Etude et dimensionnement d'un réseau wimax : cas de douala1.com

DEDICACES

À

· Mes parents, Mr et Feue Mme LOUK,

· Francine MBENG NDIP TABE,

· Raïssa Nadège HYOCKBA,

· Mon frère cadet, Guy-Bertrand EBASSA.

En reconnaissance des sacrifices consentis

REMERCIEMENTS

Ce travail a été effectué à la Division Technique de Douala1.com, Département Ingénierie, Groupe Telecoms. Il a été dirigé par le Professeur Emmanuel TONYE, enseignant au Département des Génies Electriques et des Télécommunications de l'Ecole Nationale Supérieure Polytechnique, et encadré par l'Ingénieur TADOMGNO Guy Pascal, Responsable du Telecoms Group de Douala1.com. Je les remercie de m'avoir accueilli et encadré.

· Je remercie le Professeur Emmanuel TANYI d'avoir accepté de présider le Jury chargé d'évaluer mon mémoire.

· Le Professeur Emmanuel TONYE a accepté sans hésitation de diriger ce travail, en me prodiguant d'abondants conseils et mises en garde : je l'en remercie infiniment.

· Je remercie les Docteurs Olivier VIDEME BOSSOU et Edouard ONDOUA, Chargés de Cours au Département des Génies Electriques et des Télécommunications, d'avoir accepté de contribuer à l'évaluation de ce mémoire, en tant que membre du Jury.

· Je remercie la société Douala1.com, hôte du stage ayant conduit à la rédaction du présent mémoire.

Mes remerciements vont également à l'endroit de :

· Ma très chère grande famille,

· Ma très chère soeur ainée CHOUCHOU,

· Des familles LOUK, NGAH, MESSI, et NJOYA,

· M. Georges TCHOUNKEU,

· Mme Philomène NDJOA,

· Mon très cher oncle décédé NJOYA Martin,

· Tous mes Amis,

· Tous mes camarades de classe et de promotion.

· Je remercie enfin Celui Par Qui rien n'est impossible.

GLOSSAIRE

ADSL	Asymmetric Digital Subscriber Loop.
ATM	Asynchronous Transfer Mode
AU	Access Unit.
BTS	Base Transceiver Station, station de base.
CDMA	Code Division Multiplexing Access.
DHCP	Dynamic Host Configuration Protocol.
DL	Down Link, communications en lien descendant.
DS-CDMA	Direct Sequence CDMA.
FCH	Frame Control Header.
FEC	Forward Error Correction Coding, codage correcteur d'erreurs.
FH-CDMA	Frequency Hopping CDMA.
GSM	Global System for Mobile communications, Système Global pour les communications Mobiles.
HFC	Hybrid Fibre-Coaxial
HSDPA	High Speed Downlink Packet Access.
HST	Hot StandBy, commutation à chaud, au niveau des émetteurs.
ICC	Interférence Co- Canal.
IDU	Indoor Unit, module intérieur d'un équipement radio.
IEEE	Institute of Electrical and Electronics Engineers.
ISS	Interférences Inter-Symboliques.
IP	Internet Protocol.
MAC	Media Access Control.
MIMO	Multiple Input Multiple Output.
MPLS	Multi Protocol Label Switching.
NLOS	Non Line Of Sight.
OC	Optical Carrier.
ODU	Outdoor Unit, module extérieur d'un équipement radio.
OFDM	Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA	Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access.
OSI	Open Systems Interconnection.
PBH	Peak Busy Hour, Heure de pointe.
PDU	Protocol Data Unit.
QAM	Quaternary Amplitude Modulation, modulation d'amplitude en quadrature.
QPSK	Quadratic Phase Shift Keying, modulation à déplacement de phase en quadrature.
SAT3	South Atlantic 3.

RESUME / ABSTRACT

Le déploiement d'un réseau WiMAX constitue un investissement colossal lié essentiellement au coût des infrastructures. La mise en place du réseau d'accès radio représente une partie majoritaire du total des investissements en infrastructures. Dans ce contexte, le dimensionnement des éléments du réseau d'accès radio devient, pour un opérateur, un enjeu fondamental permettant de prévoir de façon exacte ses investissements et de garantir une bonne qualité de service aux utilisateurs. Douala1.com S.A voudrait renforcer son rang de géant national dans la fourniture des connexions haut débit à travers le WiMAX qui est l'une des technologies les plus sollicitées dans le domaine de la transmission des données par ondes radio. Il est donc question dans ce projet de proposer une méthodologie de déploiement d'un nouveau réseau WiMAX dans la ville de Douala en se basant sur des modèles de propagations et de trafic bien définis, puis de le simuler afin de valider la méthode.

The deployment of a WiMAX network is a huge investment primarily related to the cost of infrastructures. The establishment of a radio access network represents a majority of total investment in infrastructures. In this context, planning the radio access network becomes, for an operator, a fundamental challenge to accurately predict its investments and also to ensure good quality of service to end users. Douala1.com SA would like to strengthen its position as a national giant in providing broadband connections through WiMAX, which is one of the most requested in the field of data transmission by radio waves. The aim of this project is firstly to propose a methodology of deploying a WiMAX network in the city of Douala on the basis of propagation models and traffic models well defined, and then to simulate the network in order to validate the process.

LISTE DES FIGURES ET DES TABLEAUX

Liste des figures

Figure 1.1: Organigramme de fonctionnement de Douala1.com. 5

Figure 1.2: Normes de réseaux sans fils. 7

Figure 1.3: Universalité du WiMAX Forum. 10

Figure 1.4: Classification des technologies concurrentes du WiMAX. 13

Figure 1.5: Atouts et applications du 802.16. 14

Figure 2.1: Architecture d'un réseau WiMAX. 17

Figure 2.2: Modèle en couche du WiMAX. 18

Figure 2.3: Principe de l'OFDM. 19

Figure 2.4: Représentation dans le domaine fréquentiel d'un symbole OFDM. 20

Figure 2.5: Chaîne de transmission complète. 20

Figure 2.6: La technique OFDMA 21

Figure 2.7: Principe de la modulation adaptative. 22

Figure 2.8: Structure d'une trame WiMAX. 22

Figure 3.1: Topologie de la BLR Douala1.com. 26

Figure 3.2: Interconnexion de sites via la BLR. 26

Figure 3.3: Equipements du système BreezeAcces XL 27

Figure 3.4: DS, TH, FH - CDMA. 29

Figure 3.5: Carte de couverture du réseau BreezeAccess de Douala1.com. 30

Figure 4.1: Etapes du déploiement du réseau WiMAX [9] 33

Figure 4.2: Modèle technique de planification du WiMAX. 34

Figure 4.3: Modèle de pertes en chemin d'Erceg C. 37

Figure 4.4: Principe de détermination de la surface d'une cellule. 38

Figure 4.5: Estimation du rapport cyclique en DL. 39

Figure 4.6: Durée d'un symbole OFDMA 41

Figure 4.7: Le préfixe cyclique (G). 42

Figure 5.1: Motifs de réutilisation des fréquences. 44

Figure 5.2: Principe des antennes SIMO et MIMO. 45

Figure 5.3: Stations de base (1x2) SIMO et (2x2) MIMO. 46

Figure 5.4: BTS à antenne adaptative. 47

Figure 5.5: Eléments d'une station de base WiMAX 48

Figure 5.6: Stations de base WiMAX. 49

Figure 5.7: Transmission utilisant une liaison sans fil dédiée. 50

Figure 6.1: Bilan de puissances. 52

Figure 6.2: Densité de la population à Douala [18]. 54

Figure 6.3: Profils des abonnés de Douala1.com. 56

Figure 6.4: Gestion du spectre radio. 57

Figure 6.5: Plan de répartition des fréquences. 58

Figure 7.1: Disposition des sites sur une carte de Douala. 61

Figure 7.2: Configuration de base d'un secteur. 62

Figure 7.3: Configuration d'antenne en (2x2 MIMO-B). 63

Figure 7.4: Configuration du modèle de perte. 63

Figure 7.5: Configuration d'un élément émetteur. 64

Figure 7.6: Eléments récepteurs. 65

Figure 7.7: Définition des caractéristiques du symbole OFDMA. 65

Figure 7.8: Equipement d'abonné. 66

Figure 7.9: Hypothèses de simulation. 67

Figure 7.10: Modèle de trafic. 67

Figure 7.11: Carte de la puissance reçue. 68

Figure 7.12: Carte du SNR. 69

Figure 7.13: Carte des modulations numériques. 70

Liste des tableaux

Tableau 1.1: Opérateurs WiMAX: cas du Cameroun. 10

Tableau 1.2: Evolution de la norme 802.16. 11

Tableau 1.3: Comparaison de quelques technologies sans fil. 14

Tableau 2.1: Les différents types de couches physiques. 18

Tableau 3.1: Catégories d'offres de Douala1.com. 25

Tableau 3.2: Spécifications techniques du système BreezeAcces XL [4]. 28

Tableau 4.1: Paramètres du modèle d'Erceg. 37

Tableau 4.2: Etapes de détermination de la densité de données. 39

Tableau 5.2: Outil de simulation et constructeur. 50

Tableau 5.1: Optical Carrier Level. 50

Tableau 6.1: Paramètres du dimensionnement de couverture. 53

Tableau 6.2: Décomposition en régions de la métropole Douala. 55

Tableau 6.3: Estimation des exigences en capacité lors du PBH. 55

Tableau 6.4: Densité de données requise pour l'année 10. 56

Tableau 7.1: Paramètres de simulations. 60

SOMMAIRE

DEDICACES i

REMERCIEMENTS ii

GLOSSAIRE iii

RESUME / ABSTRACT v

LISTE DES FIGURES ET DES TABLEAUX vi

SOMMAIRE ix

1^ère Partie Introduction 1

2^è Partie Contexte 3

Chapitre 1: Généralités sur le WiMAX 3

Introduction 3

1.1 Présentation de l'entreprise Douala1.com 4

1.2 Les réseaux sans fil 6

1.2.1 Solutions des réseaux sans fil 6

1.2.2 Avantages des réseaux sans fil 7

1.2.3 Défauts des réseaux sans fil 8

1.3 Fondamentaux sur WiMAX ^[4] 8

1.3.1 Naissance de la norme 802.16 8

1.3.2 Le WiMAX Forum 9

1.3.3 Le WiMAX au Cameroun 10

1.3.4 La normalisation WiMAX 11

1.3.5 La mobilité WiMAX 12

1.4 Technologies concurrentes 12

1.4.1 WiMAX et 3G 12

1.4.2 WiMAX et WiFi 13

1.4.3 Les applications du WiMAX 14

Conclusion 15

Chapitre 2: Techniques du WiMAX 16

Introduction 16

2.1 Architecture d'un réseau WiMAX 16

2.2 Couches de protocole 17

2.3 Multiplexage - Modulation 19

2.3.1 La technique OFDM 19

2.3.2 La technique OFDMA 21

2.3.3 Modulation adaptative-codage 21

2.4 Structure d'une trame WiMAX 22

Conclusion 23

3^è Partie Problématique 24

Chapitre 3: BLR de Douala1.com 24

Introduction 24

3.1 Les offres de Douala1.com 24

3.2 Le réseau BLR 25

3.3 Technologie et techniques 27

3.3.1 Équipements 27

3.3.2 Rappel sur la technique FH-CDMA 28

3.4 Couverture actuelle 29

Conclusion 30

4^è Partie Méthodologie 32

Chapitre 4: Le processus de déploiement 32

Introduction 32

4.1 Étapes de déploiement 32

4.2 Algorithme de dimensionnement 34

4.2.1 Modèle d'Erceg - Surface de la cellule 35

4.2.2 Estimation du besoin en capacité 38

4.2.3 Largeur du canal 40

Conclusion 42

Chapitre 5: Autres facteurs de déploiement 43

Introduction 43

5.1 Gestion optimale du spectre radio 43

5.1.1 Régulation de fréquences 43

5.1.2 Motif de réutilisation des fréquences 44

5.2 Configurations d'antennes 45

5.2.1 Station de Base (1xn) SIMO 45

5.2.2 Station de Base (nxm) MIMO 45

5.2.3 Station de base à antennes intelligentes 46

5.3 La station de base 47

5.3.1 Les infrastructures 48

5.3.2 Les équipements 48

5.3.3 La transmission (Backhauling) 49

5.4 Outil de simulation-constructeur 50

Conclusion 51

5^è Partie Résultats 52

Chapitre 6: Résultats 52

Introduction 52

6.1 Nombre de station de base 52

6.2 Densité de données requise-sectorisation 54

6.2.1 Région métropolitaine 54

6.2.2 Exigences en capacité lors du PBH 55

6.2.3 Sectorisation 57

6.3 Planification des fréquences 57

6.4 Configurations de la station de base 58

Conclusion 58

Chapitre 7: Simulations 59

Introduction 59

7.1 Paramètres de simulations 59

7.2 Configurations du simulateur 60

7.2.1 Positionnement des sites. 60

7.2.2 Configuration des stations de base. 61

7.2.3 Configuration des équipements d'abonné. 66

7.2.4 Hypothèses de simulation. 66

7.3 Résultats des simulations 68

7.3.1 Puissance reçue 68

7.3.2 Rapport signal sur bruit (SNR) 69

7.3.3 Modulations numériques 70

Conclusion 71

6^ème Partie Conclusion 72

BIBLIOGRAPHIE 74

ANNEXE I1^ère Partie Introduction

Introduction

Un réseau peut être vu comme l'ensemble de ressources mises en place pour offrir un ensemble de services. L'évolution des services et des trafics qui en découlent a piloté, dans les dernières années, l'évolution technologique permettant d'augmenter la capacité et les fonctionnalités des ressources des réseaux. Par ailleurs la concurrence a amené une baisse des prix de la plupart des services classiques, ce qui a réduit les revenus de certains opérateurs. L'offre de services innovants et l'amélioration de la qualité des services existants requièrent une évolution de la bande passante à l'accès. Ainsi, des technologies comme l'ADSL, les réseaux HFC et le WiMAX se sont développées.

La société Douala1.com qui fait partie des pionniers nationaux dans le domaine des services réseau de télécommunications, pour remédier aux limitations de sa BLR, veut aborder le domaine de la technologie WiMAX dans le but de profiter de toutes les opportunités qu'elle offre à savoir Bande passante, QoS dans le réseau, Nouveaux services multimédia et Mobilité. À cet effet, il nous a été confié dans le cadre de notre mémoire de fin d'étude le sujet intitulé : « Étude et dimensionnement d'un réseau WiMAX: cas de Douala1.com ».

Dans ce contexte, la mission qui nous concerne se résume en trois principaux points : étudier les caractéristiques et relever les insuffisances de la BLR de Douala1.com; dimensionner le réseau d'accès WiMAX susceptible de desservir la totalité de la ville de Douala et raccordable au Backbone MPLS en cours de déploiement ; simuler et implémenter cette solution.

Pour faire état de notre contribution à la réussite de cette mission à Douala1.com nous avons organisé ce mémoire autour de sept chapitres.

Les deux premiers chapitres nous plongent dans le vif du contexte ; ils retracent de façon sommaire l'évolution et le développement de la norme WiMAX et en donne les principes de base. La problématique est exposée au chapitre 3, dans lequel nous rappelons la préoccupation principale liée au sujet. Elle est suivie par la méthodologie aux chapitres 4 et 5. Dans ces deux chapitres, nous exposons la solution que nous proposons, ainsi que les moyens utilisés pour y parvenir. Au chapitre 6 nous présentons les résultats de notre travail. Le chapitre 7 est réservé à la présentation des simulations effectuées. Enfin, la conclusion est libellée en dernière partie; on y trouvera en outre les perspectives envisageables pour ce travail.

5^è Partie Résultats