gère et ferme les sessions entre deux systèmes hôtes en communication. Elle établit une liaison entre deux programmes d'application devant coopérer et commande leur dialogue.

· La couche présentation : Elle s'occupe de la syntaxe et de la sémantique des informations transportées en se chargeant notamment de la représentation des données, de la lisibilité par la couche application d'un autre système, de l'utilisation d'un format commun.

· La couche application : Elle donne aux programmes de l'utilisateur le moyen d'accéder à l'environnement OSI et fournit tous les services directement utilisables par ces programmes.

I.2.2.2. Le modèle TCP/IP

Le but du modèle TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol) était de permettre une interconnexion des réseaux, en offrant aux utilisateurs un mode commun d'adressage et des protocoles de communication indépendants des technologies utilisées, du nombre et de la position d'équipements d'interconnexion. Il est structuré en quatre couches.

· La couche d'accès au réseau : Aussi appelée couche hôte réseau, cette couche renferme tous les détails sur la couche physique et la couche liaison de données du modèle OSI. La couche Internet : Le but du protocole IP (Internet Protocol) est de masquer aux utilisateurs (et aux protocoles des couches supérieures) la topologie et la multiplicité du réseau, en adoptant pour ce dernier un adressage universel (au moyen d'adresses IP), et en assurant le routage.

· La couche transport : Elle renferme deux types de protocoles : le protocole TCP (Transmission Control Protocol) et le protocole UDP (User Datagram Protocol). Tous les deux utilisent IP comme couche réseau.

· La couche application : Elle gère les protocoles de haut niveau, elle combine les fonctions des couches session, présentation et application du modèle OSI.

I.2.3. Modèles de référence et réseaux sans fil

Les réseaux sans fil se réfèrent aussi aux modèles de références OSI et TCP/IP pour l'échange des données. Mais comme ils appartiennent aux réseaux des télécommunications servant d'accès aux réseaux informatiques, leurs équipements correspondent aux équipements du sous réseau. Ces équipements (cartes réseau, points d'accès, stations de bases, etc.) renferment essentiellement les deux couches inférieures du modèle OSI qui correspondent à la couche d'accès réseau du modèle TCP/IP.

I.3. LE CANAL DE RADIO TRANSMISSION

Le canal de transmission est le support physique qui transporte les signaux de données de l'émetteur vers le récepteur. A ce titre, c'est de sa nature et de son modèle que dépendent la plupart des mécanismes mis en place pour la transmission des données. Dans les réseaux sans fil, le canal de transmission, est modélisé sur base de son comportement vis-à-vis des signaux qui y parcourent.

I.3.1. La sélection

Le canal est typifié par la bande des fréquences

de fréquence centrale

de telle sorte que tout signal véhiculé par ce canal doit avoir sa fréquence située dans cette bande. On dit alors que le canal a un caractère sélectif et il se comporte comme un filtre passe bande de fréquence centrale

I.3.2. L'atténuation et les trajets multiples

La puissance d'un signal à la réception se trouve être réduite par rapport à celle avec laquelle il a été émis du fait des pertes dues aux principaux facteurs suivant tels que la réflexion et la diffraction lorsque le signal percute un obstacle, la réfraction lorsqu'il traverse plusieurs milieux d'indices de réfraction différents, l'absorption lorsque le signal en traversant un corps, lui cède une partie de son énergie, etc.

Ces phénomènes entraînent deux conséquences majeures : l'atténuation du signal et la création des échos qui engendrent des trajets multiples.

I.3.3. Le bruit

La transmission radioélectrique est toujours accompagnée des bruits d'origines diverses : le bruit cosmique dû aux rayonnements et aux mouvements des astres, le bruit atmosphérique dû aux éclairs, tonnerres et vents et les bruits internes des machines. Le bruit a toujours un caractère aléatoire, donc imprévisible et il affecte les bits des messages transmis, entraînant ainsi des erreurs de transmission.

I.4. L'INTERFACE D'UN RESEAU SANS FIL

L'interface réseau sans fil est le module qui accompagne chaque terminal du réseau pour lui permettre de communiquer par ondes radioélectriques avec une autre station ayant une carte similaire ou avec le point d'accès de la cellule. Elle couvre les deux premières couches OSI et sa structure peut se représentée comme à la figure 1.2. Il est doté d'une antenne parfois dissimulée dans son design, mais certaines interfaces réseaux, surtout les points d'accès et les stations de base ont la possibilité de recevoir des antennes externes.

I.5. SECURITE DANS LES RESEAUX SANS FIL

Bien que Les technologies des réseaux sans fil présentent certaines options de sécurité, leurs protections restent faibles, même vis-à-vis d'attaques simples. En effet, le manque de contrôle sur la propagation du signal rend facile les écoutes et les intrusions dans le réseau. La disponibilité, la gratuité et la facilité de mise en oeuvre des outils d'interception passive et le gain alléchant que peut apporter une telle oeuvre confirment l'importance de cette menace.

Ainsi, il appartient à l'opérateur d'assurer la sécurité des échanges de ses utilisateurs nomades. L'évaluation de la sécurité se fait au moyen de cinq critères qui sont :

· L'intégrité : qualifie le contrôle de toute création, modification ou destruction des données ou des processus dans le réseau ;

· La confidentialité : permet d'assurer le secret d'informations échangées ;

· La preuve : mesure et évalue tout changement intervenu sur les données ou les processus.

Pour répondre à ces critères, il faut déterminer les exigences de sécurité du système c'est-à-dire les contraintes et menaces qui pèsent sur ce système et ensuite les solutions à préconiser. Pour lutter contre ces menaces, l'on préconise la mise en place de certaines méthodes qui sont :

· L'authentification : le procédé qui consiste à vérifier que seul l'utilisateur autorisé accède au service auquel il a souscrit ; et aussi qui permet à ce dernier de reconnaître son réseau sans fil ;

· Le chiffrement : le procédé qui consiste à crypter les données de façon à les rendre inintelligible afin d'en assurer la confidentialité;

· La vérification de l'intégrité de données : chaque noeud du réseau envoie les données accompagnées d'une information supplémentaire permettant au récepteur de déceler les altérations éventuelles de données.

CHAPITRE II : PRESENTATION DE LA TECHNOLOGIE WiMAX

Le chapitre précédent a donné un bref aperçu du fonctionnement des réseaux sans fil en ce qui concerne les échanges des données et la radio transmission. Il a également permis de situer le WiMAX dans le panorama des systèmes de communication sans fil. Le présent chapitre fait une présentation générale de la technologie WiMAX.

II.1. DEFINITION

Le WiMAX ou Worldwide Interoperability for Microwave Access est une famille de normes, définissant des connexions à haut-débit par voie hertzienne, développée par le Consortium WiMAX Forum et ratifié en 2001 par l'IEEE sous le nom IEEE-802.16. Le WiMAX est aussi le nom commercial délivré par le WiMAX Forum aux équipements conformes à la norme IEEE 802.16, afin de garantir un haut niveau d'interopérabilité entre ces différents équipements.

Les normes 802.16 décrivent des technologies de transmission sans fil à haut débit fonctionnant à des débits pouvant atteindre théoriquement les 70 Mbit/s sur une portée de 50 Km et prévues pour connecter les points d'accès Wi-Fi à un réseau de fibres optiques, ou pour relayer une connexion partagée à haut débit vers de multiples utilisateurs.

II.2. LES NORMES WIMAX

Plusieurs normes relèvent du terme WiMAX, certaines sont ratifiées et d'autres sont encore en chantiers. Sous le nom de l'IEEE 802.16 se cache tout simplement la norme initiale de la technologie WiMAX fonctionnant dans la bande des fréquences de 10-66 GHz et nécessitant un espace dépourvu d'obstacles entre l'émetteur et le récepteur. Cependant, ce premier standard 802.16 fut trop conceptuel et, il n'y eut pas vraiment d'engouement pour la technologie à sa naissance.

Depuis lors, d'autres révisions ont encore été apportées à la norme originale, soit pour optimiser le débit, soit pour assurer une meilleure interopérabilité, une meilleure sécurité et d'apporter la mobilité, etc.

Le tableau suivant présente les principales révisions de la norme 802.16 ainsi que leur signification, la date de leur ratification et leur statut actuel :

Standard	Bande de fréquence	Date de publication	Statut
IEEE 802.16-2001	Définit des réseaux métropolitains sans fil utilisant des fréquences supérieures à 10 GHz (jusqu'à 66 GHz)	8 Avril 2002	Obsolètes
IEEE 802.16c-2002	Définit les options (profils) possibles pour les réseaux utilisant les fréquences entre 10 et 66 GHz	15 Janvier 2003
IEEE 802.16a-2003	Amendement au standard 802.16 pour les fréquences entre 2 et 11 GHz	1^er Avril 2003
IEEE 802.16-2004 (IEEE 802.16d)	Révision (actualisation) des standards de base 802.16, 802.16a et 802.16c	1^er Octobre 2004	Actifs
IEEE 802.16e (IEEE 802.16e-2005)	Apporte les possibilités d'utilisation en situation mobile du standard, jusqu'à 120 Km/h	7 Décembre 2005
IEEE 802.16f	Spécifie la MIB (Management Information Base), pour les couches MAC et PHY (intégrée dans 802.16d)	22 Janvier 2006
IEEE 802.16g	Définit les procédures de supervisions et de management pour les réseaux WiMAX (intégrée dans 802.16e)	31 Décembre 2007

En résumé, les révisions de la norme 802.16 ci se déclinent en deux catégories :

· La norme IEEE 802.16d ou IEEE 802.16-2004: qui englobe en son sein toutes les versions antérieures (IEEE 802.16, IEEE 802.16a, IEEE 802.16c) en apportant certaines améliorations. On l'appelle aussi WiMAX Fixe. C'est cette norme qui a été choisie pour déployer le réseau WiMAX Fixe depuis juin 2004.

· La norme IEEE 802.16e: qui offre la possibilité de se connecter en haut débit en situation de mobilité (à moins de 120 Km/h) et intègre en plus les caractéristiques de la norme IEEE 802.16d (compatibilité). Elle est appelée WIMAX mobile.

II.3. APPORT DU WIMAX

L'objectif du WiMAX est de fournir une connexion Internet à haut débit sur une zone de couverture de plusieurs kilomètres de rayon. Le standard WiMAX possède l'avantage de permettre une connexion sans fil entre une station de base et des milliers d'abonnés sans nécessiter de ligne visuelle directe (Line Of Sight : LOS) ou non ligne de vue (Non Line Of Sight : NLOS). Dans la réalité le WiMAX ne permet de franchir que de petits obstacles tels que des arbres ou une maison mais ne peut en aucun cas traverser les collines ou les immeubles. Le débit réel lors de la présence d'obstacles ne pourra ainsi excéder 20 Mbit/s.

Le déploiement du WiMAX permet à des zones isolées, mal desservies par le câble ou souhaitant tirer profit d'une connexion sans fil, de disposer d'un accès Internet large bande. Le développement du WiMAX pourrait donc jouer un rôle important dans l'aménagement numérique du territoire.

Le débit et la portée présentent les atouts du WiMAX. Il fonctionne à 70 Mbit/s maximum théoriquement dans des conditions extrêmement favorables, 12 Mbits/s pratiquement et peut couvrir des zones de rayon allant jusqu'à 50 Km.

II.4. MODE DE COUVERTURE AVEC WIMAX

Le WiMAX est une technologie WMAN de connexion haut débit à large bande d'accès, conçue pour les utilisateurs fixes, nomades (portables) et mobiles. Il a deux modes de fonctionnement : la desserte et la collection.

II.4.1 La desserte avec WiMAX

Le but de la desserte est de relier le client final à un réseau donné afin qu'il puisse accéder à Internet et/ou aux autres services. Pour cela, le client doit posséder un récepteur WiMAX et se trouver dans le champ d'action d'un émetteur WiMAX. La transmission entre le client et son hot spot WiMAX est dite en « non ligne de vue » (NLoS), c'est-à-dire que le client ne se trouve pas en vue directe avec l'antenne. En effet, les bâtiments ou la végétation que l'on trouve dans les villes forcent le signal à être détourné grâce à l'utilisation de la modulation de fréquence OFDM. C'est à ce niveau de desserte que se joue l'avenir du WiMAX mobile.

II.4.2. La collecte avec WiMAX

Dans un réseau WiMAX, la collecte consiste à relier les points d'accès assurant ainsi la connexion avec Internet. On appelle ce mécanisme le backhauling de hots spots. Contrairement à la desserte, la collecte se fait en "ligne de vue" (LOS), grâce à des émetteurs WiMAX placés suffisamment haut. L'avantage du WiMAX réside dans sa simplicité de mise en oeuvre. Il ne faudra que deux antennes pour relier deux réseaux distants, là où il aurait fallu des kilomètres de fibre optique en filaire.

II.5. MODE OPERATOIRE DU WIMAX

Le réseau WiMAX comprend des cellules, d'une taille pratique de 3 à 5 km en ville et 10 km à la campagne, munies des stations de base (BS) comme pour les réseaux de mobiles (GSM) et qui transmettent en mode point à multipoint vers les équipements terminaux des utilisateurs - Subscriber Station (SS) - Customer Premise Equipment (CPE).

Dans chaque cellule du réseau WiMAX, la BS fonctionne en point à multipoint avec les CPE qu'elle dessert en utilisant le mode infrastructure comme au sein d'une cellule Wi-Fi. La différence entre WiMAX et Wi-Fi est que les CPE WiMAX ne peuvent pas fonctionner en topologie ad hoc comme peuvent le faire les cartes réseaux Wi-Fi.

Par contre, les différentes BS du réseau WiMAX fonctionnent en topologie maillée entre elles. Ce réseau maillé est auto configuré, auto structuré, auto réparant. En effet il fournit un routage intelligent à travers le réseau pour trouver une connexion vers Internet. Si un ou plusieurs noeuds tombent (problèmes électriques, intempéries, etc.), le réseau s'ajustera automatiquement afin de faire suivre le signal par un chemin différent.

II.6. LES PRINCIPAUX EQUIPEMENTS WIMAX

Depuis le coeur du réseau et en descendant vers l'utilisateur, on trouve les éléments suivants :

· Une liaison à très haut débit, par fibre optique ou faisceau hertzien, alimentant l'émetteur WiMAX.

· Station de base (BS), constituée d'une antenne et d'un matériel radio contenant le dispositif électronique.

· Entre l'antenne et l'utilisateur, plusieurs kilomètres de transmission sans fil.

· Chez l'abonné, une antenne WiMAX assure la liaison entre l'émetteur de la zone et l'équipement connecté (ordinateur ou autre).

II.6.1. La station de base

La station de base WiMAX est constituée d'une armoire ou boîtier contenant les cartes ou modules électroniques qui exécutent les fonctions radio, réseau et sécuritaires ; et d'une ou plusieurs antennes. Les stations de base sont généralement installées sur des pylônes, châteaux d'eau, tours hertziennes, ou toit des immeubles.

II.6.2. Les récepteurs WiMAX

A la différence des réseaux mobiles où tous les terminaux ont des antennes omnidirectionnelles, les réseaux WiMAX combinent des équipements indoor et des équipements outdoor à antennes souvent directionnelles. Les unités indoor présentent un gain d'antenne plus faible afin de réduire la taille de l'équipement et les coûts, ce qui aboutit à une diminution du gain du système de 6 dB.

· Les points d'accès WiMAX que l'on utilise généralement avec des antennes réceptrices placées sur le toit en mode fixe.

· Les puces électroniques à intégrer dans les PDA et autres petits terminaux pour le WiMAX mobile.

· Les cartes NIC WiMAX de type PCMCIA contenant une antenne intégrée et que l'on branche directement sur le terminal de l'utilisateur.

II.7. WIMAX ET SES CONCURRENTS

Les différentes technologies d'accès sans fil offrent des débits différents sur des zones de couvertures différentes. Chaque technologie devrait pouvoir trouver sa place, son usage et sa cible. Le WiMAX permet à partir de stations de base WiMAX d'arroser des agglomérations dans des zones rurales à faible pénétration voire des pays où l'infrastructure de communications est souvent moins développée. Le WiMAX est alors une alternative au câble classique d'Internet haut débit qui reste un moyen d'accès coûteux en termes d'investissement.

Le WiMAX pourrait venir en complément du WiFi pour couvrir des zones plus larges, rendant ainsi possible la concentration des hots spots WiFi et donc la création de hot-zones. L'utilisateur se connecterait toujours en WiFi (identification et facturation) et le WiMAX viendrait renforcer la connexion en termes de capacité, de débit, et de couverture.

Technologie	WIFI	WiMAX	3G/UMTS	EDGE
Débit	11 Mbits/s	75 Mbits/s	384 kbits/s	115 kbits/s
Couverture	Local / immeuble	Petite ville	Agglomération	Agglomération

CHAPITRE III : CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DU WiMAX

Ce chapitre traite des caractéristiques techniques du WiMAX : son fonctionnement interne, son architecture logique, la structure et les spécifications des couches inférieures du modèle OSI et plusieurs autres aspects.

III.1. ARCHITECTURE DU WIMAX

Comme tous les réseaux cellulaires classiques, le réseau WiMAX comprend deux parties distinctes : la partie radio ou réseau d'accès (RAN : radio access network) et la partie coeur assurant la collecte du trafic vers le réseau IP.

La partie radio est rencontrée dans les BS et dans les interfaces réseaux des CPE WiMAX. Elle couvre principalement les deux premières couches du modèle OSI. Alors que la partie réseau n'est rencontrée que dans les BS. Elle renferme plusieurs modules très complexes qui permettent l'interopérabilité avec d'autres standards des réseaux. Les éléments de l'architecture d'un réseau WiMAX sont repris sur le schéma de la figure 3.1, tandis que sa description est présentée dans le modèle de référence du réseau à la figure 3.2.

III.2. LE MODELE DE REFERENCE DU RESEAU WIMAX

Le modèle de référence du réseau WiMAX se compose de trois éléments principaux reliés entre eux par des interfaces standardisés ou points de référence. Les trois éléments sont:

La station d'abonné (SS), qui peut être fixe, portable ou mobile, est un équipement générique qui fournit la connectivité entre un abonné et une station de base WiMAX. L'ASN qui est en fait le réseau d'accès radio du WiMAX, regroupe une ou plusieurs passerelles (ASN-GW) et des stations de base (BS). Il assure la couverture radio et la gestion des fonctionnalités d'accès MAC comme le paging, la gestion des ressources radio et la mobilité entre les BS. Les passerelles ASN-GW assurent son interconnexion avec le CSN. Un ou plusieurs ASN, interconnectés par le point de référence R4, peuvent être déployés par un NAP (Network Access Provider-Fournisseur du réseau d'accès).

Un NAP fournit l'infrastructure d'accès radio à un ou plusieurs NSP (Network Service Provider-Pourvoyeur du réseau de service). Le NSP est une entité d'affaires qui permet la connectivité IP et les services WiMAX aux abonnés WiMAX conformément aux accords de niveau de service établis. C'est le NSP qui déploie le CSN, lequel est un ensemble de fonctionnalités assurant la connectivité IP aux stations d'abonnés WiMAX. Le CSN regroupe des passerelles pour l'accès à Internet, des routeurs, des serveurs et des proxys de sécurité, des bases de données.

III.3. COUCHES PROTOCOLAIRES DU WiMAX

· La couche 1 du modèle OSI ou couche physique, qui a pour fonction la transmission et le traitement physique de l'information;

· La sous couche MAC (Medium Access Control) appartenant à la couche 2 du modèle OSI ou couche liaison de données, qui s'occupe du transfert en bloc des données de signalisation.

III.3.1. La couche physique WiMAX

Elle est caractérisée par l'utilisation du multiplexage par répartition en fréquence sur des porteuses orthogonales (Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM), la technique de multiplexage qui consiste à subdiviser la bande de transmission en N sous canaux, conduisant a une augmentation de la durée symbole. Cela revient à dire, qu'un flux de données à transmettre est divise en plusieurs sous flux de données parallèles, qui seront modules et transmis sur des sous bandes orthogonales différentes.

III.3.1.1. Technique d'accès multiple

La technique d'accès adoptée est l'accès multiple adaptif par répartition de fréquences orthogonales (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access S-OFDMA), qui consiste octroyer un canal de transmission à un utilisateur en fonction des conditions de propagation et du débit voulu.

Le canal de transmission est un intervalle de temps associé à un sous canal constitué d'un groupe de fréquences porteuses, qui ne sont pas nécessairement adjacentes. La division en sous canal permet de définir les sous canaux qui peuvent être assignés aux stations d'abonné selon leurs états de canal et le débit demandé. Dans le sens montant, c'est-a-dire de la station d'abonné à la station de base, la station d'abonné peut se voir assigné un ou plusieurs sous canaux. Dans le sens descendant, c'est-a-dire de la station de base à la station d'abonné, un sous canal peut être prévu pour plusieurs récepteurs différents.

III.3.1.2. Correction des erreurs

Le mécanisme de correction d'erreur FEC (Forward Error Correction) utilisé est celui de Reed -Solomon GF (256), avec des tailles de blocs variables. Le FEC est couplé à une convolution de code pour transmettre de manière robuste les données critiques, tel que les trames de contrôle et d'accès initial. Les trames sont divisées en plusieurs slots physiques afin d'allouer la largeur de bande et l'identification des transitions physiques. A mesure que le débit augmente, le temps d'émission diminue. En outre, d'autres techniques de contrôle d'erreur sont possibles comme le HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest), et IR (Incremental Redanduncy) permettant d'améliorer les performances du système.

III.3.2. La couche MAC

La couche MAC (Media Access Control) assure le contrôle et la gestion des ressources du canal radio, la gestion des trames de données (fragmentation des paquets descendants et assemblage des trames montantes) et celle d'erreurs de transmission ; est séparée en trois sous-couches :

III.3.2.1. La sous-couche spécifique de convergence de services

Elle joue le rôle d'interface avec les couches supérieures ou bien les systèmes externes. Elle a entre autre la charge de classer les paquets selon leur provenance et leur destination afin de les repartir sur la bonne connexion MAC. Elle est dotée de deux spécifications, l'une étant basée sur un mode de transfert de cellules (ATM : Asynchronous Transfer Mode) et l'autre sur un mode de transfert de paquets.

III.3.2.2. La sous-couche commune (Common Part Sublayer : CPS)

C'est le coeur de la couche MAC car elle s'occupe de l'allocation de la bande, l'établissement et la maintenance des connexions. Elle reçoit des paquets classés en connexions de différentes qualités de service, provenant de la sous-couche de convergence. La couche MAC étant orientée connexion, elle supporte un grand nombre d'utilisateurs et assure un grand débit.

III.3.2.3. La sous-couche de protection (Privacy Sub-layer : PS)

Elle permet l'authentification de l'accès et l'établissement de la connexion. Elle s'occupe aussi du cryptage des données et de l'échange des clefs. L'interface entre la couche physique et cette couche se fait via le Physical Service Access Point (SAP).

III.4. FORMAT DES PAQUETS

Les données sont échangées sous forme de PDU. Ils constituent les unités échangées entre la couche MAC et la station de base. Chaque PDU commence par une entête générique de longueur fixe, suivie par un champ de données qui peut lui-même être constitue de plusieurs sous entêtes et des paquets provenant de la couche de convergence. La longueur de ce champ est variable en fonction du nombre de sous entêtes et de la taille des paquets à transmettre.

Les trames PDU permettent d'envoyer les informations entre les stations de base et les stations clientes. Elle est constituée de deux parties : un entête PDU de longueur fixe, un payload de longueur variable, et un CRC optionnel (Cyclic Redundancy Check). La longueur maximale d'un PDU est de 2048 octets .Il existe deux formats d'en-tête : le format d'en-tête général et le format d'en-tête pour les demandes de bande passante.

· L'entête de type "grant management" qui permet de demander une certaine bande passante a la station de base ;

· L'entête de fragmentation qui permet d'indiquer une fragmentation des données du SDU ;

· L'entête d'empaquetage qui permet d'indiquer que le paquet contient plusieurs SDU dans un seul PDU.

Ce système permet à la couche MAC d'agir comme un tunnel sans avoir besoin de connaitre ce qu'il y a dans les paquets de données reçus de la sous-couche de convergence. Les sous entêtes servent pour la transmission d'informations telles que l'état de la fragmentation, de l'encapsulation.

III.5. GESTION DE LA QUALITE DE SERVICE (QoS)

La notion de Qualité de Service veut rendre compte, de façon chiffrée, du niveau de performances que l'utilisateur attend du réseau. Le contenu de cette notion dépend évidemment du service envisagé. Ainsi le service a-t-il des exigences de temps de réponse ; quelle est sa sensibilité aux erreurs de transmission, etc. La gestion de la qualité de service est la procédure qui détermine l'allocation de bande et l'interrogation des stations d'abonnés sur l'état de leur file d'attente. Dans la norme 802.16, différents types de services sont utilisés, à savoir :

III.5.1. Unsolicited Grant Service (UGS)

Ce type de service est utilisé pour supporter des flux temps réel générant des paquets de taille fixe et de façon périodique comme de la transmission de voix sans suppression des silences. Il offre une fenêtre de manière systématique et périodique ce qui évite les temps de latence dus aux mécanismes de requête. Le WiMAX préconise, pour les connexions utilisant ce service, de ne pas utiliser les autres afin qu'il puisse fonctionner correctement.

III.5.2. Real-Time Polling Service (rtPS)

Ce service supporte les flux temps réel générant périodiquement des paquets de taille variable. Il permet a chaque abonnée, de transmettre des requêtes indiquant la taille de la fenêtre voulue, permettant ainsi de transmettre des paquets de longueur variable. Pour cela, la station de base accorde une fenêtre d'interrogation périodiquement a la station de l'abonne, permettant a cette dernière de transmettre une requête.

III.5.3. Non-Real-Time Polling Service (nrtPS)

Ce service est désigné pour supporter les flux ne nécessitant pas de temps réel, utilisant des paquets de taille variable, comme du transfert de fichiers en haut débit. Il permet aux stations des abonnes de transmettre des requêtes environ toutes les secondes de manière périodique.

III.5.4. Best Effort (BE)

Ce service est le plus simple de tous, il est utilise pour tous les flux ne nécessitant pas de qualité de service particulière. Les stations des abonnés utilisant ce service peuvent transmettre leurs requêtes aussi bien dans une fenêtre de contention que d'interrogation. Les paramètres de ce service sont le débit minimum et maximum accorde, et la priorité de ce trafic.

III.6. GESTION DE LA MOBILITE

Dans l'accès à bande large fixe, WiMAX distingue quatre types mobilité liés aux circonstances d'utilisation :

· Nomade : Dans ce cas, un lieu fixe est assigné à l'utilisateur pour l'utilisation des services. Pour se connecter dans un endroit différent, l'utilisateur doit procéder à une coupure ou une déconnexion ;

· Portable : Utilisant l'accès nomade avec un dispositif portatif, la portabilité est assurée pour l'utilisateur au coût du handover;

· Mobilité simple : Des handovers presque non interrompus sont réalisés avec des utilisateurs pouvant atteindre une vitesse de 60 km/h en des intervalles de temps très courts ;

· Pleine mobilité : L'utilisateur peut se déplacer jusqu'à une vitesse de 120 km/h.

Le handover est le mécanisme qui assure la continuité de la connexion d'une station d'abonné au cours de son déplacement de la zone de couverture d'une station de base à une autre.

CHAPITRE IV : GESTION DES RESSOURCES RADIOS DANS UN RESEAU WiMAX

IV.1. GENERALITES SUR LA GESTION DES RESSOURCES RADIOS

La gestion des ressources radios est d'une importance essentielle dans les systèmes de communications cellulaires à cause des limitations de la largeur de bande. Dans les systèmes cellulaires, le réseau entier est géographiquement divisé en de plus petites régions géométriques appelées les cellules. Le nombre global d'utilisateurs (le trafic) et la performance du réseau entier dépend de la performance individuelle de chaque cellule.

La gestion des ressources radios implique des techniques et des algorithmes pour le contrôle des paramètres tels que : L'attribution de bande de fréquence, la planification des cellules, le bilan de liaison, le contrôle d'admission d'appels, les techniques de modulation, les techniques d'accès multiple.

IV.1.1. L'attribution de bande de fréquence

L'attribution de bande de fréquence est l'un des paramètres les plus importants de la gestion des ressources radios. Presque chaque pays a sa propre autorité de régulation de l'utilisation des fréquences. Par exemple, la FCC (Federal Communications Commission) aux Etats-Unis ; l'UIT (Union Internationale de Télécommunication) au niveau mondiale. En République Démocratique du Congo, c'est l'ARPT (Autorité de Régulation des Postes et Télécommunications) qui s'occupe de l'attribution des bandes fréquence.

Pour des raisons historiques et politiques, il y a différentes bandes de fréquence assignées pour les systèmes de communication cellulaires aux USA, en Europe et en Asie. Le monde est donc divisé en trois. La région 1 se compose de l'Europe, de l'Afrique, de la Russie et d'une partie du Moyen-Orient. La région 2 couvre les Etats-Unis, le Canada et toute l'Amérique latine tandis que dans la région 3, on trouve la Chine, l'Australie, l'Inde, le Pakistan, le Japon et d'autres pays de l'Asie et de l'Océanie.

IV.1.2. La planification des cellules

L'ensemble du processus qui consiste à diviser le réseau en cellules et à y placer des stations de base s'appelle la planification des cellules. Elle se fait habituellement avant de déployer un réseau. La planification des cellules inclut également la capacité du trafic d'appel et la couverture des cellules. A mesure que le nombre d'utilisateurs augmente dans une cellule, la capacité du système est surchargée et la qualité de service est affectée. Ce problème est résolu en divisant la cellule en plus petites cellules.

IV.1.2.1. Types de cellules

Les cellules utilisées dans la planification de communication cellulaire ont une forme hexagonale. Les hexagones sont équidistants des centres ce qui les rend préférables d'être adopté dans les réseaux cellulaires. Voici quelques types de cellules en fonction de la taille, de la puissance et de la taille de l'antenne :

· Macrocellules : Elles couvrent une aire de plus de dix kilomètres et sont employées dans des régions rurales et montagneuses où il n'y pas beaucoup de trafic.

· Microcellules : elles sont employées dans des zones urbaines avec une zone de couverture de quelques kilomètres.

· Nano cellules : Elles sont utilisées dans les villes à forte densité populaire. L'aire géographique couverte par ces cellules est moins qu'un kilomètre.

· Pico cellules : Les pico cellules sont les plus petites cellules utilisées dans les réseaux cellulaires. Elles ont une zone de couverture de peu de mètres, presque 30 à 80 mètres.

· Cellules parapluie : Elles se composent d'une macro cellule et de plusieurs microcellules. Elles sont employées quand une station mobile se déplace à une vitesse rapide.

· Cellules sectorielles ou sélectives : Ces cellules sont utilisées lorsque nous avons une couverture dans une seule direction. Par exemple dans un tunnel.

IV.1.2.2. La réutilisation des fréquences

La réutilisation de fréquence signifie que les mêmes fréquences peuvent être employées dans un secteur différent pour différentes communications. La capacité du système peut être augmentée en employant la réutilisation de fréquence. Le problème à ce niveau est de déterminer l'intervalle de réutilisation de fréquence qui doit indiquer le nombre de cellules après quoi nous pouvons réutiliser la même fréquence ; encore que la réutilisation de fréquence introduit des interférences.

IV.1.3. Le bilan de liaison

Les réseaux de communication ont acquis une grande importance dans nos vies quotidiennes. Par conséquent, l'estimation de la puissance du signal transmis dans le canal radio et la bonne couverture d'une zone avec une qualité de service acceptable sont devenus des éléments significatifs pour ces systèmes de communication. Le bilan de liaison est l'estimation et la détermination du signal transmis. Il consiste à déterminer et à additionner tous les gains et pertes dans un système de communication.

IV.1.4. Le contrôle d'admission d'appels

Un algorithme efficace de la gestion des ressources radios comprend également le contrôle admission d'appels. Il concerne les nouveaux appels et les appels du handover. Mais dans ce transfert, la qualité de service, la qualité de la voix et le transfert rapide de données doivent être maintenus.

Dans la communication cellulaire, à chaque cellule est assignée quelques canaux de fréquence fixes. Chaque fois qu'il y a un nouvel appel dans une cellule ou un appel est transféré à la même cellule, un canal libre est assigné à cet appel. Car dans chaque cellule, il y a un nombre de canaux fixe qui limite ainsi la capacité de la cellule. Un appel est bloqué ou abandonné au cas où tous les canaux sont occupés. Une gestion efficace de ces canaux de fréquence est requise.

IV.1.5. Les techniques de modulation

Dans la perspective d'une gestion des ressources radios, le choix d'une technique efficace de modulation est d'une importance significative. Dans la modulation, un signal en bande de base (signal de basse fréquence) est multiplié par un signal porteur (la porteuse) ou un signal de modulateur (normalement un signal à haute fréquence). Un signal porteur est normalement un signal sinusoïdal de haute fréquence. À l'extrémité du récepteur, le signal est alors démodulé à l'aide d'un dispositif appelé le démodulateur. Il y a deux types des modulations : des modulations analogiques et des modulations numériques.

IV.1.5.1. Les modulations analogiques

Dans les modulations analogiques, le signal porteur est sans cesse multiplié par le signal source. Le signal source est habituellement un signal continu. Ce type de modulation est normalement employé pour transférer les signaux analogiques. Voici quelques types importants de modulations analogiques :

IV.1.5.2. Les modulations numériques

Dans les modulations numériques, un signal numérique est multiplié par un signal porteur. Quelques types importants de modulation numérique sont donnés comme suit :

· Modulation par déplacement de phase différentiel (Differential Phase Shift Keying DPSK) ;

IV.1.6. Les techniques d'accès multiple

Dans la communication cellulaire, les nombres de canaux dans une cellule sont limités. Par conséquent, la capacité du réseau entier est limitée. Ainsi, les techniques d'accès multiples sont d'une grande importance. L'accès multiple implique l'utilisation du service par plusieurs utilisateurs en même temps. Un canal de fréquence peut être mis en commun entre beaucoup d'utilisateurs en même temps et la capacité du réseau peut être augmentée. Ces techniques d'accès multiples sont employées au niveau la couche physique.

IV.1.6.1. Accès multiple par division des fréquences (FDMA)

Dans cette technique d'accès au canal, la bande de fréquence entière est divisée en plus petites bandes de fréquence et à chaque utilisateur est assigné une bande de fréquence séparée. Ces bandes de fréquence sont assignées aux utilisateurs en assurant une interférence minimum entre ces différentes bandes de fréquence.

IV.1.6.2. Accès multiple par division de temps (TDMA)

Le TDMA est surtout employé pour les réseaux sans fil où nous avons des ressources partagées. Dans le TDMA, la même bande de fréquence est disponible pour tous les utilisateurs qui peuvent l'utiliser en de différents intervalles de temps. A chaque utilisateur est assigné une fente de temps et pendant cette période, il peut utiliser la bande de fréquence entièrement. Le TDMA est employé dans les réseaux cellulaires 2G tandis qu'une combinaison de TDMA et de FDMA est employée dans le GSM.

IV.1.6.3. Accès multiple par division de code (CDMA)

Elle permet l'utilisation simultanée de la totalité de la bande de fréquences par toutes les stations de la cellule. Les usagers se distinguent les uns des autres par des codes qui leurs sont affectés de façon aléatoire et qui changent à chaque communication. Pour capter les données d'un utilisateur donné, le récepteur n'a qu'à multiplier les données reçues par le code de cet utilisateur.

IV.1.6.4. Accès multiple par division orthogonale de fréquence (OFDMA)

L'OFDMA est une nouvelle technique et elle est basée sur l'OFDM. Dans cette technique, le signal porteur est divisé en plus petits sous-ensembles et un sous-ensemble de signaux porteurs est utilisé pour transmettre les données d'un utilisateur simple. L'OFDMA peut être employé de concert avec l'OFDM pour augmenter la qualité de service du système.

IV.2. LA GESTION DES RESSOURCES RADIOS DANS UN RESEAU WiMAX

La gestion des ressources radios est également d'une grande importance dans le réseau WiMAX. C'est une solution optimale dans la conception et la planification d'un réseau WiMAX en raison de la limitation des ressources spectrales. C'est qans cette optique que notre attention sera portée uniquement sur les paramètres suivants : L'attribution des bandes de fréquence, les techniques de modulation et la planification des cellules dans le WiMAX, dont seul l'aspect couverture sera abordé.

IV.2.1. L'attribution des bandes de fréquence pour le WiMAX

La répartition des bandes de fréquences pour le WiMAX dans le monde est illustrée sur la figure 4.1 ci-dessous.

Figure 4.1 : Répartition des bandes de fréquences pour le WiMAX dans le monde

Les fréquences utilisées dans le monde par WiMAX dans les 2 bandes sont les fréquences avec licences et les fréquences libres.

1. La bande 3.5-GHz : C'est une bande fortement utilisée par WiMAX grâce à la grande largeur du canal qu'elle peut offrir (de 3.3 GHz à 3.4 GHz et de 3.4 GHz à 3.6 GHz).

2. MMDS : le spectre de MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service est situé dans l'intervalle fréquentiel 2500 MHz - 2690 MHz. Cette bande est utilisée aux Etats-Unis, au Mexique, au Brésil, et dans certains pays de l'Asie de sud.

3. WCS : les 2 bandes WCS (Wireless Communications Service) sont de 2305 à 2320 MHz et de 2345 à 2360 MHz. Ces 2 bandes sont utilisées aux USA, les pays de l'Asie du Sud, en Australie, en Corée du Sud et en Nouvelle-Zélande.

1. Les bandes 5 GHz U-NII & WRC : les bandes U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure) sont dans 3 groupes principaux : les basses et moyennes bandes de U-NII (5150 MHz- 5350 MHz) et la bande supérieure de U-NII/ISM (5725 MHz- 5850 MHz). Les basses et moyennes bandes U-NII ont démontré une viabilité pour le WiMAX.

2. La bande 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) : est une bande de fréquences libres qui offre un canal de 80 MHz pour le déploiement de WiMAX.

IV.2.2. Les techniques de modulation dans le WiMAX

Le choix de la technique de transmission appropriée qui comprend des techniques de modulation et d'accès au canal, est nécessaire pour une meilleure gestion des ressources radios. Le réseau WiMAX utilise l'OFDM comme technologie de transmission. C'est une des techniques les plus efficaces qui soient disponibles en ce moment.

Dans l'OFDM, le signal porteur est divisé en un sous-ensemble de signaux porteurs et chaque signal est transmis avec une fréquence différente. Ces différentes fréquences sont orthogonales entre elles pour qu'il y ait une interférence minimum entre elles. Un des avantages principaux de l'OFDM est que différents signaux de fréquence sont transmis en utilisant différentes techniques de modulation. Dans cette technique, si nous avons un rapport signa-bruit (SNR) élevé, nous pouvons utiliser une puissante technique de modulation qui a des débits plus élevés. Quand nous avons un SNR bas, nous pouvons utiliser une technique de modulation de niveau bas avec des débits inférieurs. Cette méthode s'appelle « modulation adaptative » ou « adaptation de liaison ».

Dans le réseau WiMAX, nous utilisons quatre différentes techniques de modulation qui sont BPSK, QPSK, 16-QAM et 64-QAM.

IV.2.2.1. Modulation par déplacement de phase binaire (Binary Phase Shift Keying : BPSK)

La modulation BPSK est un type de modulation numérique. Dans cette technique, un bit est représenté par un symbole et un symbole équivaut à une phase. Il a seulement deux symboles qui sont « 0 » et « 1 ». Ici, on utilise deux signaux de phases différentes avec un déphasage de 180 degrés. BPSK est la technique de modulation la plus robuste et il y a moins d'erreur par rapport à d'autres techniques de déplacement de phase.

IV.2.2.2. Modulation par déplacement de phase en quadrature (Quadrature Phase Shift Keying : QPSK)

Dans cette technique, deux bits sont utilisés pour représenter un symbole. Par conséquent, nous avons deux bits et un total de quatre signaux de phases différentes. Le QPSK a une plus grande efficacité plus spectrale par rapport à BPSK mais il est moins efficace contre le bruit.

IV.2.2.3. Modulation d'amplitude en quadrature (Quadrature Amplitude modulation QAM) ;

La troisième technique de modulation utilisée dans le WiMAX est la modulation QAM. Dans cette technique, deux signaux porteurs différents déphasés de 180° sont utilisés et nous changeons seulement leurs amplitudes. Il existe plusieurs types de modulation QAM qui dépendent du nombre bits utilisé par symbole. La modulation QAM est la plus efficace par rapport à QPSK et à BPSK. Dans le réseau WiMAX, cette technique est utilisée quand nous avons un rapport signal-bruit très élevée de (dans le secteur environnant la station de base).

IV.2.3. La planification des cellules dans le WiMAX

Dans la planification des cellules, nous devons traiter des questions se rapportant au nombre et à l'emplacement des stations de base, la nature des équipements radio utilisés et la taille des antennes. Elle implique la connaissance de deux paramètres : le modèle de la capacité du trafic et le modèle de couverture des cellules. Le modèle de couverture des cellules est utilisé pour estimer la couverture de la cellule.

La taille d'une cellule dans un réseau WiMAX est plus grande par rapport à une cellule d'un réseau GSM ou UMTS. Différentes cellules sont utilisées pour des secteurs urbains, suburbains, etc. Les types de cellules utilisées dans le réseau WiMAX sont :

· Les macrocellules : utilisées pour des routes et des régions montagneuses ;

IV.2.3.1. La couverture des cellules

La perte de ligne (Path loss) ou perte de propagation est le terme utilisé pour estimer la couverture d'une cellule. C'est la perte de la puissance du signal quand il est transmis dans un espace libre. Elle exprime la différence entre la puissance transmise et la puissance reçue. On l'appelle encore affaiblissement du parcours.

Différents modèles de propagation sont adoptés pour déterminer la perte de ligne entre l'émetteur et le récepteur. Un des modèles le plus généralement utilisés est modèle de perte de ligne en espace libre qui est habituellement le point de référence à partir duquel tous les modèles de propagation prennent origine. Pour évaluer la couverture d'un réseau de WiMAX, nous avons recours à quelques modèles de propagation.

IV.2.3.1.1. Modèles IEEE 802.16 (SUI Model)

Ils ont été au départ élaborés pour les fréquences au dessous de 11 GHz, le standard 802.16 inclut des modèles de propagation connue sous le nom de SUI (Stanford University Interim). L'usage de ces modèles peut être étendu pour couvrir la bande des 3.5 GHz avec l'introduction de facteurs de correction. Dans ce modèle de propagation, nous avons trois types différents des terrains. Ceux-ci s'appellent comme terrain A, B et C. Le terrain A est approprié aux environnements ne présentant pas trop de reliefs avec une densité moyenne ou grande d'arbres (milieux urbains). Le terrain B s'applique aussi bien en cas de terrains plats mais présentant une moyenne/grande densité d'arbres qu'en cas de terrains présentant trop de reliefs et à densité faible d'arbres (milieux suburbains). Le terrain est approprié aux terrains plats à faible densité d'arbres, présentant un minimum d'affaiblissement (zones rurales).

Constante du modèle	Terrain A	Terrain B	Terrain C
a	4.6	4	3.6
b	0.0075	0.0065	0.005
c	12.6	17.1	20

Les pertes de ligne (affaiblissement) dans le modèle de SUI sont données par :

S = représente l'effet de masque. Les valeurs typiques de S sont comprises entre 8.2 et 10.6 dB, en fonction de l'environnement.

où

est la hauteur de la station de base et a, b and c représentent les paramètres des terrains donnés le tableau ci-dessus.

Où A est la perte de ligne en espace libre ;

est la distance entre l'émetteur et le récepteur et

est la longueur d'onde. Le facteur de correction de la fréquence est :

avec f le fréquence en MHz. Le facteur de correction de la station de base est donné par l'expression suivante :

où h_r est la hauteur de l'antenne réceptrice. Cette expression est utilisée pour le terrain de type A et B. S'il s'agit d'un terrain de type C, on utilise l'expression :

Pour une fréquence de la porteuse fixée entre 2500 and 3500 MHz, la distance entre émetteur et récepteur variant de 100 m à 50 km, la hauteur du récepteur de 2 m et la hauteur de la station de base de 80m, nous obtenons les résultats numériques pour les régions urbaines et rurales sur la figure ci-dessous qui donne la variation de l'affaiblissement du signal en fonction de la distance entre l'émetteur et le récepteur.

IV.2.3.1.2. Le modèle OKUMURA

Le modèle OKUMURA est l'un des modèles le plus généralement utilisés. Il peut être employé pour des fréquences atteignant jusqu'à 3000 MHz. La distance entre l'émetteur et le récepteur peut être d'environ 100 km tandis que la hauteur du récepteur peut être de 3 m à 10 m. L'affaiblissement dans le modèle OKUMURA peut être calculée comme suit :

Où

sont respectivement les hauteurs de la station de base et du récepteur alors que

are sont respectivement les facteurs de gain de l'antenne de la BS et and les facteurs de gain du récepteur. Ils sont donnés par :

Il y a trois types différents de régions dans le modèle OKUMURA : la région ouverte (Open Area), la région quasi-ouverte (Quasi-open Area) et la région suburbaine. Le gain de la région

dépend de la région employée.

Pour les calculs, nous fixons une fréquence de travail à 2500 MHz, la hauteur de la station de base à 100 m, celle du récepteur à 3m et la distance entre l'émetteur et le récepteur à 10 km. Nous déterminons pour tous les 3 types de régions du modèle OKUMURA, l'évolution de l'affaiblissement du signal en fonction de la distance séparant l'émetteur et le récepteur.

IV.2.3.1.3. Comparaison entre les deux modèles

La comparaison de ces deux modèles de propagation et de leurs affaiblissements ou pertes de ligne (Path loss) pour une distance de 1 km est illustrée le tableau suivant.

Dans ce tableau, les puissances des équipements standards WiMAX pour l'émetteur et le récepteur sont également décrites. La puissance de l'émetteur d'une station de base WiMAX pour une distance de 1 km est de dBm (décibel par mètre). De même, la puissance maximum qu'un équipement WiMAX (CPE) peut transmettre est de 23 dBm.

Modèles de propagation	Terrain	Bande de fréquence (MHz)	Puissance de l'émetteur (dBm)	Puissance du récepteur (dBm)	Affaiblissement (dB)
SUI	Urbain	2500	43	23	54
SUI	Rural	2500	43	23	41
SUI	Urbain	3500	43	23	55
SUI	Rural	3500	43	23	43
OKUMURA	Ouvert	2500	43	23	51
OKUMURA	Quasi-ouvert	2500	43	23	58
OKUMURA	Suburbain	2500	43	23	69

CONCLUSION

L'utilisation efficace et optimale des ressources spectrales disponibles a toujours été une question de profond souci pour les ingénieurs dans la conception et la mise en place des réseaux cellulaires. Tout en gardant dans la considération, la disponibilité limitée des ressources spectrales, la gestion des ressources radios émerge comme un facteur extrêmement important dans la mise en place et le fonctionnement efficace des réseaux cellulaires. Dans la gestion des ressources radios, nous sommes censés faire un choix approprié de la bande de fréquence ou utiliser la bande disponible de façon optimale. Cette gestion est spécifiquement concernée par les paramètres comme la planification de fréquence radio, la planification des cellules, le bilan de liaison, les techniques de modulation et les techniques d'accès au canal. Une technique appropriée de gestion des ressources radios améliore non seulement l'efficacité globale du réseau en augmentant la couverture, la capacité et la qualité de service mais elle réduit également les coûts d'installation et d'exécution de ce réseau.

Nous pouvons réaliser une bonne gestion des ressources radios en suggérant et en mettant en application une solution optimale pour n'importe lequel des facteurs mentionnés ci-dessus. Par exemple dans un réseau de WiMAX, nous employons l'OFDM comme technique de transmission avec BPSK, QPSK, 16- QAM et 64-QAM comme techniques de modulation dans une cellule particulière.

Le processus de planification de cellules présente beaucoup de soucis. Le choix du modèle de, le choix de la taille de cellules, la fixation de la taille de l'antenne, peuvent être placés parmi ceux les soucis principaux. Dans ce travail, nous avons comparé deux modèles de propagation différents pour le réseau WiMAX. Sur la base des résultats numériques obtenus, nous avons constaté que le modèle SUI avait moins d'affaiblissement par rapport au modèle Okumura. Le modèle Okumura ne peut être utilisé que dans la bande de 2500 MHz. Mais le modèle SUI est employé pour des fréquences allant jusqu'à 3500 MHz. En employant ce modèle, nous pouvons calculer l'affaiblissement du parcours, la taille de l'antenne et la couverture de la cellule.

Dans ce travail, nous avons abordé la notion de la gestion des ressources radios d'un réseau WiMAX en nous basant uniquement sur le paramètre de la planification des cellules. Cette planification implique également l'aspect couverture des cellules et l'aspect capacité des cellules. Mais nous nous sommes contentés seulement de l'aspect couverture des cellules.

Ainsi dans l'avenir, nous aimerions que les autres paramètres de la gestion des ressources radios d'un réseau cellulaire puissent être pris en compte dans le contexte d'un réseau. Nous suggérons également que les résultats de nos calculs théoriques dans les deux modèles de propagation puissent être examinés et vérifiés dans un environnement pratique. Davantage d'études peuvent également être effectuées pour un modèle de propagation plus approprié et plus optimal.

En outre, l'on peut également concevoir un logiciel destiné à la planification des cellules dans un réseau WiMAX en employant les modèles de propagation décrits dans ce travail.

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