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N° d'ordre : 24 / STI / TCO Année Universitaire :
2015 / 2016
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UNIVERSITE D'ANTANANARIVO
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ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
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MENTION TELECOMMUNICATION
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Directeur de mémoire : M. RAVALIMINOARIMALALASON Toky
Basilide
MEMOIRE
en vue de l'obtention
du DIPLOME de Master
Titre : Ingénieur
Domaine : Sciences de l'ingénieur
Mention: Télécommunication
Parcours : Système de Traitement
d'Information(STI)
par : TAFENO Harimanana Elisa
LOCALISATION PAR EMPREINTE RADIO. APPLICATION SUR LES
RESEAUX MOBILES 2G-3G
Soutenu le 04 Avril 2017 devant la Commission d'Examen
composée de :
Président : M. RANDRIAMITANTSOA Andry Auguste
Examinateurs :
M. RAJAONARISON Roméo
M. RATSIHOARANA Constant
M. RANDRIAMANAMPY Samuel
i
REMERCIEMENTS
Avant tout, je rends grâce à Dieu tout puissant
pour son Amour, sa Bénédiction et pour la Force et le Courage
qu'il m'a donné pour la réalisation de ce Mémoire.
A la mémoire de mon père qui a tant voulu
m'assister en ce moment mais que le destin a empêché. « Paix
à son âme ».
J'exprime toute ma gratitude à Monsieur RAMANOELINA
Panja, Professeur Titulaire, Président de l'Université
d'Antananarivo.
Je souhaite remercier Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon,
Professeur Titulaire, Responsable du Domaine Sciences de l'Ingénieur
à l'Ecole Supérieure Polytechnique d'Antananarivo, qui m'a permis
de poursuivre mes études au sein de l'Ecole.
Je suis particulièrement reconnaissant à
Monsieur RAKOTOMALALA Mamy Alain, Maître de Conférences,
Responsable de la Mention Télécommunication.
A terme de ce travail, je tiens à témoigner
toute ma gratitude à tout le personnel du Groupe Telma, de m'avoir
accueilli chaleureusement dans leur Société, plus
particulièrement à Monsieur RAVALIMINOARIMALALASON Toky Basilide,
Docteur de l'Université d'Antananarivo, Ingénieur Radio Planning
et Optimisation Sénior de Telma, Directeur de mémoire et
encadreur professionnel, pour ses recommandations, son soutien et surtout le
temps consacré pour me diriger jusqu'à la finalisation de ce
Mémoire.
J'exprime également toute ma reconnaissance aux membres
du jury présidés par Monsieur RANDRIAMITANTSOA Andry Auguste,
Maître de Conférences, qui ont voulu examiner mon travail :
? Monsieur RAJAONARISON Roméo, Maître de
Conférences,
? Monsieur RATSIHOARANA Constant, Maître de
Conférences,
? Monsieur RANDRIAMANAMPY Samuel, Assistant d'Enseignement
Supérieur et de Recherche.
Je souhaite remercier tous les Membres de ma Famille, qui
n'ont jamais cessé de me soutenir moralement et financièrement
tout au long de mes études et à tous les Enseignants Chercheurs
et Personnels administratifs de l'Ecole Supérieure Polytechnique
d'Antananarivo ainsi qu'à tous mes amis qui de près ou de loin,
ont contribué à l'accomplissement de ce travail.
ii
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS i
NOTATIONS ET ABREVIATIONS vi
INTRODUCTION GENERALE 1
CHAPITRE 1 GENERALITE SUR LE RESEAU MOBILE 2
1.1 Introduction 2
1.2 Première génération des
téléphones mobiles 2
1.2.1 AMPS 2
1.2.2 NMT 2
1.2.3 TACS 2
1.2.4 Radiocom 2000 3
1.2.5 Limites du système 1G 3
1.3 Deuxième génération des
téléphones mobiles 3
1.3.1 GSM 3
1.3.2 GPRS 10
1.3.3 HSCSD 12
1.3.4 EDGE 12
1.4 Troisième génération des
téléphones mobiles 13
1.4.1 UMTS 13
1.4.2 Evolution radio de l'UMTS 15
1.5 Quatrième génération des
téléphones mobiles 16
1.5.1 LTE et LTE-Advanced 16
1.6 Mesure des paramètres radio en réseau
mobile 18
1.6.1 Etats de la station mobile 18
1.6.2 Mobilité en mode connecté
18
1.6.3 Mesure des paramètres radio en GSM
22
1.6.4 Niveau de signal et qualité de signal en
UMTS 25
1.6.5 Niveau de signal et qualité de signal en
LTE 26
1.7 Conclusion 27
iii
CHAPITRE 2 TECHNOLOGIES ET TECHNIQUES DE POSITIONNEMENT
28
2.1 Introduction 28
2.2 Technologies de positionnement 28
2.2.1 Systèmes de positionnement radio
28
2.2.2 Systèmes de positionnement non radio
34
2.3 Techniques de positionnement 36
2.3.1 Métriques de positionnement
36
2.3.2 Évaluation de la position
40
2.4 Conclusion 44
CHAPITRE 3 LOCALISATION A BASE D'EMPREINTE RADIO
45
3.1 Introduction 45
3.2 Description d'un système de LFP 45
3.2.1 Phase d'apprentissage 45
3.2.2 Phase de localisation 46
3.3 Terminologie et modélisations
mathématiques 48
3.3.1 Base de données radio et enregistrement
48
3.3.2 Mesure radio 48
3.3.3 Modèle de propagation radio
48
3.4 Méthodes de compression de base de
données radio 49
3.4.1 Technique de clustering 49
3.4.2 PCA 51
3.4.3 KCCA 53
3.5 Méthode de classification 53
3.5.1 KNN 53
3.5.2 SVM 55
3.5.3 ANN 55
3.6 Traitement des données manquantes dans les
systèmes LFP 58
3.6.2 Algorithme de localisation basé sur le
maximum de vraisemblance 59
iv
3.6.3 Algorithme de Multiple Imputation
60
3.7 Positionnement utilisant la méthode de
fingerprinting basé sur OTD 61
3.7.1 Estimation des TDOAs pour un réseau 3G
62
3.7.2 Structure de l'algorithme 63
3.8 Positionnement utilisant le paramètre TA
67
3.9 Conclusion 69
CHAPITRE 4 MISE EN OEUVRE ET SIMULATION DE L'OUTIL DE
TRAITEMENT DE TRACE
ET DE LOCALISATION D'ABONNES 70
4.1 Introduction 70
4.2 Outil de trace 70
4.2.1 Présentation 70
4.2.2 Lecteur et décodeur de trace
72
4.3 Analyse et conception du système informatique
74
4.3.1 Architecture système 74
4.3.2 Analyse des besoins 75
4.3.3 Modélisation UML 77
4.3.4 Diagramme UML de l'application
79
4.3.5 Modèle Conceptuel des Données
82
4.3.6 Langage de programmation 83
4.3.7 Module cartographique 88
4.3.8 Serveur web et serveur d'application
89
4.3.9 Structure du projet 89
4.4 Présentation de l'application web
90
4.4.1 Page d'authentification 90
4.4.2 Création d'utilisateur
91
4.4.3 Localisation d'un abonné
92
4.5 Précision des différents
systèmes de localisation 93
4.6 Conclusion 94
V
CONCLUSION GENERALE 95
ANNEXES 96
BIBLIOGRAPHIE 100
vi
NOTATIONS ET ABREVIATIONS
1. Minuscules latines
c Classe
d Distance entre 02 stations de base
d1 Distance entre mobile et station de base
d2 Distance entre mobile et station de
base
da Rayon du cercle de centre NR.
db Rayon du cercle de centre NR.
dc Rayon du cercle de centre NR.
dE(w) Distance Euclidien pondérée
dl Distance entre une cellule i et un UE
d (xl, xi) Distance entre deux données
f Fonction de transfert du neurone
f Fréquence de transmission
f(x) Fonction sigmoïde
fk(x, y) Système d'équation
hB Hauteur de l'antenne
i Vecteur indicateur
i' Vecteur indicateur d'effacement
m Nombre de cluster
n Nombre d'objets
p Dimension
q Mesures
r Enregistrement
r1 Rayon du cercle centré sur la
station de base
r2 Rayon du cercle centré sur la
station de base
rl Distance obtenue par la valeur de TA
rk,l,i Mesures provenant de k MRM
s Vecteur représentant la mesure radio
s' Mesure effectué par le mobile
vii
sm Centroid
s'(mis) Partie manquante de la mesure
s'(obs) Partie observée de la mesure
u Vecteur représentant linéairement le
nuage de points
umn Représentation de la partition
v Vecteur représentant linéairement le
nuage de points
vl Vecteurs propres
co Vecteur comprenant les poids
{????}??=0,...,n Poids du neurone
x Ensemble des mesures
x Vecteur représentant la partie position
x^ Position estimée pour le terminal
x' Position
xi Vecteur représentant une donnée
xi, yl Coordonnées cartésiennes du
itième NR
x. Vecteur représentant une donnée
(x, y)A,B,C Coordonnées des 03 meilleures
cellules
(x, y)U Position du mobile
y(x) Sortie d'un événement d'apprentissage
2. Majuscules latines
A Région sur lequel le terminal mobile effectue
des mesures
Ak Matrice de rang k
B Station de base
BS Stations de base
Bmax nombre maximum des stations de base mesurable au
niveau du
terminal
C Vitesse de la lumière
Cl Paramètre vérifiant que la
cellule sélectionnée est reçue et ne subit
pas un affaiblissement.
C2 Critère de re-sélection
viii
?????? Paramètre du modèle spécifique pour
une zone urbaine
Cell_Reselect_Offset Valeur de l'offset permanent ajouté
à ??1.
??2(U, R) Fonction d'objective
?????????????? Latitude en valeur décimale de la station
de base
?????????????? Longitude en valeur décimale de la station
de base
?? Matrice carrée symétrique
Max_TXPWR_Max_CCH Paramètre fixant la puissance à
laquelle le mobile doit émettre Max. mobile RF Power Puissance maximale
avec laquelle le mobile est capable d'émettre vers la BTS
N Nombre de ressource block
???? Nombre total des features types
??????(??) Frame offset
????????(??) OTD sur le k-ième MRM, entre l'UE et la
cellule
??1 Point d'intersection recherché
??2 Point d'intersection recherché
PenaltyTime Durée pendant laquelle le TemporaryOffset va
être appliqué
???? Pathloss
?????? Perte moyenne
R Base de données finale
R?? Base de données initiale
R???? Ensemble comprenant ???? éléments
réels.
R???? Ensemble comprenant ???? éléments
réels.
R?????? Niveau de la puissance reçue en 3G
R??R?? Niveau de la puissance reçue en 4G
R??R?? Mesure de qualité de signal
R?????? Puissance totale du signal reçu
R?????? (??, ??) RTD entre 02 cells/sites
Rxlevel Niveau de reception
RX_AccessMin Niveau minimum pour que le mobile puisse
s'accrocher à la BTS
?????? Timing Advance
TemporaryOffset Offset temporaire
ix
Tk(i) Retard de propagation
Tm(i) Chip offset
Tx Puissance de transmission
Uk Matrice des vecteurs ut
Vk Matrice des vecteurs propres
X Ensemble des positions inclues dans la base
X Matrice reconstruite
X1, Y1 Coordonnée géographique connues
d'une station de base
X2, Y2 Coordonnée géographique connues
d'une station de base
XBsK, YBsK Coordonnées d'une station de base
{Xi}i=1,..,n Entrées du système ou peuvent
provenir des autres neurones.
XL, Yi Coordonnées d'un node mobile
XMs, YMs Coordonnées d'une station mobile
Xp1, Yp1 Coordonnée géographique du point
d'intersection recherché
Xp2, Yp2 Coordonnée géographique du point
d'intersection recherché
Xsh Variable aléatoire log-Normal qui
représente l'effet de shadowing
Y1 Variable décrivant un objet
Y2 Variable décrivant un objet
3. Minuscules grecs
oc1 Angle fournie par la station de base et la station
mobile
a12 Angle que fait l'axe horizontal du repère
trigonométrique avec les
stations de base
oc Paramètre de propagation exponentielle
/3 Angle formé par la distance entre les stations
de base et le point
recherché.
SRTD Différence RTD
E(x')
Erreur de la localization
BL Ensemble qui modélise la distribution des
mesures RSS complètes sur
les clusters
BT Inclut les paramètres du
modèle log-Normal
x
A Seuil de sensibilité du terminal
Al Valeurs propres
f Evènement
Ph Sous vecteur correspondant à l'hème
feature type
6 Permutation d'indices des stations de base
(Pk Information fournie par les stations de base
W Ensemble de tous les paramètres qui modélisent le
mécanisme
d'effacement.
4. Majuscules grecs
rm Covariance matrice du m-ème
cluster
Ad Différence entre les distances da et db
ORTD Erreur maximum prédéfinie
? Angle fournie par les deux stations de base
E Matrice diagonal
Ol?? Différence de phase entre deux récepteurs
d'indices i et ]
5. Abréviations
2G Système mobile de seconde génération
3G Système mobile de troisième
génération
3GPP Third Generation Partnership Project
4G Système mobile de quatrième
génération
AAS Adaptive Antenna Systems
AES Advanced Encryption Standard
AGCH Access Grant Channel
AJAX Asynchronous JavaScript and XML
AMPS Advanced Mobile Phone System
AMRF Accès Multiple à Répartition
Fréquentielle
AMRT Accès Multiple à Répartition dans le
Temps
AMS Adaptive Modulation Schemes
ANN Artificial Neural Networks
AOA Angle Of Arrival
API Application Programming Interface
xi
AUC AUthentification Center
BCCH Broadcast Control Channel
BCH Broadcast CHannel
BD Base de Données
BER Bit Error Ratio
BPSK Binary Phase Shift Keying
BSC Base Station Controller
BSS Base Station Subsystem
BTS Base Transceiver Station
BWC Bloc-based Weighted Clustering
CBCH Cell Broadcast Channel
CCCH Common Control Channel
CDF Cumulative Distribution Functions
Cell ID Cell Identification
CN Core Network
CPICH Common PIlot Channel
CRS Cell Reference Signal
CS Coding Scheme
CS Circuit Switched
CSS Cascading StyleSheets
CSV Comma Separated Values
DRNC Drift RNC
EcNo Energy per modulating bit to the noise spectral
density
EDGE Enhanced Data-rates for Global Evolution
EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service
EIR Equipment Identity Register
E-OTD Enhanced Observed Time Difference
eNB evolved Node B
FACCH Fast Associated Control CHannel
FCCH Frequency Correction CHannel
FDD Frequency Division Duplex
FDMA Frequency Division Multiple Access
xii
GGSN Gateway GPRS Support Node
GLONASS GLObal NAvigation Satellite System
GMSC Gateway MSC
GMSK Gaussian Minimum Shift Keying
GPEH General Performance Event Handling
GPRS General Packet Radio Service
GPS Global Positioning System
GSM Global System for Mobile communications
GSN GPRS Service Node
GUI Graphic User Interface
HARQ Hybrid Automatic ReQuest
HLR Home Location Register
HSCSD High Speed Circuit Switched Data
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
HSPA Hight Speed Packet Access
HSUPA High Speed Uplink Packet Access
HTML HyperText Mark-Up Language
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IMEI International Mobile Equipment Identity
IMSI International Mobile Subscriber Identifier
IMT2000 International Mobile Telecommunications-2000
J2EE Java 2 Entreprise Edition
JDBC Java Data Base Connectivity
JSP Java Server Page
KCCA Kernel Canonical Correlation Analysis
KNN K-Nearest-Neighbors
LA Location Area
LFP Location Fingerprinting
LP-WPAN Low Power Wireless Personal Area Network
LR-WPAN Low Rate Wireless Personal Area Network
LTE Long Term Evolution
MCC Mobile Country Code
xiii
MCD Modèle Conceptuel des Données
MI Multiple Imputation
MIMO Multiple Input Multiple Output
ML Maximum Likelihood
MME Mobility Management Entity
MNC Mobile Network Code
MRM Mesurement Report Messages
MS Mobile Station
MSC Mobile Switching Center
MSIN Mobile Subscriber Identification Number
MSISDN Mobile Station ISDN
MSRN Mobile Station RoamingNumber
NM Noeud Mobile
NMT Nordic Mobile Telephone
Node B Node for Broadband access
NR Noeud de Reference
NSS Network SubSystem
ODBC Object Data Base Connectivity
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access
OMC Operation and Maintenance Center
OMG Object Management Group
OSLN One Slop Log-Normal model
OTD Observed Time Differences
PCA Principal Component Analysis
PCH Paging CHannel
PCU Packets Controler Unit
PDN-GW Packet Data Network Gateway
PDOA Phase Difference of Arrival
PMR Performance Management traffic Recording
PN Pseudo Noise
PS Packet Switched
xiv
PSC Primary Scrambling Codes
PSK Phase Shift Keying
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QPSK Quadrature Phase Shift keying
RACH Random Access CHannel
RFID Radio-Frequency Identification
RLS Recursive Least Squares
RNC Radio Network Controller
RRM Radio Ressource Management
RS Reference Signal
RSCP Received Signal Code Power
RSRP Reference Signal Received Power
RSRQ Reference Signal Received Quality
RSS Received Signal Strength
RSSI Received Signal Strength Indicator
RTC Réseau Téléphonique Commuté
RTD Relative Time Differences
RXLEV Reception Level
RXQUAL Reception Quality
SACCH Slow Associated Control CHannel
SAE System Architecture Evolution
SCH Synchronisation CHannel
SDCCH Stand-Alone Dedicated Control CHannel
SGBD Système de Gestion de Base de Données
SGBDO Système de Gestion de Base de Données
Objet
SGBDR Système de Gestion de Base de Données
Relationnelles
SGSN Serving GPRS Support Node
S-GW Serving Gateway
SIM Subscriber Identity Module
SMS Short Message Service
SMSC Short Message Service Center
SNR Signal to Noise Ratio
xv
SQL Structured Query Language
SRNC Serving RNC
SVM Support Vector Machines
TA Timing Advance
TACS Total Access Communications System
TCH Traffic CHannel
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
TDMA Time Division Multiple Access
TDOA Time Difference Of Arrival
TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity
TNT Télédiffusion Numérique Terrestre
TOA Time Of Arrival
TPS TV Positioning System
TRAU Transcoding Rate and Adaptation Unit
UE User Equipment
UETR UE Traffic Recording
UHF Ultra High Frequency
UML Unified Modeling Language
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network
UWB Ultra Wide Band
VBA Visual Basic pour Application
VLR Visitor Location Register
VPP Voisin le Plus Proche
W-CDMA Wideband CDMA
WiFi Wireless Fidelity
WLAN Wireless Local Area Network
WPAN Wireless Personal Area Network
WPS Wi-Fi Positionning System
WWW World Wide Web
XML eXtensible Markup Language
xvi
6. Notations spéciale
eig(M) Valeurs et vecteurs propres d'une matrice M.
Fb (.|m, 8L) CDF de la distribution Gaussien,
correspondant au b-ème
composant radio.
Pb (. |8T) Densité marginale du b
ème composant,
iiX - Ak ii?? . Erreur d'approximation
1
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