Dimensionnement de la couverture radio du réseau 4G LTE
L’analyse présente le dimensionnement de la couverture radio pour les réseaux 4G LTE afin de répondre à la demande croissante des utilisateurs en termes de qualité de service. Elle aborde les défis liés au déploiement des réseaux mobiles et l’optimisation des ressources pour réduire les coûts d’investissement. Le document étudie l’évolution des réseaux cellulaires depuis la première génération jusqu’à la technologie LTE. La recherche inclut également une étude de cas pratique sur une zone de déploiement située à Imerintsiatosika.
Université d’Antananarivo
École Supérieure Polytechnique
Mention Télécommunication
Parcours : Ingénierie en Radiocommunication
Domaine : Sciences de l’Ingénieur
Mémoire en vue de l’obtention du diplôme de Licence
Dimensionnement de la couverture
Radio du réseau 4G LTE
Par : Raherilaza Ainanirina Ndranto
Soutenu le 03 Octobre 2023 à 11 heure devant la Commission d’Examen composée de :
Président : M. Rasolomanana Jean Fanomezantsoa Examinateur : M. Randriamihajarison Mparany Jimmy Directeur de mémoire : M. Boto Andrianandrasana Jean Espérant
Année Universitaire :
2022 / 2023
En raison de l’augmentation de la demande des utilisateurs en termes de services et de qualité, l’opérateur mobile
REMERCIEMENTS
Tout d’abord, je voudrais remercier le grand Dieu de m’avoir donné la force et la santé pour pouvoir réaliser ce travail, et surtout pour arriver à ce jour aujourd’hui.
Je tiens également à remercier :
Monsieur RAVELOMANANA Mamy, Professeur, président de l’Université d’Antananarivo.
Monsieur RAKOTOSAONA Rijalalaina, Professeur, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo.
Monsieur RAJAONARISON Roméo, Maître de conférences à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, Chef de la Mention Télécommunication à l’ESPA.
Monsieur BOTO ANDRIANANDRASANA Jean Espérant, Assistant d’Enseignement et de Recherche au sein du Département Télécommunication à l’ESPA, pour son encadrement et ses conseils précieux tout au long de la réalisation de ce mémoire.
Monsieur RASOLOMANANA Jean Fanomezantsoa, Docteur de l’Université d’Antananarivo, qui m’a fait l’honneur de présider ce mémoire.
Monsieur RANDIAMIHAJARISON Mparany Jimmy, Assistant d’Enseignement et de Recherche au sein du Département Télécommunication à l’ESPA, qui ont voulu examiner ce travail.
Je n’oublie pas de remercier mes parents et mes familles qui m’ont toujours soutenu et encouragé, surtout avec leur aide financière et matérielle pour moi.
Enfin, je tiens à vous remercier tous et mes amis qui m’ont toujours aidé et conseillé afin que je puisse atteindre cet objectif.
Je ne pourrai pas rembourser cette faveur et cette aide que vous m’avez accordées, mais Dieu est là pour y répondre.
TABLES DES MATIERES REMERCIEMENTS i
TABLES DES MATIERES ii
LISTES DES ABREVIATIONS ET NOTATIONS vii
INTRODUCTION GÉNÉRALE 1
CHAPITRE 1 LA PROGRESSION DES RÉSEAUX DE TÉLÉPHONIE MOBILE 2
• Introduction 2Le concept cellulaire 2La première génération 1G 3Caractéristiques techniques 3La technique d’accès utilisée dans 1G 4Les standards de 1G 4La deuxième génération 2G ou GSM 4Historiques 4Le réseau radio mobile GSM 5Généralités 5Architecture du GSM 5La norme GSM 9Les principales caractéristiques de la norme GSM 10General Packet Radio Service (GPRS) 10Architecture 10Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) 11La troisième génération 3G ou UMTS 12Architecture du réseau UMTS 12Le réseau d’accès UTRAN 13Le réseau cœur 13Caractéristiques et évolutions de l’UMTS 13Limites de l’UMTS 14Conclusion 14
• Introduction 2
• Le concept cellulaire 2
• La première génération 1G 3Caractéristiques techniques 3La technique d’accès utilisée dans 1G 4Les standards de 1G 4
• Caractéristiques techniques 3
• La technique d’accès utilisée dans 1G 4
• Les standards de 1G 4
• La deuxième génération 2G ou GSM 4Historiques 4Le réseau radio mobile GSM 5Généralités 5Architecture du GSM 5La norme GSM 9Les principales caractéristiques de la norme GSM 10General Packet Radio Service (GPRS) 10Architecture 10Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) 11
• Historiques 4
• Le réseau radio mobile GSM 5Généralités 5Architecture du GSM 5La norme GSM 9Les principales caractéristiques de la norme GSM 10
• Généralités 5
• Architecture du GSM 5
• La norme GSM 9
• Les principales caractéristiques de la norme GSM 10
• General Packet Radio Service (GPRS) 10Architecture 10
• Architecture 10
• Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) 11
• La troisième génération 3G ou UMTS 12Architecture du réseau UMTS 12Le réseau d’accès UTRAN 13Le réseau cœur 13Caractéristiques et évolutions de l’UMTS 13Limites de l’UMTS 14
• Architecture du réseau UMTS 12Le réseau d’accès UTRAN 13Le réseau cœur 13
• Le réseau d’accès UTRAN 13
• Le réseau cœur 13
• Caractéristiques et évolutions de l’UMTS 13
• Limites de l’UMTS 14
• Conclusion 14
CHAPITRE 2 ÉTUDES APPROFONDIES DU RÉSEAU 4G LTE 15
• Introduction à la technologie LTE 15Normalisation du LTE 15Architectures du réseau LTE 16L’équipement utilisateur (UE) 17Le réseau d’accès : E-UTRAN 17Le réseau cœur : EPC 18Mobile Management Entity : MME 18Serving Gateway : S-GW 19Packet data network Gateway: P-GW 19Home Subscriber Server : HSS 19Policy and Charging Rules Function: PCRF 19Caractéristiques fondamentales du réseau LTE 20Débits et fréquences du réseau LTE 20Mobilité 20Le réseau tout IP 20La latence 21La latence du plan contrôle 21La latence du plan usager 21L’interface radio du 4G 21L’architecture de l’interface radio 21Les canaux radio 23Les canaux logiques 23Les canaux de transport 24Les couches physiques 24Mode de duplexage en LTE 25Le mode FDD [24] 25Le mode TDD 26Principe de la technologie MIMO [2] 26Les méthodes d’accès 27Le principe de l’OFDM [8] 27Orthogonal Frequency Division Multiple Access: OFDMA 28Single-Carrier Frequency Division Multiple Access: SC-FDMA 28Les modulations en LTE 29Conclusion 29
• Introduction à la technologie LTE 15
• Normalisation du LTE 15
• Architectures du réseau LTE 16L’équipement utilisateur (UE) 17Le réseau d’accès : E-UTRAN 17Le réseau cœur : EPC 18Mobile Management Entity : MME 18Serving Gateway : S-GW 19Packet data network Gateway: P-GW 19Home Subscriber Server : HSS 19Policy and Charging Rules Function: PCRF 19
• L’équipement utilisateur (UE) 17
• Le réseau d’accès : E-UTRAN 17
• Le réseau cœur : EPC 18Mobile Management Entity : MME 18Serving Gateway : S-GW 19Packet data network Gateway: P-GW 19Home Subscriber Server : HSS 19Policy and Charging Rules Function: PCRF 19
• Mobile Management Entity : MME 18
• Serving Gateway : S-GW 19
• Packet data network Gateway: P-GW 19
• Home Subscriber Server : HSS 19
• Policy and Charging Rules Function: PCRF 19
• Caractéristiques fondamentales du réseau LTE 20Débits et fréquences du réseau LTE 20Mobilité 20Le réseau tout IP 20La latence 21La latence du plan contrôle 21La latence du plan usager 21
• Débits et fréquences du réseau LTE 20
• Mobilité 20
• Le réseau tout IP 20
• La latence 21La latence du plan contrôle 21La latence du plan usager 21
• La latence du plan contrôle 21
• La latence du plan usager 21
• L’interface radio du 4G 21L’architecture de l’interface radio 21Les canaux radio 23Les canaux logiques 23Les canaux de transport 24Les couches physiques 24Mode de duplexage en LTE 25Le mode FDD [24] 25Le mode TDD 26
• L’architecture de l’interface radio 21
• Les canaux radio 23Les canaux logiques 23Les canaux de transport 24Les couches physiques 24
• Les canaux logiques 23
• Les canaux de transport 24
• Les couches physiques 24
• Mode de duplexage en LTE 25Le mode FDD [24] 25Le mode TDD 26
• Le mode FDD [24] 25
• Le mode TDD 26
• Principe de la technologie MIMO [2] 26
• Les méthodes d’accès 27Le principe de l’OFDM [8] 27Orthogonal Frequency Division Multiple Access: OFDMA 28Single-Carrier Frequency Division Multiple Access: SC-FDMA 28
• Le principe de l’OFDM [8] 27
• Orthogonal Frequency Division Multiple Access: OFDMA 28
• Single-Carrier Frequency Division Multiple Access: SC-FDMA 28
• Les modulations en LTE 29
• Conclusion 29
CHAPITRE 3 DIMENSIONNEMENT ET OPTIMISATION DU RÉSEAU 4G LTE 30
• Introduction 30Objectifs de dimensionnement 30Prédimensionnement 30Dimensionnement par couverture 31Les calculs à faire 32Bilan de liaison 32PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée équivalente) 33Réception minimale du signal 𝑅𝑚𝑖𝑛 34Pertes de pénétrations 36Marges d’atténuation due aux ombres 37Choix du modèle de propagation 38Le modèle de propagation Okumura-Hata 38Le modèle de propagation COST 231 de Hata 40Rayon de la cellule [km] 41Le nombre de sites 42Calcul de la superficie de la zone de couverture d’un site 42Optimisation 43Conclusion 43
• Introduction 30
• Objectifs de dimensionnement 30
• Prédimensionnement 30
• Dimensionnement par couverture 31Les calculs à faire 32Bilan de liaison 32PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée équivalente) 33Réception minimale du signal 𝑅𝑚𝑖𝑛 34Pertes de pénétrations 36Marges d’atténuation due aux ombres 37Choix du modèle de propagation 38Le modèle de propagation Okumura-Hata 38Le modèle de propagation COST 231 de Hata 40Rayon de la cellule [km] 41Le nombre de sites 42Calcul de la superficie de la zone de couverture d’un site 42
• Les calculs à faire 32
• Bilan de liaison 32PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée équivalente) 33Réception minimale du signal 𝑅𝑚𝑖𝑛 34Pertes de pénétrations 36Marges d’atténuation due aux ombres 37
• PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée équivalente) 33
• Réception minimale du signal 𝑅𝑚𝑖𝑛 34
• Pertes de pénétrations 36
• Marges d’atténuation due aux ombres 37
• Choix du modèle de propagation 38Le modèle de propagation Okumura-Hata 38Le modèle de propagation COST 231 de Hata 40
• Le modèle de propagation Okumura-Hata 38
• Le modèle de propagation COST 231 de Hata 40
• Rayon de la cellule [km] 41
• Le nombre de sites 42Calcul de la superficie de la zone de couverture d’un site 42
• Calcul de la superficie de la zone de couverture d’un site 42
• Optimisation 43
• Conclusion 43
CHAPITRE 4 SIMULATION SUR ATOLL 45
• Introduction 45Logiciel Atoll 45Les étapes à suivre lors de la planification de la couverture sous Atoll 45Création du projet 46Configuration du système de coordonnées 46Importation de la carte 47Étude de la zone à planifier 48Nombres de sites nécessaires et choix du modèle de propagation utilisé 48Calcul des MAPL 49Calcul du rayon de cellule 50Emplacement des sites 51Configuration et emplacement des émetteurs 51Prédictions 52Couverture par d’émetteur 52Couverture par niveau de signal en downlink 53Couverture par débit en downlink 54Couverture par niveau de (C/I + N) en downlink 56Conclusion 56
• Introduction 45
• Logiciel Atoll 45
• Les étapes à suivre lors de la planification de la couverture sous Atoll 45Création du projet 46Configuration du système de coordonnées 46Importation de la carte 47Étude de la zone à planifier 48Nombres de sites nécessaires et choix du modèle de propagation utilisé 48Calcul des MAPL 49Calcul du rayon de cellule 50Emplacement des sites 51Configuration et emplacement des émetteurs 51Prédictions 52Couverture par d’émetteur 52Couverture par niveau de signal en downlink 53Couverture par débit en downlink 54Couverture par niveau de (C/I + N) en downlink 56
• Création du projet 46
• Configuration du système de coordonnées 46
• Importation de la carte 47
• Étude de la zone à planifier 48
• Nombres de sites nécessaires et choix du modèle de propagation utilisé 48Calcul des MAPL 49Calcul du rayon de cellule 50
• Calcul des MAPL 49
• Calcul du rayon de cellule 50
• Emplacement des sites 51
• Configuration et emplacement des émetteurs 51
• Prédictions 52Couverture par d’émetteur 52Couverture par niveau de signal en downlink 53Couverture par débit en downlink 54Couverture par niveau de (C/I + N) en downlink 56
• Couverture par d’émetteur 52
• Couverture par niveau de signal en downlink 53
• Couverture par débit en downlink 54
• Couverture par niveau de (C/I + N) en downlink 56
• Conclusion 56
CONCLUSION GÉNÉRALE 57
ANNEXES 58
ANNEXE 1 : LES VOIES DE COMMUNICATIONS 58
ANNEXE 2 : LES TECHNIQUES D’ACCÈS MULTIPLES 59
ANNEXE 3 : LES MODULATIONS NUMÉRIQUES 61
ANNEXE 4 : HANDOVER 62
FICHE DE RENSEIGNEMENT 66
RESUME 67
ABSTRACT 67
LISTES DES ABREVIATIONS ET NOTATIONS
Minuscules latines
a (ℎ𝑚) facteur de correction pour l’antenne
d Distance de transmission
ℎ𝑏 Hauteur de la station de base
hm Hauteur de la station mobile
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑅𝑋 Sensibilité du récepteur
Majuscules latines
A valeur d’atténuations
𝐵𝑅𝑋 Largeur de bande de réception
𝐵𝐿𝑅𝑋 Perte du corps au niveau de récepteur
𝐵𝐿𝑇𝑋 Perte du corps au niveau de l’émetteur
C facteur de correction d’environnement
𝐶𝐿𝑅𝑋 Perte du câble au niveau de récepteur
𝐶𝐿𝑇𝑋 Perte de câble au niveau de l’émetteur
• Partie entière
• Fréquence
𝐺𝑅𝑋 Gain d’antenne au niveau de récepteur
𝐺𝑇𝑋 Gain d’antenne au niveau de l’émetteur
• Constante de Boltzmann
• Perte de trajet maximale selon le modèle de propagation utilisé
𝑁𝑃𝑅𝐵 Nombre de ressource par bloc
𝑁𝑠𝑝 Nombre de sous-porteuse
𝑁𝑆𝑖𝑡𝑒𝑠 Nombre de sites
𝑃𝑇𝑋 Puissance d’émetteur
𝑅𝑐𝑒𝑙𝑙 Rayon de la cellule
𝑃𝑇𝑋 𝑚𝑎𝑥Puissance maximale de l’émetteur𝑅𝑚𝑖𝑛Réception minimale du signal𝑆𝐼𝑁𝑅𝑟𝑒𝑞SINR requise𝑺𝒅é𝒑𝒍𝒐𝒊𝒆𝒎𝒆𝒏𝒕Superficie de la zone de déploiement𝑆𝑆Surface de couverture du siteTTempérature3. Abréviations1GPremière Génération2GDeuxième Génération3GTroisième Génération3GPPThird Generation Partnership Project4GQuatrième Génération5GCinquième GénérationACKAcknowledgementAMPSAdvanced Mobile Phone SystemARQAutomatic Repeat reQuestAUCAuthentification CenterBCCHBroadcast Control ChannelBCHBroadcast ChanneBSCBase Station ControllerBSSBase Station SubsystemBTSBase Transceiver StationC/ICarrier/InterferenceC/I+NCarrier/Interference and NoiseCCCHCommon Control ChannelCDMACode Division Multiple AccessCEPTConférence Européenne des Postes et TélécommunicationsCSCircuit SwitchedDCCHDedicated control ChannelDC-HSDPADual Carrier – High Speed Downlink Packet Access
DC-HSUPADual Carrier – High Speed Uplink Packet AccessDLDownlinkDL-SCHDownlink Shared ChannelDTCHDedicated Traffic ChannelEDGEEnhanced Data rates for GSM EvolutionEIREquipment Identity RegisterEIRPEquivalent Isotropy Radiated PowereNodeBEvolved Node BEPCEvolved Packet CoreEPSEvolved Packet SystemE-UTRANEvolved-UMTS Terrestrial Access NetworkFDDFrequency Division DuplexFDMAFrequency Division Multiple AccessGGSNGateway GPRS Support NodeGMSCGateway Mobile Switching CenterGMSKGaussian Minimum Shift KeyingGPRSGeneral Packet Radio ServiceGSMGlobal System for Mobile CommunicationsHARQHybrid Automatic Repeat reQuestHLRHome Location RegisterHSDPAHigh Speed Downlink Packet AccessHSUPAHigh Speed Uplink Packet AccessHSPAHigh Speed Packet AccessHSPA+High Speed Packet Access +HSSHome Subscriber ServerIMInterference MarginIMSIP Multimedia SubsystemIPInternet ProtocolLTELong Term EvolutionMACMedium Access ControlMAPLMaximum Allowable Path LossMCSModulation and Coding SchemeMICModulation par Impulsion et Codage
MIMOMultiple Input Multiple OutputMISOMultiple Input Single OutputMMEMobile Management EntityMMSMultimedia Messaging ServiceMSMobile StationMSCMobile Switching CenterMTMobile TerminationNACKNegative ACKnowledgmentNASNon-Access StratumNFNoise FigureNMTNordic Mobile TelephoneNRBNumber of Resource BlocksNSSNetwork and Switching Sub-systemOFDMOrthogonal Frequency Division MultiplexOFDMAOrthogonal Frequency Division Multiple AccessOMCOperating and Maintenance CenterOSSOperation Support Sub-systemPBCHPhysical Broadcast ChannelPCCHPaging Control ChannelPCEFPolicy Control Enforcement FunctionPCFICHPhysical Control Format Indicator ChannelPCHPaging ChannelPCRFPolicy and Charging Rules FunctionPCUPacket Control UnitPDCPPacket Data Compression ProtocolPDCCHPhysical Downlink Control ChannelPDSCHPhysical Downlink Shared ChannelPDNPacket Data NetworkP-GWPacket data network GatewayPHICHPhysical Hybrid ARQ Indicator ChannelPHYPHYsiquePIREPuissance Isotrope Rayonnée EquivalentePRACHPhysical Random Access Channel
PSPacket SwitchedPSKPhase Shift KeyingPSTNPublic Switched Telephone NetworkPUCCHPhysical Uplink Control ChanelPUSCHPhysical Uplink Shared ChannelQAMQuadrature Amplitude ModulationQoSQuality of ServiceQPSKQuadrature Phase Shift KeingRACHRandom Access ChannelRLCRadio Link ControlRNCRadio Network ControllerRRCRadio Ressource ControlRRURemote Radio UnitRTCRéseau Téléphonique CommutéRTCPReal-time Transport Control ProtocolSC-FDMASingle Carrier Frequency Division Multiple AccessSGSNServing GPRS Support NodeS-GWServing GatewaySIMSubscriber Identity ModuleSIMOSingle Input Multiple OutputSINRSignal to Interference plus Noise RatioSMSShort Message ServiceSNRSignal to Noise RatioSISOSingle Input Single OutputTACSTotal Access Communication SystemTDDTime Division DuplexTDMATime Division Multiple AccessTETerminal EquipmentUEUser EquipmentUICCCarte à Circuit Intégré UniverselUITUnion Internationale des TélécommunicationsULUplinkUL-SCHUplink Shared Channel
UMTSUniversal Mobile Telecommunications SystemUSIMUniversal Subscriber Identity ModuleUTRANUniversal Terrestrial Radio Access NetworkVLRVisitor Location RegisterVoIPVoice over IPVoLTEVoice over LTEWAPWireless Application ProtocolW-CDMAWideband CDMA
BIBLIOGRAPHIES
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• Melle BOUCHENTOUF Hadjer et Mr BOUDGHENE STAMBOULI Riyad, « Étude des performances des réseaux 4G (LTE) », Mémoire Pour l’obtention du diplôme de MASTER en Télécommunication, Université Abou Bekr Belkaid Algérie, 2012 – 2013.
• TALEB THIZIRI, SAAD TASSADIT, « Dimensionnement et planification d’un réseau 4G/LTE », Mémoire de Fin d’Etude, UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI- OUZOU, 2016/2017.
• Eby Mohamed Sidi ABDELLAH, « Optimisation paramétrique pour estimation des pertes dans un réseau 4G », Mémoire pour l’obtention du diplôme de Master, Université Larbi Tébessi, le 22 juin 2021.
• AHMED SIDI AMAN, « Dimensionnement et planification d’un réseau 4G LTE : Optimisation du réseau d’accès. », Mémoire de fin d’étude pour l’obtention du diplôme de Master, Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, le 27 Mars 2015.
• Yannick Bouguen, Eric Hardouin, François-Xavier Wolff, « LTE et les réseaux 4G. »,
Préface d’Alain Maloberti, 2012.
• Doug Barney, « la bande passante, c’est quoi ? voici comment la mesurer et l’optimiser pour assurer un flux de trafic rapide et fluide », 13 juillet 2022.