Localisation par empreinte radio. application sur les reseaux mobiles 2G-3G

N° d'ordre : 24 / STI / TCO Année Universitaire : 2015 / 2016

	UNIVERSITE D'ANTANANARIVO
	ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
	MENTION TELECOMMUNICATION

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

d_a Rayon du cercle de centre NR.

db Rayon du cercle de centre NR.

d_c 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

s_m 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

C_l 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_AccessMi_n 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

B_T 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'h^ème 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

r_m Covariance matrice du m-ème cluster

Ad Différence entre les distances d_a 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 (. |8_T) Densité marginale du b ème composant,

iiX - Ak ii?? . Erreur d'approximation

1