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

INTRODUCTION GENERALE

Actuellement, le monde des télécommunications arrive à un carrefour de son évolution. L'importance des communications sans fils ne cesse de s'accroître très rapidement à cause de leur accessibilité au grand public. Grâce à la miniaturisation des technologies, leur performance s'est accrue, et ne cesse d'augmenter à un rythme effréné.

En vue d'obtenir le Diplôme de Master à visée professionnelle dans la mention télécommunication, nous avons eu l'avantage d'effectuer nos travaux de mémoire au sein de TELMA Analakely, Antananarivo. Ce stage s'est déroulé au sein de la Direction Technique Groupe, Département Planning - Ingénierie - Optimisation.

Les systèmes de localisation sont omniprésents. Ils s'appliquent à différents contexte tels que : la navigation, la géolocalisation et les réseaux sociaux.

La localisation par empreinte radio (LFP ou Location Fingerprinting) est une des solutions potentielles pour fournir un positionnement durable et à un prix abordable. Elle est avant tout un besoin primordial de l'opérateur téléphonique pour le suivi (tracking) d'un abonné quelconque. Le GSM ou Global System for Mobile communications et l'UMTS ou Universal Mobile Telecommunication System sont les outils de communication les plus demandés à Madagascar. Pour le cas de TELMA, elle reçoit des plaintes provenant de ses clients. Il est nécessaire de localiser ces abonnés pour faciliter la résolution de leur problème.

Notre tâche est de concevoir une application informatique capable de localiser les abonnés à l'aide de leur caractéristique radio d'où le détail de ce présent mémoire intitulé «LOCALISATION PAR EMPREINTE RADIO. APPLICATION SUR LES RESEAUX MOBILES 2G-3G ».

Les différentes générations de téléphones mobiles ainsi que la mesure des paramètres radio en réseau mobile font l'objet du premier chapitre de ce mémoire.

Ensuite, le second chapitre est consacré aux présentations des techniques ainsi que les technologies de positionnements.

Et, nous entamerons au troisième chapitre, la localisation à base d'empreinte radio.

Enfin, le dernier chapitre concernera la mise en oeuvre et simulation de l'outil de traitement de trace et de localisation d'abonnés.

2

CHAPITRE 1

GENERALITE SUR LE RESEAU MOBILE

1.1 Introduction

De nos jours, les réseaux mobiles et sans fil ont connu un essor sans précédent. La téléphonie mobile est devenue le moyen de communication le plus dominant et moderne. Elle se répartit en plusieurs réseaux tels que les réseaux GSM, l'EDGE, le GPRS, l'UMTS et LTE. Ceux-ci sont regroupés en plusieurs générations telles, la 2G, la 3G et 4G.

1.2 Première génération des téléphones mobiles

La première génération des téléphones mobiles a commencé dès le début des années 80 en fournissant un service insuffisant et coûteux de communication mobile. Elle a bénéficié les deux inventions techniques majeures des années 1970 : le microprocesseur et le transport numérique des données entre les téléphones mobiles et la station de base. Les appareils utilisés étaient particulièrement volumineux. La première génération de systèmes cellulaires utilisait essentiellement les standards suivants :

1.2.1 AMPS

AMPS ou Advanced Mobile Phone System, lancé aux Etats-Unis, est un standard de téléphonie analogique reposant sur la technologie FDMA ou Frequency Division Multiple Access. Il est basé sur une technologie de commutation des communications entre cellules.

1.2.2 NMT

NMT ou Nordic Mobile Téléphone a été lancé en 1981 pour faire face aux limitations de l'ARP. Il a été surtout conçu dans les pays nordiques (Danemark, Suède, Norvège, Finlande). Ce standard utilisait la bande de fréquence UHF 450 à 460MHz avec 180 canaux duplex espacés de 10MHz et de largeur de 25KHz. Les rayons des cellules étaient comprises entre 20 et 40 Km (réseaux rurales) et de 0,5Km (région urbaine). La puissance des stations mobiles variaient de 1,5 à 15W et 50W pour les stations de base.

1.2.3 TACS

TACS ou Total Access Communications System est un standard qui repose sur la technologie AMPS. Il a été très utilisé en Grande Bretagne.

3

1.2.4 Radiocom 2000

C'est le réseau de téléphone mobile français. Il fonctionne sous la bande de fréquence des 400 MHz. Il se sert de la technologie numérique pour la signalisation et la modulation analogique pour la voix. Les fréquences sont attribuées dynamiquement en fonction des besoins.

Ainsi, les premières notions de téléphonie cellulaire apparaissent avec, peu après son lancement en 1986, l'apparition du handover et de l'attribution de fréquences au sein d'une cellule. Le réseau couvre la quasi-totalité du territoire.

1.2.5 Limites du système 1G

Sa principale anomalie est présentée par ses normes incompatibles d'une région à une autre, une

transmission analogique non sécurisée (on pouvait écouter les appels), et l'absence de roaming vers

l'international.

Aussi, le système 1G dispose de quelques limites telles :

? L'efficacité spectrale assez médiocre

? L'existence de plusieurs normes différentes d'où absence d'itinérance internationale

? Les infrastructures employées sont volumineuses (taille, énergie).De ce fait, Le système est

très coûteux d'où l'utilisation restreinte aux professionnels.

? Le produit du système 1G ne touchait pas le grand public.

Progressivement, les systèmes numériques remplacent les systèmes analogiques, tout en conservant

la compatibilité (surtout dans AMPS). [1]

1.3 Deuxième génération des téléphones mobiles

1.3.1 GSM

Le 2G ou GSM est une norme numérique pour les téléphones portables. Pratiquement, il s'agit d'un réseau permettant une communication de type « voix ». Il est apparu dans les années 90. Son principe, est de passer des appels téléphoniques, s'appuyant sur les transmissions numériques permettant une sécurisation des données (avec cryptage). Ainsi, il contient beaucoup de services tels que l'affichage d'appel, la conférence, ... Il a connu un succès et a permis de susciter le besoin de téléphoner en tout lieu avec la possibilité d'émettre des minimessages (SMS ou Short Message Service, limités à 80 caractères). Aussi, il autorise le roaming entre pays exploitants le réseau GSM.

1.3.1.1 Caractéristiques techniques

La bande utilisée en GSM est le 900 Mhz et 1800 Mhz. Sa vitesse de transmission maximum vaut 23 kbps (théorique) et 9,6 kbps réel. Cependant, ce débit est insuffisant pour le transfert de fichiers, d'images, de vidéos, accès à Internet, etc.

Dans un réseau GSM, deux techniques de multiplexage sont mises en oeuvre : le multiplexage fréquentiel (AMRF ou Accès Multiple à Répartition Fréquentielle) et le multiplexage temporel (AMRT ou Accès Multiple à Répartition dans le Temps).

La modulation définie pour la norme GSM est la modulation GMSK ou Gaussian Minimum Shift Keying ou modulation à déplacement minimum gaussien, qui est une modulation de fréquence à enveloppe constante.

1.3.1.2 Architecture du réseau GSM

La figure 1.01 ci-dessous présente l'architecture du Réseau GSM.

^BTS

^MS

^BTS

^BTS

^BTS

^BTS

^MS

^BTS

^BSC

^BSC

^MSC

^MSC

^HLR

^VLR

^VLR

^BSC

^{BSS NSS RTCP}

4

Figure 1.01 : Architecture du Réseau GSM

5

Le réseau se compose de trois parties séparées par des interfaces normalisées :

· la station mobile (MS ou Mobile Station)

· le sous-système station de base (BSS ou Base Station Subsystem)

· le sous-système réseau (NSS ou Network Subsystem)

1.3.1.3 La station mobile

La station mobile est composée de deux entités telles que l'équipement mobile ou ME et la carte SIM ou Subscriber Identity Module qui est une carte à puce avec mémoire non volatile contenant les informations fixes et variables spécifiques à l'utilisateur.

a. Identification des stations mobiles

Les réseaux GSM opèrent avec plusieurs identificateurs :

L'IMSI ou International Mobile Subscriber Identifier n'est connu qu'à l'intérieur du réseau GSM. Il est d'environ 15 digits (0-9), stocké dans la carte SIM et identifie l'abonné de manière unique au niveau mondial. L'IMSI est composé de :

· MCC ou Mobile Country Code 3 digits

· MNC ou Mobile Network Code 2 digits

· MSIN ou Mobile Subscriber Identification Number: longueur variable, contient 3 digits pour l'identificateur de HLR. [2]

Le TMSI ou Temporary Mobile Subscriber Identity est une identité temporaire utilisée pour identifier le mobile lors des interactions station mobile/réseau. Il est formé par un mot de 04 octets représenté en hexadécimal.

Le MSISDN ou Mobile Station ISDN est le numéro de l'abonné, c'est le seul identifiant de l'abonné mobile connu à l'extérieur du réseau GSM d'où le numéro de téléphone mobile habituel.

Le MSRN ou Mobile Station Roaming Number est un numéro attribué lors de l'établissement d'appel. Sa principale fonction est de permettre l'acheminement des appels par les commutateurs (MSC et GMSC).

L'IMEI ou International Mobile Equipment Identity identifie l'équipement mobile (hardware). Le numéro IMEI permet d'empêcher l'utilisation d'une station volée avec une autre carte SIM. L'IMEI est composé de 60 bits. [2]

6

b. Fonctions de la station mobile :

Les principales fonctions de la station mobile sont [2] :

· Transmission de la voix et des données

· Synchronisation en fréquence et en temps

· Supervision de la puissance et de la qualité des cellules voisines

· Egalisation contre les distorsions dues aux chemins de propagation multiples

La station mobile peut avoir différentes puissances nominales. La puissance réelle est commandée par la station de base par pas de 2dB, en fonction du niveau qu'elle reçoit (Minimum: 20mW). Ainsi plus la station mobile s'éloigne de la station de base, plus sa puissance d'émission augmentera, jusqu'à la valeur nominale. Le but de la commande de puissance est de réduire le niveau moyen d'interférences. [2]

1.3.1.4 Le sous-système de station de base

Il est composé de trois parties :

· La station de base (BTS ou Base Transceiver Station)

· Le contrôleur de station de base (BSC ou Base Station Controller)

· L'unité de transcodage (TRAU ou Transcoding Rate and Adaptation Unit)

Le BTS assure la réception des appels entrant et sortant des équipements mobiles. Il est composé des émetteurs/récepteurs radios.

Le BSC assure le contrôle des stations de bases. Il gère la ressource radio (allocation de canal, handover).

Le TRAU est utilisée dans les réseaux GSM pour convertir un signal de 13 kb/s en un signal de 64 Kb/s et vice versa.

1.3.1.5 Le sous-système Réseau

Il est composé d'un ou plusieurs centres de commutation MSC ou Mobile Switching Center; typiquement un réseau peut compter entre 1 et 10 MSC et des registres (bases de données).

Le MSC ou Centre de commutation de mobile assure la commutation dans le réseau, il gère les appels départ et arrivée.

Le GMSC ou Gateway MSC est une passerelle réalisant l'interface entre le réseau d'un opérateur et le RTC ou Réseau Téléphonique Commuté.

7

1.3.1.6 Les bases de données

Quand le réseau doit établir un appel avec une station mobile, il doit savoir où celle-ci se trouve avec une certaine précision.

Deux cas extrêmes sont imaginables :

D'un côté, le GMSC ne sait pas où est la station mobile : il faut alors envoyer des messages de paging dans tout le réseau. Ceci génère un trafic important dans le canal de paging, canal que chaque station mobile doit "écouter" en permanence.

Et de l'autre, la position est connue à la cellule près. Dans ce cas, chaque fois qu'une station mobile au repos change de cellule, elle doit en informer le réseau. Ceci implique aussi un trafic important et des opérations fréquentes dans la station mobile.

Pour le réseau GSM, on a fait un compromis en définissant des zones de localisation. Une zone de localisation LA ou Location Area est la plus petite zone dans laquelle est localisée une station mobile. Elle recouvre en général plusieurs cellules. Chaque zone de localisation a un identificateur, qui est diffusé par le canal BCCH ou Broadcast Control CHannel.

Le HLR ou Home Location Register (Enregistrement de localisation normale) est une base de données assurant le stockage des informations sur l'identité et la localisation des abonnés.

Le VLR ou Visitor Location Register (Enregistrement de localisation pour visiteur) est une base de données assurant le stockage des informations sur l'identité et la localisation des visiteurs du réseau. L'AUC ou Authentification Center (centre d'authentification) est une base de données implémentée avec le HLR. Elle contient les clés d'authentification et les clés de cryptage des abonnés au réseau. EIR ou Equipment Identity Register est une base de données du réseau qui contient tous les numéros IMEI des mobiles enregistrés. On distingue :

? La liste blanche: numéros des stations normales

? La liste noire: numéros des stations volées

? La liste grise: numéros des stations ayant des problèmes techniques

1.3.1.7 Le centre d'exploitation et de maintenance

Cette partie du réseau, appelée aussi OMC ou Operation and Maintenance Center, rassemble trois activités principales de gestion : la gestion administrative, la gestion commerciale et la gestion technique. Le réseau de maintenance technique se joint au fonctionnement des éléments du réseau.

8

Il gère surtout les alarmes, les pannes, la sécurité, etc. Ce réseau se pose sur un réseau de transfert de données totalement dissocié du réseau de communication GSM.

1.3.1.8 Présentation des interfaces

Le tableau 1.01 ci-après présente les interfaces désignées par des lettres de A à H qui ont été définies par la norme GSM.

Nom de l'interface	Localisation	Utilisation
Um	MS-BTS	Interface radio
Abis	BTS-BSC	Divers
A	BSC-MSC	Divers
C	GMSC-HLR	Interrogation du HLR pour appel entrant
	SM-GMSC-HLR	Interrogation du HLR pour message court entrant
D	VLR-HLR	Gestion des informations d'abonnés et de localisation
	VLR-HLR	Services supplémentaires
E	MSC-SM-GMSC	Transport de messages courts
	MSC-MSC	Exécution des handover
G	VLR-VLR	Gestion des informations des abonnés
F	MSC-EIR	Vérification de l'identité du terminal
B	MSC-VLR	Divers
H	HLR-AUC	Echange de données d'authentification

Tableau 1.01: Les interfaces en GSM

1.3.1.9 Les différents types de signaux échangés

Les signaux de voix et de contrôle échangés entre le mobile et la base sont classés en plusieurs catégories [3]. Mais ils transitent tous sur 2 voies radio montantes et descendantes :

? La voie balise : FCCH, SCH, BCCH, PCH, RACH ...

? La voie trafic : TCH, SACCH, FACCH...

Le tableau 1.02 nous montre les différentes classes ou « channels » de signaux échangés.

	Type	Nom		Fonction	Méthode de multiplexage
Voie balise	BCH Broadcast CHannel (diffusion)	FCCH	Frequency correction CHannel	Calage sur la porteuse	Un burst particulier toutes les 50ms sur le slot 0 de la voie balise
		SCH	Synchronisation CHannel	Synchronisation, identification de la BTS	Un burst sur le slot 0 de la voie balise, une trame après le burst FCCH
		BCCH	Broadcast Control CHannel	Informations systèmes	04 burst "normaux" à chaque multitrame
	CCCH Common Control CHannel (accès partagé)	PCH	Paging CHannel	Appel des mobiles	Sous-blocs entrelacés sur 04 bursts "normaux"
		RACH	Random Access CHannel	Accès aléatoire des mobiles	Burst court envoyer sur des slots particuliers en accès aléatoire
		AGCH	Access Grant CHannel	Allocation de ressources	08 blocs entrelacés sur 04 bursts "normaux"
		CBCH	Cell Broadcast CHannel	Message courts diffusés (météo, trafic routier, etc.)	Utilise certains slots de la trame à 51.C (utilisation marginale)
Voie trafic	Canaux de contrôle dédiés	SDCCH	Stand-Alone Dedicated Control CHannel	Signalisation	08 SDCH + 08 SACCH sur un canal physique
		SACCH	Slow Associated Control CHannel	Compensation du délai de propagation, contrôle de la puissance d'émission, contrôle de la qualité de liaison et mesures sur les autres stations	associé à TCH sur un canal physique ou à 08 SDCH sur un canal physique
		FACCH	Fast Associated Control CHannel	Exécution du handover	vol du TCH lors de l'exécution du handover.
	TCH Traffic CHannel	TCH/FS TCH/HS	Traffic CHannel for Codes Speech	voix plein débit/démi débit	Occupe la majeure partie d'un canal physique
			Traffic CHannel for data	Données utilisateur 9,6 kbit/s, 4,8kbit/s, <2,4 kbit/s

9

Tableau 1.02: Les différentes classes ou « channels » de signaux échangés

1.3.2 GPRS

En 2002, la vitesse de transmission a été remise à niveau d'où le 2,5G (GPRS ou General Packet Radio Service). Elle est marquée par l'évolution du coeur IP. Elle permet de transporter des données utilisateur et des données de signalisation en optimisant l'utilisation des ressources du sous-système radio et du sous-système réseau fixe. La norme GPRS spécifie un nouveau service support de transmission de données (bearer) en mode paquets sur la technologie GSM.

1.3.2.1 Caractéristiques techniques

GPRS utilise les mêmes fréquences attribuées au GSM. Sa vitesse de transmission théorique maximum vaut 170 kbps et varie de 22 à 58 kbps en réel. Le GPRS utilise aussi le multiplexage fréquentiel mais à la place du multiplexage temporel, il utilise le multiplexage statistique.

1.3.2.2 Architecture du Réseau GPRS

La figure 1.02 ci-dessous présente l'architecture du réseau GPRS.

^MS

^BTS

^SGSN

^BSC

^PCU

^GGSN

^Gn

^{Autre PLMN}

^Gb

^Gp

^EIR

^SGSN

^Gf

^MSC

^Gs

^VLR

^Ga

^{Charging Gateway Function Gr}

^SMSC

^Gd

^Gn

^Billing

^Système

^Ga

^Gc

^Gi

^{Réseau de}

^données

^HLR

^GGSN

10

Figure 1.02 : Architecture du réseau GPRS

11

Voici un descriptif de quelques entités du réseau GPRS :

a. PCU

PCU ou Packets Controler Unit est un contrôleur de paquets intégré dans le BSC.

b. SGSN

SGSN ou Serving GPRS Support Node gère les services dans le centre de commutation (MSC). C'est une interface logique, l'abonné GSM et le réseau data externe permettant établissement de session, la gestion des abonnés actifs et de leurs mobilités ainsi que la mise à jour permanente des références d'un abonné et des services utilisés.

c. GGSN

GGSN ou Gateway GPRS Support Node est une passerelle avec les réseaux data externes. C'est un routeur (au sens IP) qui gère la taxation des abonnés au service.

d. SMSC et GMSC

Le SMSC ou Short Message Service Center et le GMSC permettent la communication interne au réseau par l'envoi de messages courts à destination du terminal GPRS.

1.3.2.3 Les interfaces réseaux internes

En GPRS, les interfaces réseaux internes suivantes ont été définies [4] :

· Gn : Réseau backbone GSN ou GPRS Service Node.

· Gb : Interface entre BSS et SGSN.

· Gr : Interface entre SGSN et HLR.

· Gp : Interface entre PLMN et PLMN.

· Gs : Interface entre SGSN et MSC.

· Gi : Point de référence entre le réseau GPRS et un réseau externe (Internet par exemple).

12

1.3.2.4 Modes de codage

La norme prévoit quatre formats de codage (CS ou Coding Scheme) de trames sur la voie radio : CS1, CS2, CS3 et CS4. Plus un format de codage est résistant aux interférences plus son débit instantané est faible. [5]

Le tableau 1.03 ci-dessous nous montre les différents modes de codage :

Code	1 slot		8 slots	CS1
9,05 kb/s	72,4 kb/s		CS2
13,6 kb/s	108,8 kb/s		CS3
15,7 kb/s	125,6 kb/s		CS4
21,4 kb/s	171,2 kb/s

Tableau 1.03: Différents modes de codage

1.3.3 HSCSD

Cette technologie permet d'avoir des débits de 57,4 kbits/s en concaténant 4 intervalles de temps (time slots) de 14,4 kbit/s au sein d'une cellule GSM TDMA ou Time Division Multiple Access. En effet, les canaux radio mis en parallèles sont notamment utiles dans des communications continues, alors que par définition, les communications TCP/IP ou Transmission Control Protocol/Internet Protocol sont discontinues.

Les services de données HSCSD ou High Speed Circuit Switched Data sont de très gros consommateurs de ressources radio, et ils sont mal adaptés au monde Internet.

1.3.4 EDGE

En utilisant toujours la bande 900 et 1800 Mhz, l'évolution de la nouvelle modulation radio a donnée naissance à l'EDGE ou Enhanced Data-rates for Global Evolution.

Le réseau EDGE dépasse le débit du GPRS grâce à l'introduction d'une nouvelle modulation, de nouveaux schémas de codage et la généralisation du principe de l'adaptation de lien.

1.3.4.1 Caractéristiques techniques

Théoriquement, son débit maximum vaut 384 kbps et, réellement, 60 à 280 kbps. En émission, un mobile EDGE émettra dans une bande qui s'étend de 890 à 915 MHz (Uplink). En réception, la

13

bande sera 935 à 960 MHz (Downlink). Ainsi, pour une communication, il y aura 45 MHz de séparation entre le canal d'émission et le canal de réception.

Ces bandes de fréquences sont divisées en portions de 200kHz chacune. Ce sont les canaux de transmission. Un canal peut accueillir jusqu'à 8 transmissions simultanées en temps partagé.

La modulation utilisée pour la technologie EDGE est appelée 8 PSK ou eight Phase Shift Keying.

1.3.4.2 Inconvénients du réseau EDGE

Le réseau EDGE admet aussi des inconvénients tels que :

? Son débit est inférieur à l'UMTS.

? Il exige de nouveaux combinés.

? Il représente un risque d'interférence inter-symbole.

1.4 Troisième génération des téléphones mobiles

1.4.1 UMTS

Le 3G est un système numérique évolué de types UMTS. Il suit la recommandation IMT2000 ou International Mobile Telecommunications-2000. Cette norme européenne est pour la transmission vocale, texte, vidéo ou multimédia numérisée. Elle est basée sur une combinaison de services fixes et radio mobiles. La téléphonie standard, l'accès à l'Internet, la téléphonie vidéo et des services spécialement adaptés tels que les actualités et les informations sur la bourse seront mis incessamment à la disposition des utilisateurs, où qu'ils soient et lorsqu'ils sont en déplacement. [6]

1.4.1.1 Caractéristiques techniques

Les spécifications techniques de cette norme sont développées au sein de l'organisme 3GPP. Les technologies développées autour de la norme UMTS conduisent à une amélioration significative des vitesses de transmission pouvant arriver jusqu'à 2 Mbit/s. Cette amélioration des débits est obtenue par l'évolution des technologies radio qui admet une meilleure efficacité spectrale.

En Février 1992, le World Radio Conference avait alloué pour l'usage de l'UMTS les bandes de 1885-2025 et 2110-2200 MHz.

Sa vitesse théorique maximale varie de 384 kbps à 2 Mbps et réel varie de 144 à 384 kbps. Elle utilise comme technique de multiplexage W-CDMA ou Wideband CDMA qui se sert du mode de

14

duplexage FDD ou Frequency Division Duplex et deux bandes passantes de 5 Mhz, dont l'une pour le sens montant (uplink) et l'autre pour le sens descendant (downlink).

Son évolution est exprimée par la commutation de circuit et des paquets ainsi que la modification totale du réseau. Elle a besoin de nouveaux équipements mobiles.

De plus, les téléphones mobiles et les équipements sans fil utilisant le 3G émettent et reçoivent des données de façon bien plus rapide que les systèmes de 2G. Cela permet de nombreuses caractéristiques et applications additionnelles.

1.4.1.2 Architecture du réseau UMTS

La figure 1.03 ci-dessous présente l'architecture du Réseau UMTS.

^Equipement ^usager

^Réseau ^d'accès

^Réseau coeur

^Réseau ^externes

^{NODE B}

^{NODE B}

^{NODE B}

^{NODE B}

^Iub

^Iub

^Iub

^Iub

^RNC

^RNC

^Iur

^Iu

^{CS domain}

^VLR

^HLR

^GMSC

^MSC

^{Élément commun}

^AUC

^EIR

^{PS domain}

^GGSN

^SGSN

^INTERNET

Figure 1.03 : Architecture du Réseau UMTS

En général, un réseau UMTS est constitué de trois domaines :

? L'équipement d'abonné UE ou User Equipment

? Le réseau d'accès UTRAN ou UMTS Terrestrial Radio Access Network

· 15

Le réseau coeur CN ou Core Network.

L'UTRAN fournit la méthode d'accès sur l'interface constitué par l'espace libre pour les équipements d'abonné. Il détermine l'interface radio (méthode d'accès multiple et de duplexage ainsi que les paramètres correspondants) utilisée par les UE pour accéder aux services offerts par le réseau UMTS. La station de base est dénommée Node B et l'équipement qui contrôle ce dernier est appelé RNC ou Radio Network Controller.

La principale fonction du coeur du réseau est de fournir la commutation, le routage et le transit des trafics des usagers. Le coeur du réseau contient aussi les bases de données sur les utilisateurs ainsi que les fonctions de gestion du réseau. L'architecture de base du CN a été fortement inspirée du réseau GSM avec l'extension GPRS. Cependant tous les équipements doivent être modifiés et adaptés pour les services et opérations UMTS.

Le réseau coeur de l'UMTS est composé de trois parties dont deux domaines :

· Le domaine CS ou Circuit Switched utilisé pour la téléphonie

· Le domaine PS ou Packet Switched qui permet la commutation de paquets.

· Les éléments communs aux domaines CS et PS.

1.4.1.3 Les interfaces de communication

Plusieurs types d'interfaces de communication coexistent au sein du réseau UMTS :

· Uu : Interface entre un équipement usager et le réseau d'accès UTRAN. Elle permet la communication avec l'UTRAN via la technologie CDMA.

· Iu : Interface entre le réseau d'accès UTRAN et le réseau coeur de l'UMTS. Elle permet au contrôleur radio RNC de communiquer avec le SGSN.

· Iur : Interface qui permet à deux contrôleurs radio RNC de communiquer.

· Iub : Interface qui permet la communication entre un Node B et un contrôleur radio RNC.

· RNCs : interface pour interconnecter un SRNC ou serving RNC et un DRNC ou drift RNC

1.4.2 Evolution radio de l'UMTS

La technologie HSPA ou Hight Speed Packet Access est une technologie de téléphonie mobile permettant la transmission de données à des vitesses allant jusqu'à 21Mbit/s.

Précipitamment, la volonté apparut d'effacer les limites de la Release 99 en matière de débits. Les évolutions HSPA, actuellement connues sous le nom de 3G+, furent introduites :

16

? HSDPA ou High Speed Downlink Packet Access pour la voie descendante

? HSUPA ou High Speed Uplink Packet Access pour la voie montante.

Ces évolutions ont été définies par le 3GPP respectivement en Release 5 (2002) et Release 6 (2005) afin d'accroître les débits possibles et de réduire la latence du système.

La modulation 16QAM ou 16 Quadrature Amplitude Modulation est introduite pour la voie descendante en complément de la modulation QPSK ou Quadrature Phase Shift Keying en vigueur en Release 99.

De même, la modulation QPSK est introduite pour la voie montante en complément de la modulation BPSK ou Binary Phase Shift Keying utilisée en Release 99.

Enfin, un nouveau mécanisme de retransmission rapide des paquets erronés, appelé HARQ ou Hybrid Automatic ReQuest, est défini entre l'UE et la station de base, afin de réduire la latence du système en cas de perte de paquets.

Ces évolutions offrent aux utilisateurs des débits maximaux de 14,4 Mbit/s en voie descendante et de 5,8 Mbit/s en voie montante, ainsi qu'une latence réduite. [7]

1.5 Quatrième génération des téléphones mobiles

1.5.1 LTE et LTE-Advanced

Renouvelant la 3G (l'expérience de ces 20 années de téléphonie) et aux évolutions de cette norme, le LTE ou Long Term Evolution apparait avant tout comme une rupture technique avec une nouvelle Interface radio basée sur un multiplexage d'accès OFDMA ou Orthogonal Frequency Division Multiplexing et une modification de l'Architecture réseau existant afin de fournir une connexion tout IP.

LTE est un projet de la 3^ème génération consistant à améliorer la vitesse de transmission des paquets. LTE-Advanced est le réseau de la 4^ème génération. Il permet de faire des téléchargements plus rapides. Il est intégré au téléphone en 2008 et apparu sur le réseau en 2010.

D'une manière générale, les technologies de 4G doivent se différencier aux générations précédentes par des débits (de 100 Mbit/s à 1Gbit/s, contre moins de 15 Mbit/s pour la 3G) et une qualité de services augmentés.

1.5.1.1 Architecture du Réseau LTE

Les réseaux 4G présentent la même architecture générale que les autres types de réseaux mobiles. On peut distinguer trois parties à savoir les terminaux des utilisateurs, le réseau d'accès et le réseau coeur. [8]

La figure 1.04 ci-dessous présente l'architecture du Réseau LTE.

^S-SW/MME

^PDN-GW

^eNodeB

^eNodeB

^eNodeB

^{Terminaux mobiles}

^{RESEAU PUBLIC}

17

Figure 1.04 : Architecture du Réseau LTE

Le réseau coeur LTE est appelé SAE ou System Architecture Evolution. Il comprend les passerelles S-GW ou Serving Gateway et le PDN-GW ou Packet Data Network Gateway. Le S-GW s'occupe de la gestion de la mobilité à travers le MME ou Mobility Management Entity et du routage des paquets sortants vers le PDN-GW. Le PDN-GW est responsable de la tarification ainsi que de l'interfaçage du réseau avec les réseaux externes. [8]

1.5.1.2 Technologie dans les réseaux mobiles 4G

Les réseaux mobiles 4G utilisent les technologies MIMO ou Multiple Input Multiple Output, OFDM ou Orthogonal Frequency Division Multiplexing, AAS ou Adaptive Antenna Systems, AMS ou Adaptive Modulation Schemes, AES ou Advanced Encryption Standard et IP. Ces technologies

18

leur permettent d'atteindre des débits de plusieurs dizaines de Mbps et d'introduire les principales fonctionnalités nécessaires pour permettre la mobilité à de très grandes vitesses. [8]

1.6 Mesure des paramètres radio en réseau mobile

1.6.1 Etats de la station mobile

Le réseau reconnaît à la station mobile 3 états: ? Detached

? Idle

? Connected

1.6.1.1 IMSI detached

La station n'est pas alimentée ou est inaccessible; elle est considérée comme "détachée" du réseau. [2]

1.6.1.2 Idle

La station mobile est alimentée et "attachée" au réseau (IMSI attached), mais sans communication. Elle mesure les puissances des cellules et procède si nécessaire à un changement de zone de localisation ou Location Update. [2]

1.6.1.3 Dedicated

La station est en communication (téléphone, fax, data). Elle a au moins deux canaux dédiés dont SACCH. En cas de changement de cellule, la communication ne doit pas être perturbée. [2]

1.6.2 Mobilité en mode connecté

L'usager peut être amené à se déplacer hors de la cellule sur laquelle l'appel a été établi pendant un appel sur un réseau mobile. Cette mobilité ne doit pas mener à la coupure de l'appel. Pour garantir cette continuité de service, le réseau mobile met en oeuvre des mécanismes basculant l'UE vers la meilleure cellule qui peut le recevoir. Ces mécanismes reposent sur des mesures radio réalisées par l'UE sur la cellule serveuse et les cellules voisines.

Le réseau choisit alors, essentiellement en fonction de ces mesures, la cellule cible et la façon de faire basculer l'UE vers cette cellule. [7]

19

1.6.2.1 La resélection

Elle se repose sur les mêmes principes que ceux utilisés en mode veille. Par exemple, elle est employée en GPRS et en UMTS dans des états transitoires ou dormants. L'UE envoie ou reçoit peu de données (faible activité) et les périodes d'inactivité lui permettent alors de réaliser des mesures sur des cellules voisines. Lors d'une resélection, le réseau n'effectue aucune préparation sur la cellule cible. [7]

1.6.2.2 Redirection

Ce mécanisme consiste à envoyer l'UE vers une cellule cible, sans dialogue préalable entre la station de base d'origine et celle de destination. Cette cellule cible peut se trouver sur une autre fréquence ou appartenir à un autre système. Aucune ressource radio, logique ou de transmission n'est réservée sur la cellule ou sur le système cible. Cela réduit donc la probabilité de succès de l'opération. Par ailleurs, la procédure de bascule peut être longue et conduit à des pertes de données, c'est-à-dire, à une dégradation de la qualité de service perçue par l'usager. En revanche, elle est simple pour le réseau et n'entraine pas de charge de signalisation entre les noeuds source et cible. [7]

1.6.2.3 Handover

Le handover est un mécanisme qui permet à une station mobile active (dans l'état dédié) de changer de cellule, de changer de LA ou de changer de MSC sans perdre la communication. [2]

Il se distingue de la redirection par une phase de préparation de la station de base de destination et bascule du flux de données plus rapide et souvent plus fiable (car plus proche de l'interface radio). Il suit le principe de make before break, c'est-à-dire de préparer l'environnement radio cible avant de relâcher l'existant. [7]

On peut distinguer trois phases dans la réalisation d'un handover :

? La phase de mesure sur la cellule serveuse et sur les cellules voisines ;

? La phase de préparation de la cellule cible, qui met en jeu des échanges entre les contrôleurs

de stations de base source et destination, ainsi qu'entre ces contrôleurs et le réseau coeur ; ? La phase d'exécution, c'est-à-dire la bascule de l'UE et des flux de données, puis la relâche

des ressources dans la cellule d'origine.

Le schéma suivant (Figure 1.05) montre le séquencement de ces phases, les noeuds impliqués et les principales actions réalisées.

^{la cellule source}

^{1. Phase de mesure}

		^Configuration
		^mesures

^Source

^la station de base source

^ressources

^2. Phase de préparation

^Sécurité

^Source

^Cible

^à accueillir l'UE

^Ordre de bascule

^Appel en cours sur ^3. Phase d'exécution

^Transfert des ^données

^Reprise de l'appel ^sur la cellule cible

^Source

^Cible

20

^{Choix de la cellule cible par}

^{Cellule cible prête}

^{Allocation des}

Figure 1.05 : Les 03 phases de handover

1.6.2.4 Types de Handover en GSM Il existe 04 types de handover en GSM:

a. Handover Intra-BSC

Le nouveau canal est attribué à la MS dans la même cellule ou une autre cellule gérée par le même

BSC.

b. Handover Intra-MSC

Le nouveau canal est attribué à la MS mais dans une cellule gérée par un autre BSC, lui-même étant géré par le même MSC.

c. Handover Inter-MSC

Le nouveau canal est attribué dans une cellule qui est gérée par un autre MSC.

21

d. Handover Inter-System

Un nouveau canal est attribué dans un autre réseau mobile que celui qui est en charge de la MS (exemple entre un réseau GSM et UMTS).

1.6.2.5 Handover supporté par l'UMTS

L'UMTS supporte 02 catégories de handovers : soft handover et hard handover. a. Soft handover

Un soft handover (figure 1.06) survient entre deux cellules ou deux secteurs qui sont supportés par différents Node B. L'UE transmet ses données vers différents Node B simultanément et reçoit des données de ces différents Node B simultanément. Dans le sens descendant, les données utilisateur délivrées à l'UE sont émises par chaque Node B simultanément et sont combinées dans l'UE. Dans le sens montant, les données utilisateur émises par l'UE sont transmises à chaque Node B qui les achemine au RNC où les données sont combinées. [9]

^Uu

^Uu

^{Node B}

^{Node B}

^lub

^lu

^SRNC

^lur

^lub

^DRNC

Figure 1.06 : Soft handover

Remarque :

Softer handover, dont l'illustration est sur la figure 1.07, s'agit d'un changement de cellule avec le même RNC, tandis que soft handover est un changement de cellule avec changement de RNC. Les deux RNC communiquent entre eux le canal Jur.

^{Node B}

^Uu

^lub

^lu

^RNC

^Uu

22

Figure 1.07 : Softer handover

b. Hard handover

Le réseau doit procéder à un hard handover (avec brève interruption du canal) [2]:

· Quand la nouvelle cellule ne travaille pas dans la même bande de fréquence

· Quand le nouveau contrôleur radio ne peut pas communiquer avec l'ancien (interface Jur pas disponible)

· Quand la technique de duplexage dans la nouvelle cellule n'est plus la même

· Quand il faut passer d'un réseau UMTS à un réseau GSM.

1.6.3 Mesure des paramètres radio en GSM

Le transfert se fait en fonction de deux mesures faites par la station mobile:

· La puissance reçue des porteuses BCCH des cellules voisines (RXLEV).

· La qualité de la réception pendant les conversations (RXQUAL). On mesure le taux d'erreur par bit (Bit Error Rate).

1.6.3.1 RXLEV

Le Rxlevel, (niveau de réception) est une mesure quantitative du niveau de champ reçu sur le canal BCCH en veille. Le BCCH, est toujours émis à puissance constante depuis la BTS et il n'est pas soumis au saut de fréquence. C'est la mesure certainement la plus connue des utilisateurs de mobiles, sa visualisation se fait sur un bargraphe indiquant le niveau de réception du réseau.

23

Le critère C1 est un paramètre vérifiant que la cellule sélectionnée est toujours parfaitement reçue et qu'elle ne subit pas un affaiblissement trop fort par rapport à d'autres cellules avoisinantes. Pour vérifier cette hypothèse, le critère C₁ est composé de 2 parties. Une partie définissant les capacités du mobile et une autre celles de la BTS. L'équation vérifie la liaison descendante et montante. Ce critère s'écrit comme suit :

avec:

C1 = (RxLev + RX_AccessMin - ??????(MAX (Max_TXPWR_Max_CCH - Max. mobile RF Power, 0)

(1.01)

? RxLev : Niveau de champs reçu sur le canal BCCH en veille et en communication sur les canaux TCH, SACCH, SDCCH et FACCH (en dBm).

? RX_Access_Min : Niveau minimum autorisé par la BTS pour que le mobile puisse s'accrocher à elle (en dBm).

? Max_TXPWR_Max_CCH : Paramètre fixant la puissance à laquelle le mobile doit émettre lors de l'accès initial à une cellule. Si ce paramètre est supérieur à la classe de puissance du mobile, celui-ci émet à sa puissance maximale (30 dBm pour un 1W, 33 dBm pour un 2W et 39 dBm pour un 8W).

? Max. mobile RF Power : Puissance maximale avec laquelle le mobile est capable d'émettre vers la BTS, Ce paramètre est défini par la classe du mobile (30 dBm pour un 1W, 33 dBm pour un 2W et 39 dBm pour un 8W).

? Max (X,0) signifie que si X > 0 = X et si X<0 = 0

Le critère C2, appelé critère de re-sélection est implémenté en phase 2. Il a pour fonction de favoriser ou de défavoriser une cellule candidate à la re-sélection pendant un temps donné. Lorsqu'il est présent, le critère C2 remplace le critère C1 pour la re-sélection de cellule, le critère C1 fait partie de l'équation du critère C₂ :

Si Penalty_Time< 31 (620s), on a:

C₂ = C₁ + (Cell_Reselect_Offset - (TemporaryOffset × PenaltyTime)) (1.02)

Si Penalty_Time = 31 (620s), alors:

C₂ = C₁ - Cell_Reselect_Offset (1.03)

avec:

· Cell_Reselect_Offset : Valeur de l'offset permanent ajouté à C1.

· Temporary_Offset : Offset temporaire servant à défavoriser une cellule le temps du Penalty_Time.

· Penalty_Time : Durée pendant laquelle le Temporary_Offset va être appliqué.

Le BTS paramétrée pour des mobiles 2W avec un critère C1 de 23 dBm, un offset de 16 dBm et Temporary_Offset de 60 dBm et un Penalty_Time de 20 secondes.

C2 = C1 + 16 - 60 (1.04)

où 60 dBm pendant 20 secondes.

avec :

C1 : Paramètre vérifiant que la cellule sélectionnée est reçue et ne subit pas un affaiblissement.

C₂ : Critère de re-sélection

(1.05)

Ainsi, pendant les 20 premières secondes, lorsque la BTS apparaît parmi la liste des cellules voisines, le critère est défini ainsi :

C₂ = 23 + 16 - 60

C₂ = -21 ??????

(1.06)

24

ensuite, on a :

C2 = 23 + 16

C2 = 39 ??????

Le tableau 1.04 récapitule les niveaux de champs.

Type de service	Niveaux de champ
Deep Indoor	-65 dBm à 0 dBm
Indoor	-75 dBm à -65 dBm
Incar	-85 dBm à -75 dBm
Outdoor	-95 dBm à -85 dBm
Carkit	-110 dBm à -95 dBm

Tableau 1.04: Tableau récapitulatif des niveaux de champs

25

1.6.3.2 RXQUAL

La qualité du signal est évaluée par le paramètre RxQual. Elle est obtenue en quantifiant le taux d'erreurs binaires BER ou Bit Error Ratio, sur 08 niveaux. Une valeur spécifique permet de représenter chaque niveau de RxQual, elle peut être utilisée pour moyenner diverses mesures du RxQual. Elle correspond à la moyenne géométrique des bornes de la plage. Le tableau 1.05 résume le niveau de qualité:

RxQual
Bonne qualité	0	- 4
Qualité moyenne	5	- 6
Mauvais equalité		7

Tableau 1.05: Tableau récapitulatif des niveaux de qualité. 1.6.4 Niveau de signal et qualité de signal en UMTS

1.6.4.1 RSCP

Received Signal Code Power ou RSCP représente le niveau de la puissance reçue de la fréquence pilote d'une station de base (Noeud B ou nB). Dans le cadre de la 3G, le multiplexage est réalisé par code, plusieurs nB peuvent transmettre sur la même fréquence, avec des codes spécifiques. Le RSCP permet de calculer le niveau de puissance d'une station de base, c'est-à-dire après démultiplexage du code. [10]

Il interprète notamment l'affaiblissement de la propagation. A l'intérieur d'un bâtiment, il est surtout sensible aux matériaux utilisés et l'épaisseur des cloisons. Le RSCP ne mesure pas directement la puissance du canal utilisé pour le trafic de données mais permet de fournir une bonne indication de l'atténuation de ce canal.

1.6.4.2 EcNo

C'est l'énergie reçue par chip (received energy per chip) du canal pilote divisé par le bruit total. Cela revient à estimer une image du rapport Signal Sur Bruit, lequel conditionne (Cf. Shannon) la capacité du canal, autrement dit le débit maximum de transmission sans erreur. Ec/No (Ratio of energy per modulating bit to the noise spectral density) est donc égal au RSCP divisé par le RSSI ou Received Signal Strength Indicator (bruit total).

26

La meilleure valeur de EcNo correspond à la marge de puissance entre le signal reçue et le bruit sur le signal pilote (et uniquement sur le signal pilote). C'est pour cette raison que la valeur est indicative du rapport signal à bruit pour la transmission de données mais non pas la valeur du SNR ou Signal to Noise Ratio de la transmission des informations. [10]

1.6.5 Niveau de signal et qualité de signal en LTE

Le mobile (User Equipment ou UE) et la station de base (eNB) effectuent périodiquement des mesures radios pour connaître la qualité du lien radio (canal de propagation). [10]

1.6.5.1 RSRP

Reference Signal Receive Power ou RSRP est la mesure semblable au RSCP pour la 3G ; Ces deux notions sont donc identiques dans la fonction, mais s'appliquent à deux technologies différentes. La mesure s'exprime en Watt ou en dBm. La valeur est comprise entre -140 dBm à -44 dBm par pas de 1dB.

La station de base émet des signaux de références (RS ou Reference Signal) permettant d'estimer la qualité du lien du canal radio. Un signal de référence est un signal émis par l'émetteur et connu par le récepteur, ce signal ne transmet aucune information. Cependant, le récepteur compare la séquence reçue à la séquence émise (donc en clair la séquence que le récepteur aurait dû recevoir dans l'idéal) et à partir de la différence entre les deux, le récepteur estime la déformation apportée par le canal de transmission (multi-trajets, effets de masque, atténuation, interférences, etc... [10]

Cette séquence connue est émise sur toute la cellule. Il s'agit d'un signal broadcasté spécifique par cellule. Par conséquent il doit être émis avec une puissance suffisante pour couvrir la cellule et avoir des propriétés particulières pour différencier le signal reçu d'une cellule à une autre. Le motif est identique à chaque sous trame, à un décalage en fréquence près entre les cellules de manière à limiter l'interférence et améliorer ainsi la réception du RS. La puissance du CRS ou Cell Reference Signal peut aussi être augmentée en cas de fort trafic par rapport à la puissance des données via le Power Boosting pour la voie descendante. [10]

L'UE quant à lui envoie un signal de référence de sonde, nommé SRS permettant à l'eNB de déterminer la qualité du canal montant et de maintenir la synchronisation. [10]

Les mesures effectuées (signaux de références aussi appelés pilotes CRS indiquant que le signal de référence est spécifique à la cellule) sont relayées aux couches supérieures afin de planifier des Handovers. [10]

27

L'UE se sert des mesures des signaux de références afin d'estimer (indicateur) le niveau du signal reçu (RSRP) permettant ainsi, en mode de veille, de sélectionner la meilleure cellule. La mesure impacte donc la gestion de la mobilité de l'UE (RRM ou Radio Ressource Management). [10]

1.6.5.2 RSRQ

Le RSRP ne donne aucune information sur la qualité de la transmission. Ainsi, le LTE s'appuie alors sur l'indicateur RSRQ ou Reference Signal Received Quality, qui peut être comparé à l'indicateur Ec/No réalisé en 3G et défini comme le rapport entre le RSRP et le RSSI. Le RSSI représente la puissance totale du signal reçu, cela englobe le signal transmis, le bruit et les interférences, d'où la formule suivante :

???????? = 10 log(?? × ???????? (1.07)

???????? )

où N étant le nombre de ressource block.

La mesure du RSRQ est intéressante notamment aux limites des cellules, positions pour lesquelles des décisions doivent être prises pour accomplir des Handovers et changer de cellule de références. Le RSRQ mesuré varie entre ?19,5dB à ?3dB par pas de 0.5dB. Il n'est utile que pour des communications, c'est-à-dire lors de l'état connecté. La précision absolue (Intra et inter frequentiel) varie de #177;2.5 à #177;4 dB.

L'indicateur RSRQ fournit des informations additionnelles quand le RSRP n'est pas suffisant pour faire le choix d'un handover ou d'une re-sélection de cellules.

1.7 Conclusion

Chaque génération de téléphonie mobile a sa propre caractéristique technique. Elles se différencient souvent par le débit, l'architecture, la technique de modulation et de multiplexage, les équipements et surtout par les mesures de paramètres radio.

28