Design et optimisation d'un réseau Wifi offload 3G pour Tunisie Télécom

Cycle de formation des ingénieurs en Télécommunications

Option :

Ingénierie des Réseaux

Rapport de Projet de fin d'études

Thème :

Design et optimisation d'un réseau Wi-Fi

offload 3G pour Tunisie Télécom

Réalisé par :

Marwa Dammak

Encadrant (s) :

M. Kais AMEUR
M. Nabil TABBANE

Travail proposé et réalisé en collaboration avec

Année universitaire : 2012-2013

Cycle de formation des ingénieurs en Télécommunications

Option :

Ingénierie des Réseaux

Rapport de Projet de fin d'études

Thème :

Design et optimisation d'un réseau Wi-Fi

offload 3G pour Tunisie Télécom

Réalisé par :

Marwa Dammak

Encadrant (s) :

M. Kais AMEUR
M. Nabil TABBANE

Travail proposé et réalisé en collaboration avec

Année universitaire : 2012-2013

Dédicaces

Je dédie ce modeste travail et ma profonde gratitude à :

Ma très chère mère Zohra et mon très cher père Abelwaheb pour l'éducation que vous m'avez prodiguée, avec tous les moyens et au prix de tous les sacrifices que vous avez consentis à mon égard, pour le sens du devoir que vous m'avez enseigné depuis mon enfance. Que dieu vous protège et vous accorde une bonne santé et une longue vie.

Mon frère Mohamed et ma soeur Abir : mon affection pour vous est sans limite. Votre soutien moral et vos encouragements ont sans doute été importants pour le bon déroulement de mes études. Je vous remercie et je vous souhaite tout le bonheur et le succès que vous méritez.

Tous les membres de ma famille, vous avez toujours été là dans les bons et les mauvais moments. Je vous remercie pour les bons moments partagés.

Tous mes Amis, et tous ceux que j'aime et qui m'aiment trouveront ici l'expression de mon profond respect.

i

Marwa Dammak

ii

Avant Propos

Ce document s'inscrit dans le cadre de la préparation du diplôme d'ingénieur en télécommunications, option Ingénierie des réseaux (IRES) à l'école supérieure des communications de Tunis (SUP'COM). Il a été réalisé au sein du département d'optimisation des réseaux 2G/3G de l'opérateur Tunisie Télécom qui cherche à améliorer la qualité de services de ces deux générations.

Le but de notre projet « Design et optimisation d'un réseau Wi-Fi offload 3G pour Tunisie Télécom » est le dimensionnement et la planification d'un réseau Wi-Fi qui permettra la décharge du réseau 3G de Tunisie Télécom.

iii

Remerciement

Je tiens à témoigner mes pleines reconnaissances de vigueur à l'Ecole Supérieure des Communications de Tunis (Sup'Com) pour la qualité de l'enseignement qu'elle m'a dispensé et le choix judicieux des instructeurs.

Je remercie sincèrement mon encadrant Monsieur Nabil TABBANE, maître de conférences à SUP'COM, qui, malgré les occupations et les responsabilités qu'il assume, a toujours eu le temps pour m'écouter m'orienter.

Je tiens tout particulièrement à adresser ma profonde reconnaissance à Monsieur Kais AMEUR, chef de département d'optimisation des réseaux 2G/3G et co-encadrant de ce projet pour m'avoir donnée la chance de travailler sur un outil de planification assez puissant et pour ses précieux conseils et astuces qu'il m'a refilés.

Je suis très reconnaissante à Monsieur Mohamed AYEDI maître assistant à SUP'COM, pour son aide, ses conseils précieux et ses suggestions pertinentes.

Je remercie également tous ceux qui m'ont aidée, de près ou de loin, durant la période de ce travail.

Mes vifs remerciements s'adressent également aux membres de jury qui ont accepté de juger ce travail. Que ce travail soit le modeste témoignage de ma haute considération et mon profond respect.

iv

Résumé

Les réseaux radio ont toujours essayé de répondre aux besoins de plus en plus pressants des abonnées essentiellement au niveau des services DATA.

Cependant, ces réseaux n'ont pas pu supporter l'évolution rapide et continue des besoins de ces services ce qui a causé l'apparition des problèmes de congestion au niveau des réseaux 3G. Face à cette situation urgente, certains opérateurs ont opté pour le Wi-Fi offload comme solution adéquate et simple à mettre en oeuvre avec le minimum des coûts.

C'est dans ce cadre que s'inscrit notre projet de fin d'étude qui a porté sur l'étude du concept du Wi-Fi offload afin de le déployer dans les zones où le réseau 3G souffre de problème de congestion.

Nous avons détaillé le processus de fonctionnement de l'outil de dimensionnement Wi-Fi que nous avons élaboré. Nous avons également décrit les étapes de planification à suivre à l'issu du processus de dimensionnement. Nous avons, enfin, étudié un cas réel de site congestionné. Après avoir dimensionné ce site avec notre application, nous avons utilisé Atoll pour le planifier et le simuler afin de mettre en évidence ses performances en terme de couverture et de capacité.

Mots clés : offloading Wi-Fi/3G, dimensionnement, planification, Atoll, couverture, capacité.

v

Abstract

Radio networks have always tried to meet the increasingly pressing needs of subscribers mainly for DATA services. However, these networks could not support the rapid and ongoing needs of these services which caused the appearance of congestion in 3G networks. Faced with this urgent situation, some operators have opted for the Wi-Fi offload as adequate and simple to implement with the minimum cost solution.

In this context, our final project study is focused on the study of the concept of Wi-Fi offload to deploy in areas where the 3G network is suffering from congestion problem.

We have detailed the operation of the Wi-Fi dimensioning tool that we have developed. We also described the planning stages to follow after the dimensioning. We finally studied a real case of congested site. After designing this site with our application, we used Atoll to plan it and simulate it to highlight its performance in terms of coverage and capacity.

Key Words : offloading Wi-Fi/3G, dimensioning, planning, Atoll, coverage, capacity.

vi

Table des matières

Introduction générale 1

Chapitre I : Etat de l'art des réseaux Wi-Fi offload 3G 3

I.1. Introduction 4

I.2. Le réseau 3G 4

I.2.1. Architecture du réseau 3G 4

I.2.2. Evolution des réseaux UMTS 7

I.2.2.1. HSDPA 7

I.2.2.2. HSUPA 7

I.2.3. Cause de congestion 8

I.3. Le réseau Wi-Fi 8

I.3.1. Introduction au réseau Wi-Fi 8

I.3.2. Les évolutions de la norme 802.11 9

I.3.3. Les topologies d'un réseau Wi-Fi 10

I.3.3.1. Le mode Ad-Hoc 10

I.3.3.2. Le mode infrastructure 11

I.3.4. Les fréquences Wi-Fi 11

I.3.5. Architecture des réseaux Wi-Fi 12

I.3.5.1. BSS et IBSS 12

I.3.5.2. ESS 12

I.3.6. Les équipements Wi-Fi 13

I.3.6.1. Les cartes réseau 13

I.3.6.2. Les équipements d'infrastructure 14

I.4. L'offloading Wi-Fi/3G 14

I.4.1. Introduction 14

I.4.2. Pourquoi choisir le Wi-Fi ? 14

I.4.3. Le principe du Wi-Fi offloading 15

I.4.3.1. Commutation basée sur une application 16

I.4.3.2. Wi-Fi Mobility 16

I.4.3.3. IP flow Mobility 24

vii

I.5. Conclusion 26

Chapitre II : Etude de dimensionnement et de planification d'un réseau wifi offload 3G pour

Tunisie Télécom 27

II.1. Introduction 28

II.2. Dimensionnement d'un réseau Wi-Fi offload 3G 28

II.2.1. Introduction 28

II.2.2. Processus de dimensionnement d'un réseau Wi-Fi 28

II.2.2.1. Dimensionnement de la couverture 29

II.2.2.1.1. Bilan de liaison 30

II.2.2.1.2. Propagation en espace libre 32

II.2.2.1.3. Facteurs d'atténuation 32

II.2.2.1.4. Modèles de propagation 33

II.2.2.1.5. Résultat du dimensionnement de la couverture 34

II.2.2.2. Dimensionnement de la capacité 34

II.2.2.2.1. Bande passante par service 35

II.2.2.2.2. Bande passante totale 35

II.2.2.2.3. Résultat du dimensionnement de la capacité 35

II.2.3. Etude conceptuelle de l'outil de dimensionnement 36

II.2.3.1. Modélisation de l'outil 36

II.2.3.2. Conception de l'outil 37

II.3. Planification d'un réseau Wi-Fi offload 3G 42

II.3.1. Introduction 42

II.3.2. Problématiques de planification d'un réseau Wi-Fi 42

II.3.2.1. Topologie à déployer 42

II.3.2.2. Affectation des canaux 43

II.3.2.3. Interférences 45

II.3.3. Outils de planification 45

II.3.4. Etude Conceptuelle du Processus de Planification 45

II.3.4.1. Procédure de mise en place des sites 45

II.3.4.2. Procédure de calcul des différents niveaux de champs 46

II.3.4.3. Procédure de calcul de la couverture par émetteur 46

II.3.4.4. Procédure de calcul des zones de recouvrement entre les différents sites 46

II.3.4.5. Procédure de simulation 47

II.4. Conclusion 48

viii

Chapitre III : Réalisation d'un réseau Wi-Fi offload 3G 49

III.1. Introduction 50

III.2. Implémentation de l'outil de dimensionnement Wi-Fi 50

III.2.1. Environnement de travail 50

III.2.2. Réalisation 50

III.2.2.1. Détection de sites congestionnés 50

III.2.2.2. Dimensionnement d'un site congestionné avec l'outil «Dim_Wi-Fi_Offload» 51

III.3. Planification du réseau Wi-Fi offload 3G 62

III.3.1. Présentation de l'outil Atoll 63

III.3.2. Procédure de planification 63

III.3.2.1 Phase Input 63

III.3.2.1.1. Phase input 3G 63

III.3.2.1.2. Phase input Wi-Fi 66

III.3.2.2. Phase de planification radio 68

III.3.2.2.1. Performance radio 3G 69

III.3.2.2.2. Performance radio du réseau Wi-Fi offload 3G 75

III.4. Conclusion 82

Conclusion générale 83

Annexe 1 : Les facteurs d'atténuation 84

Annexe 2 : Java et Eclipse 86

Bibliographie 87

Netographie 89

ix

Liste des figures

Figure 1 : Architecture du réseau 3G coexistant avec le réseau 2G. 5

Figure 2 : Les domaines de l'architecture du réseau UMTS. 5

Figure 3 : Un réseau Wi-Fi en mode Ad-Hoc. 11

Figure 4 : Un réseau Wi-Fi en mode infrastructure. 11

Figure 5 : Exemple de cartes réseaux 13

Figure 6 : Exemples d'antennes Wi-Fi. 13

Figure 7 : Le parcours d'offloading Wi-Fi/3G. 16

Figure 8 : L'implémentation du PDG en réutilisant les fonctionnalités du GGSN. 17

Figure 9 : La procédure d'établissement du Tunnel. 18

Figure 10 : Architecture I-WLAN. 19

Figure 11 : Le Wi-Fi mobility basé sur le DSMIPv6. 21

Figure 12: Le HandOver d'I-WLAN au systéme 3GPP. 21

Figure 13 : Le HandOver du systéme 3GPP à l'I-WLAN. 22

Figure 14: L'architecture d'interaction entre le mobile et l'ANDSF. 24

Figure 15 : L'IP flow mobility. 26

Figure 16 : Organigramme explicatif du processus de dimensionnement. 29

Figure 17 : Un exemple de chaine de transmission du signal radio d'un réseau Wi-Fi. 30

Figure 18 : Diagramme de cas d'utilisation globale de l'outil de dimensionnement. 37

Figure 19 : Diagramme de séquences de l'outil de dimensionnement Dim_Wi-Fi_Offload 38

Figure 20 : Diagramme d'activité du module « authentification». 39

Figure 21 : Diagramme de cas d'utilisation du module « Dimensionnement orienté

couverture». 40
Figure 22 : Diagramme de cas d'utilisation du module «Dimensionnement orienté capacité».

41

Figure 23 : La distribution des canaux de la bande ISM. 43

Figure 24 : Exemple d'allocation de canaux dans un réseau Wi-Fi avec recouvrement. 44

Figure 25 : Structure de la procédure « Mise en place des sites ». 45

Figure 26 : Structure de la procédure « Calcul des niveaux de champ du signal émis ». 46

Figure 27 : Structure de la procédure «Calcul de la couverture par émetteur». 46

Figure 28 : Structure de la procédure «Calcul des zones de recouvrement». 47

Figure 29 : La procédure de «Simulation». 47

Figure 30 : Structure de la procédure de «Calcul des débit offerts». 48

Figure 31 : Interface d'authentification de l'outil. 51

Figure 32 : L'interface des paramètres de l'AP de l'outil. 52

Figure 33 : L'interface des paramètres du câble est de l'antenne de l'outil. 53

Figure 34 : Interface des paramètres de la zone. 54

Figure 35 : Interface des paramètres du modèle de propagation. 55

Figure 36 : Interface de résultat de dimensionnement orienté couverture. 56

Figure 37 : Interface des paramètres de capacité. 57

x

Figure 38 : Interface nombre d'abonnés par service. 58

Figure 39 : Interface de la bande passante individuelle par service. 59

Figure 40 : Interface du taux de pénétration par service. 60

Figure 41 : Interface du résultat de dimensionnement orienté capacité. 61

Figure 42 : Interface du résultat final du dimensionnement. 62

Figure 43 : Exemple de configuration par défaut du service « Mobile Internet Access». 64

Figure 44 : Paramètres d'allocation automatique des Neighbors. 66

Figure 45 : La couverture par niveau de champ pour le réseau 3G 69

Figure 46 : La couverture par émetteur pour le réseau 3G. 69

Figure 47 : Résultat de simulation pour le site congestionné du réseau 3G avant l'offload. 70

Figure 48 : Les statistiques de la simulation du réseau 3G avant l'offload 71

Figure 49 : Résultat de calcul du débit pour le site congestionné avant l'offload. 71

Figure 50 : Statistiques de la distribution des débits offerts par le site congestionné avant

l'offload. 72

Figure 51 : Résultat de la simulation pour le site 3G congestionné après l'offload 72

Figure 52 : Statistiques de la simulation du site congestionné après l'offload. 73

Figure 53 : Résultat de calcul du débit pour le site congestionné après l'offload. 73

Figure 54 : Statistiques de la prédiction de débit pour le site congestionné après l'offload. 74

Figure 55 : Comparaison entre la couverture en débit offerte par le site 3G congestionnée

avant et après l'offload. 75
Figure 56 : Statistiques de la comparaison entre la couverture en débit offerte par le site 3G

congestionné avant et après l'offload. 75

Figure 57 : Couverture par niveau de champs du réseau Wi-Fi. 76

Figure 58 : Statistiques des mesures des niveaux de champs offerts par les points d'accès du

réseau Wi-Fi. 76

Figure 59 : Calcul des zones de recouvrement entre les cellules Wi-Fi 77

Figure 60 : Histogramme illustratif du calcul des zones de recouvrement du réseau Wi-Fi. 77

Figure 61 : Résultat de la simulation du réseau Wi-Fi. 78

Figure 62 : Statistiques de la simulation du réseau Wi-Fi 78

Figure 63 : Le débit moyen offert par le réseau Wi-Fi. 79

Figure 64 : Histogramme de la distribution du débit effective pour le réseau Wi-Fi. 79

Figure 65 : Taux d'erreur par bloc du réseau Wi-Fi 80

Figure 66 : Histogramme de la prédiction du taux d'erreur par bloc pour le réseau Wi-Fi. 80

Figure 67 : Résultat de prédiction de la qualité du canal pour le réseau Wi-Fi. 81

Figure 68 : Histogramme de la prédiction de la qualité du canal du réseau Wi-Fi. 82

Figure 69 : Le phénomène de réflexion d'une onde radio. 84

Figure 70 : Phénomène de diffraction d'onde radio. 84

Figure 71 : Le phénomène de trajets multiples et son impacte sur le signal. 85

xi

Liste des tableaux

Tableau 1 : Exemple de base de données d'ANDSF. 23

Tableau 2: Un exemple d'ISRPs de la release 10 de 3GPP. 25

Tableau 3 : La réglementation des canaux Wi-Fi pour quelques pays . 44

Tableau 4 : exemple de configuration d'un site pour un réseau 3G. 65

Tableau 5 : paramètres de configuration des émetteurs d'un site 3G. 65

Tableau 6 : Configuration des sites du réseau Wi-Fi. 67

Tableau 7 : La configuration des émetteurs des sites Wi-Fi. 67

Tableau 8 : Définition des canaux de fréquence pour le réseau Wi-Fi. 68

Tableau 9 : Configuration des cellules Wi-Fi. 68

xii

Liste des acronymes

0-9

2G 2^éme génération

3G 3^éme génération

3GPP 3^rd Generation Partnership Project

A

AES Advanced Encryption Standard

AP Access Point

AAA Authentication, Authorization and Accounting

ANDSF Access Network Discovery and Selection Function

B

BTS Base Transceiver Station

BSS Basic Service Set

BSA Basic Service Area

BSSID Basic Service Set Identifier

BLER Bloc Error Rate

C

CDMA Code division multiple access

CoA Care of address

CE Channel Element

V

DCF Distributed Coordination Function

DSMIPv6 Dual Stack Mobile IP version 6

xiii

E

ESS Extended Service Set

ETSI European Telecommunications Standards Institute

G

GSM Global System for Mobile Communications

GGSN Gateway GPRS Support Node

GPRS General Packet Radio Service

GTP GPRS Tunneling Protocol

H

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access

HSUPA Hight Speed Uplink Packet Access

HSPA Hight Speed Packet Access

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest

hyperLAN HIgh PERformance radio LAN

HA Home Agent

I

IBSS Independent Basic Service Set

IMSI International Mobile Subscriber Identity

I-WLAN Interworking WLAN

ISRP Inter-System Routing Policies

ISM Industrial Scientific Medical

IPsec Internet Protocol Security

IP Internet Protocol

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISMP Inter-System Mobility Policies

IDE Integrated Development Environnement

M

ME Mobile Equipement

MSC Mobile Switching Center

MAC Media Access Control

xiv

N

NAP Network Access Provider

NAS Network Service Provider

O

OSLR Optimized Link State Routing Protocol

OMA-DM Open Mobile Aliance-Device Management

T

P-TMSI Packet-Temporary Mobile Subscriber Identity

PCF Point Coordination Function

PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association

PCI Peripheral Component Interconnect

PDG Packet Data Gateway

PDN Public Data Network

PIRE Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente

PLMN Public Land Mobile Network

R

RNC Radio Network Controller

T

TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity

TTG Tunnel Termination Gateway

S

SIM Subscriber Identity Module

SGSN Serving GPRS Support Node

SSID Service Set Identifier

SNR Signal-to-Noise-Ratio

SPM Standard Propagation Model

xv

U

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UE User Equipement

USIM Universal Subscriber Identity Module

UTRAN UMTS Terrestrial RNC Radio Access Network

U-NII Unlicensed National Informaion Infrastructure

USB Universal Serial Bus

USD United States Dollar

Wi-Fi Wireless Fidelity

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

WPAN Wireless Personal Area Network

WLAN Wireless Local Area Network

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access

WECA Wireless Ethernet Compatibility Alliance

WAG Wireless Access Gateway

Rapport de projet de fin d'études

2012-2013

1

Introduction générale

Le réseau mobile a vécu une multitude de changements et d'évolution soit au niveau des équipements ou au niveau de l'architectures afin d'essayer de répondre à l'évolution des besoins des usagers en terme de qualité de service de ces réseaux.

On est passé d'une génération à une autre en commençant par la génération 0G jusqu'à la génération 3G et récemment la génération 3G+ en introduisant lors de chaque passage des améliorations soit logicielles ou matérielles dans le but de satisfaire les besoins des abonnés.

Malgré toutes ces améliorations, le réseau 3G n'a pas pu faire face à l'explosion des données que vit le monde numérique. De ce fait, les opérateurs ont essayé de trouver d'autres solutions pour renforcer leurs réseaux. Parmi ces solutions figure le concept du Wi-Fi offload qui permet de décharger le trafic du réseau 3G sur un réseau Wi-Fi. Avant la mise en place de cette solution, les opérateurs doivent faire une étude sur ce nouveau concept puis planifier le réseau Wi-Fi selon leurs besoins afin de garantir la meilleure performance aussi bien au niveau de la couverture qu'au niveau de la capacité que ce nouveau réseau peut offrir. C'est dans ce cadre que notre projet de fin d'étude s'inscrit.

Ce projet est réalisé chez l'opérateur Tunisie Télécom. Toujours à la recherche d'une meilleure qualité de service et une satisfaction maximale pour ses abonnés, Tunisie Télécom était consciente de la problématique de congestion que face son réseau 3G et elle a opté pour la solution du Wi-Fi offload vu son efficacité et son coût réduit.

Le présent rapport sera organisé comme suit :

Dans le premier chapitre, nous allons donner une idée générale sur le réseau cellulaire 3G avec ses évolutions. Ensuite nous allons mettre l'accent sur les réseaux Wi-Fi et leurs différentes caractéristiques. Enfin nous allons expliquer le concept du Wi-Fi offload.

Rapport de projet de fin d'études

2012-2013

2

Le deuxième chapitre est consacré pour l'explication du processus de dimensionnement d'un réseau Wi-Fi avec une modélisation de l'outil de dimensionnement que nous avons développé. De plus, nous allons décrire le processus de planification d'un réseau et les étapes de sa réalisation à l'aide d'un outil de planification.

Nous allons présenter dans le dernier chapitre une étude de cas qui mettra en exergue l'outil de dimensionnement que nous avons développé ainsi que l'outil de planification « Atoll » que nous allons présenter au niveau de ce chapitre.

Rapport de projet de fin d'études

2012-2013

3

Chapitre I

Etat de l'art des réseaux Wi-Fi offload 3G

I.1. Introduction 4

I.2. Le réseau 3G 4

I.2.1. Architecture du réseau 3G 4

I.2.2. Evolution des réseaux UMTS 7

I.2.3. Cause de congestion 8

I.3. Le réseau Wi-Fi 8

I.3.1. Introduction au réseau Wi-Fi 8

I.3.2. Les évolutions de la norme 802.11 9

I.3.3. Les topologies d'un réseau Wi-Fi 10

I.3.4. Les fréquences Wi-Fi 11

I.3.5. Architecture des réseaux Wi-Fi 12

I.3.6. Les équipements Wi-Fi 13

I.4. L'offloading Wi-Fi/3G 14

I.4.1. Introduction 14

I.4.2. Pourquoi choisir le Wi-Fi ? 14

I.4.3. Le principe du Wi-Fi offloading 15

I.5. Conclusion 26

Rapport de projet de fin d'études

2012-2013

4

Introduction

Les réseaux cellulaires ainsi que sans fil ont subit au court du temps des évolutions afin de servir les demandes et les exigences croissantes des clients. C'est le cas du réseau 3G et du réseau Wi-Fi. Cependant, ces améliorations n'ont pas été suffisantes. D'où on a eu recours à d'autres solutions à savoir le Wi-Fi offload. Dans ce chapitre on va commencer par une description du réseau 3G. Ensuite on va présenter le réseau Wi-Fi pour finir avec l'explication du principe du Wi-Fi offload pour les réseaux 3G.

I.1. Le réseau 3G

I.2.1. Architecture du réseau 3G

Le réseau de la troisième génération radio peut être représenté par l'UMTS. Cette génération a apporté des améliorations par rapport à la génération 2G avec toutes ses évolutions [N1]. Ces améliorations peuvent être résumées par :

? Un accès plus rapide à internet depuis les équipements mobiles à savoir les téléphones portables, les tablettes ou les clés 3G.

? Une qualité de communication plus proche de la téléphonie fixe.

? Une solution pour la congestion vécue par les réseaux 2G essentiellement dans les grandes villes.

Pour profiter de ces avantages avec le minimum de coût, on a eu recourt à l'exploitation de l'architecture du réseau 2G et on a introduit des modifications pour mettre en place les réseaux 3G.

Cette coexistence des deux générations en terme d'architecture peut être illustrée par la figure suivante :

Rapport de projet de fin d'études

2012-2013

Figure 1 : Architecture du réseau 3G coexistant avec le réseau 2G.

5

Comme présenté dans la figure ci-dessus, l'architecture du réseau 3G est composée des domaines suivants [B1] :

Figure 2 : Les domaines de l'architecture du réseau UMTS.

- Domaine de l'équipement de l'usager

Un utilisateur UMTS doit être équipé d'un UE (user équipement) qui est composé d'un équipement mobile (ME) servant comme terminale mobile et d'une carte USIM. Le ME est

Rapport de projet de fin d'études

2012-2013

6

chargé de la transmission radio et d'autres procédures qui lui sont associées à savoir la modulation, la correction d'erreurs, l'étalement spectrale et notamment l'émission et la réception des données. Quant à la carte USIM, elle joue un rôle semblable à celui de la carte SIM pour le réseau GSM. Elle permet l'identification de l'abonné avec des identités telles que l'IMSI, TMSI et P-TMSI, le répertoire des applications, les algorithmes d'authentification, les clefs de chiffrage et la liste des porteuses à utiliser pour la sélection d'une cellule [N1].

L'UE peut assurer un service de communication téléphonique simultanément à un service DATA tout en se rattachant simultanément au domaine de commutation de circuit (CS) et au domaine de commutation de paquet (PS) du réseau coeur [N1].

- Domaine du réseau d'accès

Ce domaine est composé principalement de deux unités à savoir le Node B et le RNC ou le contrôleur du réseau radio formant ensemble l'UTRAN.

Le Node B est équivalent à la BTS du réseau GSM. Il permet l'émission et la réception des signaux sur l'interface radio en utilisant des récepteurs et des transmetteurs CDMA. Pour les récepteurs, ils convertissent les signaux pour les acheminer au RNC sur l'interface Iub. Et dans le sens inverse, les transmetteurs CDMA convertissent les signaux reçus du RNC pour les envoyer sur l'interface Uu (interface aire) [N1].

Pour le RNC, comme son nom indique, il assure les fonctions de contrôle des ressources radio allouées aux Nodes B auxquels il est connecté. Il est aussi le point d'accès aux différents services offerts par l'UTRAN (UMTS Terrestrial RNC Radio Access Network). Il est responsable du HandOver pour maintenir la connexion de l'abonné en passant d'une cellule à une autre et de la macro-diversité qui est la phase pendant laquelle une station mobile est connectée simultanément à différentes cellules radio pour assurer une meilleure qualité de communication et éviter la coupure de la communication lors du passage d'une cellule à une autre [N1].

- Domaine du réseau coeur

Le réseau coeur d'UMTS est composé de deux parties [N1]:

? Une partie de commutation de circuits pour la transmission de la voix qui se base sur

l'architecture GSM existante.

Rapport de projet de fin d'études

2012-2013

7

? Une partie de commutation de paquets pour la transmission des données composée du SGSN et du GGSN qui sont similaires à ceux utilisés pour le réseau GPRS mais avec quelques modifications logiques.

Pour la mise en place du réseau coeur UMTS, un opérateur a le choix entre adapter le réseau GSM/GPRS existant en apportant quelques modifications aux SGSN et GGSN existant pour supporter de nouvelles caractéristiques à savoir les nouveaux protocoles de signalisation ou mettre en place un autre réseau de base composé de 3G SGSN et 3G MSC pour supporter l'interface UTRAN avec ses spécificités et par suite profiter d'un réseau UMTS en parallèle sans aucun impact sur le réseau GSM/GPRS. Cette dernière solution peut être adoptée afin d'éviter les risques d'instabilité et les problèmes de capacité que peut poser la première solution [N1].

I.2.2. Evolution des réseaux UMTS

I.2.2.1. HSDPA

HSDPA ( High-Speed Downlink Packet Access) est une évolution des technologies WCDMA et UMTS introduite par 3GPP au niveau de la release 5 pour offrir plus de capacité avec une vitesse de transmission plus élevée afin de donner au opérateur la possibilité de servir plus d'abonnés sur la même fréquence ou porteuse dans le sens descendant. Le passage d'UMTS au HSDPA a était accompagné par différentes modifications au niveau des composants de l'architecture 3G à savoir l'UTRAN et le réseau coeur mais tout en conservant la même architecture globale. Le mécanisme de HSDPA se base sur le partage du canal radio entre tous les utilisateurs dans le sens descendant, l'évaluation en temps réel du canal radio et sur la retransmission rapide (HARQ) pour atteindre un débit plus élevé que celui obtenu par l'UMTS, théoriquement de l'ordre de 14,4 Mbps sur le sens descendant [N2].

I.2.2.2. HSUPA

Le standard HSUPA (Hight Speed Uplink Packet Access) vient pour apporter des améliorations semblables à celles apportées par le HSDPA mais sur le lien montant. Il a était introduit par 3GPP au niveau de la release 6. De méme, le HSUPA utilise la méme technologie que pour l'UMTS mais avec des améliorations sur la partie logicielle. Le HSUPA utilise le HARQ comme le HSDPA, par contre il utilise des canaux dédiés contrairement au HSDPA et permet d'atteindre théoriquement un débit de 5,8 Mbps sur le lien montant pour

Rapport de projet de fin d'études

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8

permettre aux clients 3G de transmettre des données multimédia volumineux [N2]. Le HSDPA et le HSUPA forme en semble le HSPA (Hight Speed Packet Access).

I.2.3. Cause de congestion

Le nombre d'abonnés sans fil qui demandent l'accès aux services DATA est en croissance continue. On peut parler même d'une explosion de la consommation de DATA et plus spécifiquement la vidéo et la TV en streaming. En effet, la troisième génération a été adoptée et exploitée rapidement vu une variété de développements à savoir :

? La disponibilité croissante des services mobiles haut débit utilisant les modems USB et les mobiles 3G à des prix acceptables.

? L'augmentation de la pénétration des Smartphones compatibles avec les réseaux 3G tels que l'iPhone, les téléphones BlackBerry et les téléphones Androïde.

? l'apparition continue des applications Smartphones.

? Les plans forfaitaires.

Tous ces facteurs ont favorisé l'explosion de la consommation de DATA. Mais le problème majeur est la nature des données transmises à travers le réseau. En effet les réseaux, en matière de DATA, ont été conçus essentiellement pour l'échange de données statiques à savoir les mails ou les pages Web qui se caractérisent par une consommation sporadique ou ponctuelle. Cependant, de nos jours on a plus de tendance aux services de types streaming qui occupent le réseau pour des périodes continues pour aboutir par conséquence à des réseaux qui ne se reposent jamais surtout dans les zones urbaines et aux heures de pointe [N3].

Face a ce problème de congestion des réseaux 3G et 3G+, les opérateurs ont eu la possibilité d'augmenter les ressources radio et renforcer les coeurs de réseau. Mais cette solution n'était pas prise en compte par tous les opérateurs vu son cout supplémentaire. D'où ils doivent trouver d'autres solutions qui sont à la fois efficaces et moins couteuses [N3].

I.3. Le réseau Wi-Fi

I.3.1. Introduction au réseau Wi-Fi

Les réseaux sans fil ont vécue une ampleur de plus en plus importante pour les différents

avantages qu'ils apportent vis-à-vis les réseaux filaires avec une qualité de transmission de plus en plus proche à celle offerte par ces derniers. Plusieurs types de réseaux sans fils ont

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apparu à savoir le WPAN comme le Bluetooth et le Zigbee, le WLAN comme l'hyperLAN 2 introduit par l'ETSI et le wifi ou IEEE 802.11 et le WMAN à savoir le Wimax.

La norme IEEE 802.11 ou Wi-Fi est soutenu par l'alliance WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) offrant des débits qui ont passé de 1Mbps et 2 Mbps avec la première norme 802.11 jusqu'à 54 Mbps avec le 802.11g et encore des débits plus importants avec des versions plus avancées à savoir la norme 802.11n qui peut atteindre un débit théorique de l'ordre de 540 Mbps [N4].

Le terme Wi-Fi est la contraction de Wireless Fidelity qui correspond initialement au nom de la certification délivrée par le WECA pour les produits conformes à la norme IEEE 802.11.

Le réseau Wi-Fi offre un réseau local dont les performances sont semblables à celles d'un réseau filaire avec une mobilité des stations dans des zones de couverture limitées par la portée des points d'accès vu l'affaiblissement du signal en fonction de la distance et des obstacles qui caractérisent la zone à couvrir. Cette portée varie de quelques dizaines de mètres à l'intérieur des bâtiments ou en indoor jusqu'à quelques centaines de mètres à l'extérieur ou en outdoor.

Cette norme à était très répondu par les domiciles et surtout par les entreprises pour leurs couts faibles et leur facilité de déploiement. Ce pendant, la performance du Wi-Fi a était limitée essentiellement par son débit qui n'a pas pu répondre aux besoins croissants des entreprises. Pour résoudre cette problématique plusieurs évolutions de la norme IEEE 802.11 ont apparut pour améliorer le débit aussi bien que d'autres caractéristiques du réseau sans fil à savoir la sécurité et la qualité de service.

I.3.2. Les évolutions de la norme 802.11

La norme 802.11 a passé par plusieurs évolutions dont chacune a eu pour but d'amélioré un aspect du Wi-Fi comme a était défini au début, pour répondre aux différents besoins des clients. Ces évolutions sont essentiellement [N5] :

? 802.11

La norme 802.11 est la norme originale et elle permet d'obtenir un débit de 1 à 2 Mbps.

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y' 802.11 a (ou Wifi5)

La norme 802.11a permet d'obtenir un haut débit (dans un rayon de 10 mètres : 54 Mbps théoriques, 27 Mbps réels).

y' 802.11 b (ou Wifi)

La norme 802.11b est très répondue actuellement. Elle propose un débit théorique de 11 Mbps (6 Mbps réels) avec une portée pouvant aller jusqu'à 300 mètres dans un environnement dégagé.

y' 802.11 g

La norme 802.11g est la norme la plus répondue actuellement. Elle offre un haut débit (54 Mbps théoriques, 25 Mbps réels) sur la bande de fréquence des 2.4 GHz. Cette norme vient d'être validée.

y' 802.11s (ou réseau Mesh)

La norme 802.11s vise à implémenter la mobilité pour des réseaux de type ad-hoc. Tout point qui reçoit le signal est capable de le transmettre. L'un des protocoles de routage qu'elle utilise est OSLR (Optimized Link State Routing Protocol). Elle peut atteindre des débits de 10 à 20 Mbps selon la couche physique utilisée (802.11a/b/g/n..).

y' 802.11 u

La norme 802.11u est disponible depuis le 25 février 2011. Elle vise à permettre une reconnaissance et une sélection plus facile des réseaux, le transfert d'informations provenant des réseaux externes, afin de permettre une interopérabilité entre les différents fournisseurs de services. Cette norme permettra de faciliter la décharge ou « offload » des réseaux 3G sur le Wi-Fi.

I.3.3. Les topologies d'un réseau Wi-Fi

I.3.3.1. Le mode Ad-Hoc

Les réseaux Ad-Hoc sont composés d'un ensemble de stations utilisant chacune une interface

radio et communiquent directement à toute autre station du réseau. C'est une architecture totalement décentralisée. Ce mode nécessite que chaque station soit à portée radio des autres stations ce qui limite la taille du réseau [B3].

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Figure 3 : Un réseau Wi-Fi en mode Ad-Hoc.

I.3.3.2. Le mode infrastructure

Les réseaux en mode infrastructure se caractérisent par la présence d'un point d'accès qui permet d'assurer la communication entre une station d'un BSS et les autres stations du même BSS ou même sa communication avec d'autres stations plus loin, connectées à un réseau filaire ou sans fil à travers un système de distribution. Cette architecture permet d'étendre les réseaux. C'est une architecture centralisée ou toute communication doit passer par l'AP même s'il s'agit d'une communication entre deux stations du même BSS [B3].

Figure 4 : Un réseau Wi-Fi en mode infrastructure.

I.3.4. Les fréquences Wi-Fi

Les standards Wi-Fi utilisent deux bandes de fréquence : La bande ISM ou Industrial, Scientific and Medical radio bands et la bande U-NII ou Unlicensed National Information Infrastructure.

La bande ISM se compose de trois sous bandes : 902-928 MHz, 2.400-24835 GHz, 5.7255.850 GHz. Seule la bande comprise entre 2.400 et 2.485 GHz est utilisée par la norme

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802.11. La largeur utilisée de cette bande et la puissance d'émission diffère d'un pays à un autre selon les réglementations [N5].

Pour la bande U-NII, elle se compose des deux parties de bande de fréquence : de 5.15 à 5.35 GHz et de 5.725 à 5.825 GHz. Elle offre une bande passante de 300 MHz avec des puissances de signal différentes [N5].

I.3.5. Architecture des réseaux Wi-Fi

I.3.5.1. BSS et IBSS

Le BSS ou Basic Service Set peut être défini comme un ensemble de stations localisées dans la même zone géographique et sous le contrôle d'une seule fonction de coordination : DCF ou PCF. La zone de couverture d'un BSS est appelée BSA ou Basic Service Area. Toutes les stations dans un BSS peuvent communiquer avec les autres stations du même BSS à travers un AP. La dégradation de la qualité de la porteuse due aux différents types d'interférences ou d'atténuation, peut causer le problème du noeud caché où une ou plusieurs stations sont accessibles par le point d'accès mais cachées pour quelques stations du BSS [B4].

Le groupement de stations en un seul BSS dans le but de les interconnecter sans l'intervention d'un AP est considéré comme réseau Ad-Hoc. Dans ce cas on parle plutôt d'un IBSS ou Independent Basic Service Set où toute station peut communiquer avec une autre station sans passer par l'AP [B4].

Un BSS est identifié par son BSSID qui représente l'adresse MAC du point d'accès et qui est diffusé par le point d'accès. Dans le cas d'un IBSS, il est identifié par un SSID diffusé par une station configurée comme station d'initiation au niveau des beacons.

I.3.5.2. ESS

Les réseaux en mode infrastructure permettent aux utilisateurs d'élargir la zone de couverture géographique du réseau Wi-Fi en offrant une connexion réseau entre plusieurs BSS pour former ainsi un ESS ou Extended Service Set. Un ESS consiste en un groupe de BSSs intégrés ensembles en utilisant un système de distribution commun. Un système de distribution comme défini par l'IEEE 802.11 est indépendant de l'implémentation. Dans ce cas il peut s'agir d'un réseau filaire Ethernet, un Token Ring IEEE 802.5 ou encore un autre réseau sans fil IEEE 802.11. L'ESS est identifié par son ESSID ou Extended Service Set ID et tous les APs seront configurés suivant cet ESSID [B4].

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I.3.6. Les équipements Wi-Fi

I.3.6.1. Les cartes réseau

Une carte réseau est une sorte d'adaptateur composé, comme tout adaptateur Wi-Fi, d'une puce liée à une antenne et qui peut être insérée dans un équipement informatique. Parmi les formats de carte réseau Wi-Fi qu'on peut trouver, il y a le PCcard ou PCMCIA, le compact flash, le PCI et l'USB [B5].

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Figure 5 : Exemple de cartes réseaux [N6].

L'antenne peut être donc intégrée avec la carte réseau ou externe. La directivité d'une antenne est choisie selon les besoins de couverture demandés et la distribution des utilisateurs à servir. Dans ce sens, les antennes peuvent aussi être des antennes omnidirectionnelles qui sont généralement sous forme de tiges et qui rayonnent dans toutes les directions (360 degrés horizontalement), sectorielles qui couvrent un angle de 60 à 120 degrés et qui sont généralement groupées en 3 ou 4 pour couvrir les 360 degrés ou finalement directionnelles comme les antennes Yagui ou paraboliques qui permettent de créer une liaison entre deux points précis comme par exemple une liaison entre 2 maisons [N7].

Figure 6 : Exemples d'antennes Wi-Fi [N6].

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I.3.6.2. Les équipements d'infrastructure

Ils ont pour fonction d'interconnecter le réseau Wi-Fi au réseau filaire servant de système de distribution. Il y a deux types essentiels d'équipements d'infrastructure :

- Point d'accès

Le point d'accès est le composant principal d'un réseau Wi-Fi qui fonctionne comme un concentrateur et centralise les communications provenant de toutes les stations qui lui sont associées [B5].

-Pont

Un pont Wi-Fi est utilisé principalement pour interconnecter plusieurs réseaux filaires Ethernet via une interface sans fil. Cette solution est bien adéquate pour relier des réseaux filaires de différents bâtiments en évitant le câblage entre eux [B5].

I.4. L'offloading Wi-Fi/3G

I.4.1. Introduction

Le réseau 3G rencontre de nos jours un problème de congestion auquel les opérateurs ont cherché des solutions efficaces. Chacun a adopté une solution selon ses propres critères : cout, efficacité, qualité de service, etc.

Parmi ces solutions se présente l'offloading 3G qui consiste principalement à décharger le réseau 3G sur un autre réseau. Ce réseau est soit formé par des femtocells qui sont de minuscules systèmes radio 3G à faible consommation ou un réseau d'autre nature à savoir le Wi-Fi.

Le Wi-Fi offloading est un concept déjà utilisé et qui est entrain de se développer.

I.4.2. Pourquoi choisir le Wi-Fi ?

Pour faire face au problème de congestion des réseaux 3G, les opérateurs ont eu le choix entre plusieurs approches : élargir le réseau, basculer sur des femtocells qui doivent être mis en place avec le réseau existant ou encore basculer sur le réseau WiMax ou le Wi-Fi. Le dernier choix était le plus favorisé pour plusieurs raisons qu'on va mettre en évidence.

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Pour commencer, le Wi-Fi offloading est la solution la moins couteuse à appliquer. En effet, la transmission de DATA sur le réseau Wi-Fi est 90% moins couteuse que la transmission de DATA sur un réseau 3G. D'après GreenPacket, l'offloading de DATA sur un autre réseau comme le Wi-Fi peut potentiellement engendrer des économies d'environ 14,4 million de USD par année voir 72 millions de USD durant 5 années si on considère un réseau 3G basé sur 7000 Nodes B [N8]. D'où l'avantage du Wi-Fi par rapport aux femtocells. D'autre part, le réseau WiMax n'est pas encore déployé par plusieurs opérateurs dans le monde ce qui pose un problème de disponibilité limitant les chances de ce choix par rapport au Wi-Fi [N8].

De plus, la majorité des équipements vendus actuellement comme les Smartphones et les tablettes disposent de la fonctionnalité Wi-Fi. En contre partie, le WiMax souffre encore d'un problème de compatibilité avec un grand nombre d'équipements utilisés actuellement par les abonnés mobile. D'où l'utilisation du Wi-Fi semble plus facile et pose moins de contraintes que l'utilisation du réseau WiMax ou des femtocells.

Ensuite le Wi-Fi utilise une bande de fréquences (bande IMS) autre que celle utilisée par les réseaux radio des opérateurs ce qui permet de réduire les chances d'interférences entre les deux réseaux.

Enfin, un autre avantage du Wi-Fi est la stabilité de la connexion qu'il peut offrir soit à l'intérieur ou à l'extérieur des bâtiments si on utilise une architecture maillée formée par les points d'accès (réseau Mesh).

Pour tous ces avantages, plusieurs opérateurs tel que Free, l'opérateur le plus préféré en France, ont déjà commencé à utiliser le wifi offloading 3G comme solution pour la congestion à laquelle fait face leur réseau 3G [N9].

Cependant, il existe toujours des contraintes de passage du réseau 3G au réseau Wi-Fi qui concernent surtout la sécurité des données échangées sur le Wi-Fi vu sa vulnérabilité aux attaques extérieurs et au piratage.

I.4.3. Le principe du Wi-Fi offloading

L'opération de DATA offloading du 3G vers le Wi-Fi peut être assurée par une simple application au niveau de l'équipement mobile qui commute entre les deux réseaux radio.

Cette méthode se caractérise par sa simplicité mais en contre partie elle présente quelques limites. Pour cela, la 3GPP a introduit la mobilité Wi-Fi (Wi-Fi mobility) au niveau de la release 8 pour assurer un HandOver transparent ou Seamless HandOver entre le réseau 3G et

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le réseau WLAN comme amélioration du concept d'I-WLAN déjà introduit au niveau de la release 6.

Et toujours dans la recherche d'une meilleure qualité de service et de basculement entre les deux réseaux, la 3GPP a introduit l'IP Flow mobility qui permet aux opérateurs de contrôler le passage d'un réseau à un autre selon la nature des applications et les flux de données en question [B6].

La figure suivante illustre les étapes de passage vers l'offload transparent 3G/Wi-Fi.

Figure 7 : Le parcours d'offloading Wi-Fi/3G [B6].

I.4.3.1. Commutation basée sur une application

Cette solution est une solution simple et déjà appliquée mais elle peut poser des limites au niveau de l'expérience de l'utilisateur vu que le contrôle de la mobilité est relatif au développeur de l'application ce qui ne garantit pas toujours l'efficacité du choix.

I.4.3.2. Wi-Fi Mobility

Avec cette solution, 3GPP a essayé d'améliorer l'expérience de l'utilisateur et la qualité de service en ajoutant la mobilité et la possibilité du roaming à la solution I-WLAN qu'elle a proposée au niveau de la release 6 pour assurer la possibilité d'accéder à un réseau coeur 3GPP à partir d'un réseau d'accès non 3GPP, à savoir le WLAN, indifféremment du niveau de sécurité qu'il offre.

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? I-WALN release 6

I-WLAN ou 3GPP system to WLAN interworking a été introduit pour la première fois au niveau de la release 6 de la 3GPP pour rendre possible l'interconnexion entre les réseaux 3GPP et les autres réseaux non 3GPP notamment le WLAN pour assurer l'accès au réseau coeur 3GPP.

Pour ce faire, une nouvelle entité a été introduite au niveau de l'architecture du réseau 3G qui est le TTG ou Tunnel Termination Gateway.

Le TTG permet l'authentification des équipements en communicant avec le serveur AAA, déchiffre les sessions ouvertes par l'UE, alloue les adresses IP et protège la couche 3 et l'échange des clés contre l'attaque de dénie de service. Il est responsable de la terminaison des tunnels IPsec qui le relie au UE et bascule le trafic du tunnel IPsec vers le tunnel GTP pour arriver au GGSN. Il reçoit les caractéristiques de tarification relatives à chaque abonné à travers le serveur AAA 3GPP [B7] [N10].

Cette fonction TTG peut être physiquement ou logiquement combinée avec le GGSN ou un sous ensemble des fonctionnalités du GGSN pour former ensemble le PDG. Les différents composants du PDG et les interfaces qui les relient aux autres éléments du réseau sont présentés par la figure suivante [B7] :

Figure 8 : L'implémentation du PDG en réutilisant les fonctionnalités du GGSN.

L'interface Wp relie le TTG au WAG pour assurer l'échange des informations de filtrage entre eux. Quant à l'interface Wu, elle représente un tunnel IPsec reliant le TTG au UE pour les fonctions d'authentification des abonnés et leur autorisation.

L'interface Gn' présente une interface GTP ou un ensemble de fonctionnalités de cette interface reliant le TTG au GGSN ou au sous ensemble de fonctionnalités du GGSN inclus dans le PDG [B7].

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La figure suivante illustre les différentes étapes de la procédure d'établissement du Tunnel IPsec entre le TTG et le UE :

TTG

GGSN

UE

WLAN AN

WAG

3GPP AAA Proxy/Server

DNS Query

1.E2E Tunnel establishment request

WLAN Access Authentication and Autorization and
WLAN UE local IP address allocation

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2.Retrieving authentication and authorization Data

3.Create PDP context request

4.Create PDP context response

5.E2E Tunnel establishment ack

5.Apply packet filter policy to the WAG

Figure 9 : La procédure d'établissement du Tunnel [B7].

L'architecture représentée ci-dessous concrétise le concept I-WLAN comme défini au niveau de la release 6 :

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Figure 10 : Architecture I-WLAN [B8].

3GPP a proposé plusieurs scénarios possibles d'interaction entre le WLAN et le réseau 3GPP. Parmi lesquels les deux scénarios suivants décrivent les besoins d'utilisation de cette architecture par un abonné [B8]:

? Scénario 1 : représente le cas d'accès direct à internet à partir du WLAN. Dans ce cas Le réseau UMTS offre le service d'authentication, authorization et accounting (AAA) mais les données de l'application ne passent pas par le réseau UMTS.

? Scénario 2 : représente le cas ou l'utilisateur se connecte au réseau coeur d'UMTS à travers le réseau WLAN pour bénéficier d'un service 3G sans passer par l'UTRAN.

La procédure de sélection du réseau d'accès WLAN (pour l'I-WLAN) se repose sur deux listes de préférences : l'une contient les SSIDs des réseaux préférés par l'opérateur du réseau Home et l'autre contient ceux des réseaux préférés par l'utilisateur lui même.

La liste de préférences de l'opérateur se repose sur les SSID des réseaux avec qui il a une interconnexion directe ou indirecte. Il existe deux modes de sélection de réseau WLAN définis par 3GPP pour la release 6 :

? Mode de sélection manuel :

Dans ce mode le UE effectue un scanning pour détecter les SSIDs des réseaux à sa portée. Après avoir eu la liste des SSIDs, le UE obtient la liste des PLMNs disponibles

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à partir de chaque SSID et par la suite l'utilisateur choisit l'un des PLMNs. Le UE doit donc s'associer au SSID qui supporte ce PLMN.

? Mode de sélection automatique :

Pour ce mode, le UE effectue un scanning pour détecter les SSIDs des réseaux WLANs à sa portée en cherchant en premier lieux les réseaux les plus préférables selon les listes de préférences qu'on a déjà mentionnées. Après cette étape, le UE commence la procédure d'association en commençant comme d'habitude par les SSIDs les plus préférables pour passer en fin à l'étape d'authentification [B7].

L'I-WLAN tel qu'il a été défini ne permet pas d'assurer l'offload que les opérateurs souhaitent déployer pour décharger leur réseau. Ceci est dû au fait qu'il ne permet pas la gestion de mobilité entre les réseaux d'accès puisque le mécanisme de HandOver entre les réseaux WLAN et les réseaux 3G n'a été défini qu'avec la release 8.

? I-WLAN release 8

Avec le release 8, 3GPP a ajouté à l'I-WLAN la possibilité de mobilité entre les différents réseaux d'accès en se basant sur le protocole Dual Stack MIPv6 ou DSMIPv6. Cette mobilité est assurée par les HandOver entre les deux types de réseaux : WLAN et 3GPP [B9].

? DSMIPv6

DSMIPv6 est un protocole de mobilité qui a pour but d'établir, gérer et déconnecter le tunnel de mobilité entre le UE et la fonction HA (Home Agent). L'établissement du tunnel de mobilité est déclenché toujours par le UE mais la déconnexion de ce tunnel peut être déclenchée soit par le UE ou par le réseau. Conventionnellement, dans un système qui déploie le DSMIPv6, le terminal mobile possède une adresse appelé Home Address qui est utilisée par les applications qui sont lancées sur ce terminal. Quand le terminal se déplace d'un AP à un autre, le CoA (Care of Address) lui est alloué par l'AP cible comme adresse temporelle pour accéder au nouveau réseau. Pour éviter toute coupure des sessions qui ont été déclenchées sur l'ancien réseau d'accès, le trafic paquets envoyé vers le terminal passe par le HA qui l'envoie au terminal à travers le Tunnel en utilisant le CoA comme destination. Puis le mobile envoie les paquets comme s'il est encore attaché au Home Link d'origine c'est à dire en utilisant le Home IP Address avec laquelle il a déclenché les applications, comme adresse source. Ces paquets envoyés passent aussi par le Home Agent à travers le Tunnel. Dans la

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plupart des cas, l'opérateur choisit un réseau 3GPP pour le définir comme Home Link pour un Terminal mobile [N11].

Figure 11 : Le Wi-Fi mobility basé sur le DSMIPv6 [B6].

? HandOver du WLAN au systéme 3GPP

Figure 12: Le HandOver d'I-WLAN au systéme 3GPP [B9].

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Les étapes de déroulement du HandOver du WLAN au systéme 3GPP sont les suivantes [B9] :

1- lors de sa connexion à un réseau I-WLAN, le UE découvre l'existence d'une couverture GPRS 3GPP à l'entourage et décide de basculer les sessions qu'il a déjà ouvertes vers le réseau 3GPP.

2- La procédure de GPRS attach est déclenchée avec la sélection du GGSN, l'affectation d'une adresse IP au UE et l'établissement du tunnel GTP entre le UE et le GGSN pour permettre au UE d'envoyer des données DATA sur le réseau d'accès 3GPP.

3- Le UE envoie le message DSMIPv6 binding Update au Home Agent (HA).

4- Le HA envoie le DSMIPv6 Binding Ack vers le UE.

? HandOver du systéme 3GPP au WLAN

Figure 13 : Le HandOver du systéme 3GPP à l'I-WLAN [B9].

La procédure de HandOver du systéme 3GPP vers le WALN suit la démarche suivante [B9] :

1- Le UE découvre l'existante du réseau 3GPP I-WLAN et décide de basculer ses sessions courantes vers le réseau 3GPP I-WLAN.

2- Le UE établit un tunnel IPsec qui le relie avec le PDG.

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Si le H1PDN attach n'est pas déjà établi alors le UE déclenche le H1PDN attach à travers l'I-WLAN. Sinon, le UE déclenche un message de Binding Update à travers l'I-WLAN.

4- Comme résultat du H1PDN attach ou du Binding Update, le Tunnel DSMIPv6 est établi entre le UE et le HA. Ainsi le UE peut envoyer des données à travers le réseau d'accès 3GPP I-WLAN.

Avec la release 8 une nouvelle entité appelée ANDSF ou Access Network Discovery and Selection Function a été introduite pour assurer le contrôle du choix des réseaux par l'opérateur lors des décisions de HandOver. Comme définie au niveau de la release 8 et 9, l'ANDSF possède une base de données ou il garde l'information concernant les réseaux d'accès disponibles dans chaque cellule du réseau 3GPP de l'opérateur et les ordonne selon les préférences de l'opérateur en fonction de la cellule et du temps de la connexion des UEs. Puis en se basant sur les préférences de l'opérateur et celles du mobile lui même et en tenant compte des conditions radio mesurées par le mobile, le terminal prend la décision et choisit le réseau qui lui convient.

Un exemple de base de données utilisée au niveau de l'ANDSF est représenté dans le tableau qui suit [B10] :

Tableau 1 : Exemple de base de données d'ANDSF.

Avec la première colonne du tableau 1 représente la localisation du UE et la deuxième correspond aux ID des NSP ou Network Service Provider et les ID des NAP ou Network Access Provider qui leur sont correspondants pour les réseaux d'accès WiMAX disponibles

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dans cette zone. Quant à la troisième colonne, elle donne les ID des réseaux Wi-Fi disponibles dans la même zone de localisation.

Les listes de préférences ou Inter-System Mobility Policies (ISMP) de l'opérateur sont envoyées d'un serveur dans le réseau vers le UE qui les sauvegarde au local pour les utiliser lorsqu'il découvre qu'il se trouve dans une zone ou plusieurs réseaux d'accès sont disponibles.

Figure 14: L'architecture d'interaction entre le mobile et l'ANDSF [B6].

Comme le montre la figure 15, l'architecture d'interaction entre l'ANDSF et le mobile est basée sur une communication directe entre le mobile et un serveur OMA-DM (Open Mobile Aliance-Device Management) qui assure la fonction d'ANDSF [B6].

La limite de cette solution est qu'elle ne permet pas à un équipement mobile d'être attaché à la fois à deux réseaux d'accès. C'est pourquoi les ISMPs ont été définis indépendamment du trafic c'est-à-dire que l'ANDSF peut indiquer que l'opérateur préfère que le mobile commute toutes les applications en cours d'exécution sur un réseau WLAN sans tenir compte des exigences des applications utilisées en terme de qualité de service.

I.4.3.3. IP flow Mobility

Cette approche qui a été introduite au niveau de la release 10 a pour but de compléter les insuffisances constatées au niveau de la release 8. En se basant encore sur le protocole DSMIPv6 avec quelques améliorations, le mobile est devenu capable de se connecter à deux réseaux d'accès simultanément et ceci du fait qu'il est devenu possible d'attribuer deux Care of Address différentes à une même Home Address. En d'autre terme, un équipement mobile

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devient capable de commuter une partie de son flux de données sur un réseau en conservent le reste du flux sur l'ancien réseau selon certaines caractéristiques des applications en question. Ceci va donc permettre à l'opérateur d'accepter ou interdire l'accès à un réseau radio selon l'identificateur PDN (ou le nom du point d'accès) utilisé pour une connexion, l'adresse IP de la destination du trafic et le numéro de port destinataire ou encore une combinaison de ces éléments. On parle dans ce cas des Inter-System Routing Policies ou ISRP fournis par l'ANDSF aux UEs qui peuvent router leurs données sur différents réseaux d'accès simultanément [B7].

Le tableau suivant montre un exemple d'ISRPs qui peuvent être fournis par un opérateur à un équipement usager [B7] :

Tableau 2: Un exemple d'ISRPs de la release 10 de 3GPP.

Le résultat obtenu par l'introduction d'IP flow mobility de la release 10 peut être illustré par la figure suivante :

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Figure 15 : L'IP flow mobility [B7].

Même avec les améliorations apportées par l'IP flow mobility, on ne parvient pas encore à bien différencier entre les applications afin de mieux choisir le réseau qui leur convient le plus : comme le cas des applications web et les applications de type multimédia et straming. D'où 3GPP est entrain d'étudier de nouvelles améliorations à apporter à la release 10 au niveau de la release 11 ou les choix de commutations seront plus efficaces et plus adéquats aux attentes des utilisateurs. Ceci sera assuré par l'introduction d'autres caractéristiques à tenir compte dans les ISMPs de l'opérateur utilisés lors de l'offload à savoir le débit du flux IP et la taille des fichiers téléchargés [B7].

I.5. Conclusion

Le réseau 3G a été mis en place comme solution pour offrir plus de ressources aux utilisateurs avec une meilleure qualité par rapport à la génération 2G. Ce pendant, vu l'explosion des services DATA, des problèmes de congestion se sont apparus au niveau des réseaux 3G. Face à cette problématique, plusieurs solutions ont été possibles mais le Wi-Fi offloading a été la solution choisie par plusieurs opérateurs pour ses nombreux avantages.

Cette solution est passée d'une simple application sur l'équipement mobile à un concept standardisé par le 3GPP permettant de garantir à l'utilisateur une meilleure qualité de service.

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Chapitre II

Etude de dimensionnement et de planification d'un

réseau wifi offload 3G pour Tunisie Télécom

II.1. Introduction 28

II.2. Dimensionnement d'un réseau Wi-Fi offload 3G 28

II.2.1. Introduction 28

II.2.2. Processus de dimensionnement d'un réseau Wi-Fi 28

II.2.3. Etude conceptuelle de l'outil de dimensionnement 36

II.3. Planification d'un réseau Wi-Fi offload 3G 42

II.3.1. Introduction 42

II.3.2. Problématiques de planification d'un réseau Wi-Fi 42

II.3.3. Outils de planification 45

II.3.4. Etude Conceptuelle du Processus de Planification 45

II.4. Conclusion 48

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Introduction

Le processus de dimensionnement et de planification des réseaux est d'une grande importance pour les opérateurs vu qu'il leur permet d'estimer la quantité de matériels nécessaires pour satisfaire leurs besoins aussi bien en couverture qu'en capacité puis préciser où exactement placer les équipements pour avoir la meilleure qualité et le maximum de satisfaction des abonnés.

Chaque type de réseau présente des caractéristiques et des spécifications distinctes des autres types de réseaux qui doivent être prises en compte lors de la procédure de dimensionnement aussi bien que lors de la planification.

Dans ce projet, nous visons à mettre en place un réseau Wi-Fi parallèle à un réseau 3G existant et déjà déployé. Pour ce faire, nous avons besoin de tenir compte des caractéristiques d'un réseau Wi-Fi. Dans ce chapitre nous allons expliquer le processus de dimensionnement d'un réseau Wi-Fi et les étapes à suivre au cours de ce processus puis nous allons présenter le processus de planification de ce réseau.

II.1. Dimensionnement d'un réseau Wi-Fi offload 3G

II.2.1. Introduction

Le processus de dimensionnement d'un réseau permet aux opérateurs d'estimer le nombre d'équipement à déployer pour satisfaire les besoins des clients de la région à dimensionner en terme de couverture et de capacité. Un bon dimensionnement permet aux opérateurs de réduire au maximum les coûts de déploiement du réseau en évitant un surdimensionnement ou un sous dimensionnement du réseau tout en satisfaisant les besoins des abonnés.

II.2.2. Processus de dimensionnement d'un réseau Wi-Fi

Le processus de dimensionnement nous permettra de décider sur le nombre d'équipements nécessaires pour la mise en place du réseau Wi-Fi adéquat avec les caractéristiques de la zone à servir et aussi satisfaisant les besoins des clients de cette zone. Dans ce contexte, deux approches de dimensionnement se présentent, on peut choisir de tenir compte d'une seule approche uniquement ou de tous les deux simultanément selon les exigences et les politiques de l'opérateur. Ces deux approches consistent à un dimensionnement par couverture et un dimensionnement par capacité. Dans ce dernier cas, le nombre de point d'accès final

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« NAPdim » est le maximum entre le nombre obtenu par dimensionnement de la couverture « NAPcouv » et celui obtenu par le dimensionnement de la capacité « NAPcap ».

La procédure de dimensionnement tenant compte des deux approches est résumée par la démarche suivante :

Dimensionnement de la couverture Dimensionnement de la capacité

non

NAPcouv >= NAPcap

oui

Paramètres des équipements

Modifier puissance et gain

Surface Bande passante par service

Modèle de propagation

Calcul du nombre de points d'accès NAPcouv

Calcul du rayon de la cellule

Calcul du nombre de points d'accès NAPcap

Calcul de la bande passante totale

NAPdim =NAPcouv

Figure 16 : Organigramme explicatif du processus de dimensionnement.

II.2.2.1. Dimensionnement de la couverture

Au cours de cette partie nous allons détailler les éléments de base de la procédure de dimensionnement de la couverture avec précision du résultat de ce type de dimensionnement.

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II.2.2.1.1. Bilan de liaison

Lors de la transmission du signal d'un terminal à un autre, il peut subir différents effet qui peuvent être aussi bien positifs que négatifs. Le schéma suivant illustre les diverses influences subites par le signal radio au cours de sa transmission du bout en bout :

Antenne (gain) Câble (perte)

30

Figure 17 : Un exemple de chaine de transmission du signal radio d'un réseau Wi-Fi.

Comme le montre la figure, le signal émis par le point d'accès A passe par un câble puis par une antenne. Après sa propagation dans l'espace, le signal est reçu par le point d'accès B en passant comme au niveau de l'émetteur par une antenne et un câble. C'est la démarche générale de la transmission mais elle peut être légèrement modifiée selon le cas d'utilisation : on peut avoir un émetteur sans câble pour le lier avec l'antenne par exemple.

Le passage par un câble engendre une perte de puissance alors qu'une antenne offre une amplification à cette puissance en la multipliant par un gain. Quand à la propagation dans l'espace du signal, elle est généralement accompagnée par différents type d'atténuation, que nous allons détailler ultérieurement.

Le bilan de liaison est composé essentiellement de deux éléments de base :

? La puissance d'émission

Appelée aussi PIRE pour Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente. Elle représente la

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puissance envoyée par l'émetteur sur la voie radio [B11]. En exprimant les différentes puissances en décibel ou dB, la formule du PIRE devient la suivante :

PIRE= Pe - Le + Ge (1)

Avec :

- Pe : la puissance du transmetteur exprimée en dBm,

- Le : les pertes du câble du transmetteur exprimées en dBi, - Ge : le gain de l'antenne du transmetteur exprimé en dB.

Le décibel est obtenu du Watt selon la formule suivante :

P1 (dB) = 10* log (P1/P2) (2)

Où P1 est la puissance à convertir et P2 une puissance de référence qui est égale à 1 Watt pour avoir P1 en dB, 1 milli Watt pour l'avoir en dBm et le gain d'une antenne isotrope pour avoir un gain d'antenne en dBi. Une antenne isotrope est une antenne théorique parfaite qui émet d'une façon homogène dans toutes les directions [B13].

? La sensibilité de réception

La sensibilité S d'un récepteur représente la puissance minimale qu'il doit recevoir pour que le signal soit compréhensible [B11].

La puissance effective reçue Pr doit être supérieure à cette sensibilité S avec une marge de sécurité M qui sera précisée par l'opérateur. C'est-à-dire on doit avoir :

S + M > Pr = PIRE -Lp + Gr - Lr (3)

Avec :

- Lp : l'atténuation due à la propagation du signal dans l'espace exprimée en dBm, - Gr : le gain de l'antenne du récepteur exprimé en dBi, - Lr : les pertes du câble du récepteur exprimées en dB.

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? Le SNR ou rapport Signal/Bruit

C'est la différence entre le signal reçu et la puissance de bruit minimale pour que le récepteur puisse capter le signal. Son expression est donnée par [B11] :

SNR = Puissance du signal reçu [dBm] - Puissance du bruit [dBm] (4)

Les sources du bruit sont généralement le bruit électromagnétique naturel dont la puissance est de l'ordre de - 100 dBm pour les fréquences du Wi-Fi [B11], les téléphones, les radios et tous les équipements émettant des ondes radio. Le SNR doit être considéré lors du calcul de la puissance minimale à recevoir et il doit être positif. En fait plus le SNR est élevé, plus la qualité du signal est meilleure.

La puissance du bruit n'est pas toujours le paramètre limitant puisque la sensibilité du récepteur peut être dans certains cas la plus exigeante surtout dans les environnements ou le niveau de bruit n'est pas très élevé.

II.2.2.1.2. Propagation en espace libre

Lorsque le signal se propage dans un espace libre dit aussi en Line Of Sight, l'aire provoque une atténuation qu'on peut mesurer selon la loi de Friiz en fonction de la distance entre l'émetteur et le récepteur comme suit [B13] :

Lp = (5)

En dB on obtient :

Lp = 32.4 + 20log(d) + 20log(f) (6)

Avec f est en Mhz et d en Km.

= =

II.2.2.1.3. Facteurs d'atténuation

La propagation du signal dans l'espace ne s'effectue pas dans des conditions parfaites et elle est généralement confrontée par des causes et des facteurs d'atténuation quelque soit le réseau

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en question indoor ou outdoor. Parmi ces facteurs d'atténuation on site la réflexion, la diffraction et le phénomène de multi-trajet (voir annexe 1).

II.2.2.1.4. Modèles de propagation

_A ( H _m ) = _{8 .29 log} ( ₁ . ₅₄ H _m ) -- ₁ . ₁

Comme on a expliqué, la propagation des ondes radio est influencée par les caractéristiques de la zone de propagation. Plusieurs facteurs peuvent intervenir et causer une atténuation et une déformation du signal. La connaissance exacte et la mesure déterministe de toutes les caractéristiques de la région en question n'est pas évidente et elle dépend de l'instant de mesure. Pour cela, des modèles de propagations ont était proposés pour essayer d'estimer l'atténuation engendrée par un environnement en fonction de la fréquence utilisée, le type de l'environnement, la position des terminaux et/ou la distance séparant l'émetteur et le récepteur du signal. Nous allons présenter dans cette partie deux exemples connus de modèles de propagation.

_A ( _H ) = ( ₁ . _{1 log} ( _f ) - _{0 .7} ) _{x H} -

_{m m}

_A ( H _m ) = _{3 .2 log} ( _{1 1 .75} H _m ) _4.97

( ₁ . _{56 log} ( _f ) - _{0. 8)} Pour une petite et moyenne ville

? Modèle d'Okumura-Hata

Le modèle d'Okumura-Hata est adopté pour les réseaux de fréquence entre 150 et 1500 Mhz.

Ce modèle prend comme référence pour sa formule standard de calcul de pertes, une zone de

propagation urbaine. La formule de calcul des pertes est la suivante :

(7)

Avec f est la fréquence en MHz, _Hte est la hauteur de l'antenne du transmetteur en mètres comprise entre30 m et 200 m, _Hre est la hauteur de l'antenne du récepteur en mètres comprise entre 1 m et 10 m et d est la distance entre le transmetteur et le récepteur en Km [B14].

Les facteurs de correction de la formule d'atténuation de ce modèle sont :

Pour une grande ville et f <= 300 MHz Pour une grande ville et f >=300 MHz

(8) (9) (10)

Si on change la nature de la zone, la formule des pertes de trajet d'Okumura-Hata devient :

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Pour une zone suburbaine (11)

Pour une zone rurale (12)

? Modèle SPM (Standard Propagation Model)

Le modèle de propagation standard SPM est basé sur le modèle Cost231-Hata et sa formule de calcul des pertes du trajet est donnée par [B15] :

(13)

Avec L présente les pertes du trajet, d présente la distance entre le transmetteur et le terminal en mètres, _Heff correspond à la hauteur effective du transmetteur en mètres, _Hmeff correspond à la hauteur effective du terminale en mètres, Diffraction présente la perte de diffraction en dB, f(clutter) présente la fonction de corrélation de la forme de la zone et les k représentent les coefficients de chaque facteur.

II.2.2.1.5. Résultat du dimensionnement de la couverture

Après avoir établi le bilan de liaison et fixer l'atténuation maximale à tolérer selon le débit souhaité et les paramètres des équipements, nous choisissons la formule de calcul d'atténuation et des pertes du trajet adéquate à notre réseau pour en déduire le rayon maximal d'une cellule et par suite le nombre total de points d'accès nécessaires pour couvrir la zone avec une simple division de la surface de cette zone par la surface de la zone de couverture d'une cellule qui est généralement considérée comme une cellule circulaire de rayon R :

NAPcouv		(14)

Avec E est la partie entière.

II.2.2.2. Dimensionnement de la capacité

Lors du dimensionnement du réseau de point de vu capacité, on ne s'intéresse plus aux conditions radio de la zone ou des paramètres des équipements. C'est plutôt le nombre

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d'abonnés, les services demandés et les bandes passantes qu'ils occupent sur le réseau qui seront considérées.

II.2.2.2.1. Bande passante par service

Après avoir fixé les services demandés dans la zone à couvrir, on doit estimer la consommation en terme de bande passante de chaque service.

Cette consommation individuelle doit être ensuite multipliée par le nombre d'abonnés qui peuvent demander le service simultanément. Ce nombre est obtenu par la multiplication du nombre d'abonné demandant ce service et le taux de simultanéité ou de contention pour ce service.

La bande passante pour un service i est donc obtenue par la formule suivante :

Bi=Ni Ti Ci

Avec :

- Bi : bande passante totale demandée pour le service i,

- Ni : nombre d'abonné du service i,

- Ti : taux de simultanéité pour le service i,

- Ci : la bande passante individuelle pour le service i.

II.2.2.2.2. Bande passante totale

Pour calculer la bande passante totale que doit offrir notre réseau, on fait une simple sommation de toutes les bandes passantes des différents services. Le résultat est donc :

Btot=? Bi Avec n est le nombre total de services offerts. II.2.2.2.3. Résultat du dimensionnement de la capacité

(15)

Après avoir calculé la bande passante totale à servir par notre réseau, on doit estimer le nombre de points d'accès nécessaires pour garantir cette bande passante. Le calcul de ce nombre est obtenu par une division de la bande totale par la bande offerte par un point d'accès qui représente le débit réel offert par ce point d'accès.

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La formule finale est donc la suivante :

(16)

NAPcap

Avec E est la partie entière.

II.2.3. Etude conceptuelle de l'outil de dimensionnement

Dans cette partie du chapitre nous allons détailler les différentes fonctionnalités et scénarios possibles d'utilisation de l'outil de dimensionnement de réseau Wi-Fi que nous allons développer ainsi que la démarche adoptée lors de son fonctionnement.

II.2.3.1. Modélisation de l'outil

? Structure globale et fonctionnalités

L'outil à développer doit mettre en évidence le principe de dimensionnement qu'on a déjà expliqué au niveau du chapitre précédent. Dans ce contexte, cet outil doit assurer les fonctionnalités de base suivantes :

? Dimensionnement de la couverture de la zone en question et déduire le nombre de

point d'accès nécessaires.

? Dimensionnement de la capacité à servir dans cette zone et déduire le nombre de

points d'accès qui doivent être mis en place.

? Déduire le nombre de points d'accès nécessaires qui est le maximum des deux

résultats précédents.

? Paramètres de l'outil

Notre outil va prendre des paramètres précis en entrée pour donner après tout calcul

fait un ensemble de paramètres de sortie.

? Paramètres d'entrée

- Les paramètres du bilan de liaison.

- La surface de la zone à dimensionner.

- Les paramètres du modèle de propagation.

- Les paramètres de trafic et des services à offrir dans cette zone.

? Paramètres de sortie

- Le nombre de points d'accès nécessaires pour satisfaire tous les besoins de la
zone.

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II.2.3.2. Conception de l'outil

Le diagramme de cas d'utilisation global de notre outil est le suivant :

^{administrateur}

^{dimensionnement orienté couverture}

^{dimensionnement orienté capacité}

^<<include>>

^<<include>>

^{s'authentifier}

Figure 18 : Diagramme de cas d'utilisation globale de l'outil de dimensionnement.

L'utilisateur de l'application peut donc avec cet outil faire un dimensionnement de son réseau orienté couverture aussi bien qu'un dimensionnement orienté capacité à condition qu'il soit correctement authentifié chez notre application.

Une représentation de la séquence des différentes interactions entre l'utilisateur et l'application est la suivante :

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⁴ : ^{donner les paramétres du bilan de liaison()}

⁵ : ^{donner les paramétres du modéle de propagation()}

⁶ : ^{préciser la surface de la zone à dimensionner et la marge de sécurité()}

^{administrateur}

¹¹ : ^{donner les paramétres de capacité adéquats()}

¹ : ^{authentification} : ^{identifiant et mot de passe()}

⁹ : ^{afficher NAPcouv()}

¹⁰ : ^{choisir la méthode de calcul de la capacité()}

¹³ : ^{afficher NAPcap()}

¹⁴ : ^{demander le nombre d'AP final()}

¹⁶ : ^{afficher NAPfinal()}

⁷ : ^{calculer le rayon de la cellule wifi()}

^application

⁸ : ^{calculer le NAPcouv()}

¹² : ^{calculer le NAPcap()}

¹⁵ : ^{calculer NAPfinal()}

² : ^{verifier la validité de l'identifiant et du mot de passe()}

³ : ^{valider l'identifiant et le mot de passe()}

^{Base de données}

38

Figure 19 : Diagramme de séquences de l'outil de dimensionnement Dim_Wi-Fi_Offload

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+ Module 1 : authentification

^{administrateur}

^donner identifiant ^{donner mot de passe}

^{s'authentifier}

^<<extend>>

^<<extend>>

^{base de données}

Figure 20 : Diagramme d'activité du module « authentification».

Description du module :

> But : vérifier que l'acteur possède le droit d'utiliser l'outil.

> Acteur : l'administrateur.

> Entrées :

V' Identifiant.

V' Mot de passe.

> Sorties : passage à l'interface suivante.

> Scénario nominal : l'acteur remplit les champs correspondant à

l'identifiant et au mot de passe puis il appuie sur valider pour passer à

l'interface suivante.

> Scénario d'exception : si l'acteur laisse un champ non remplis ou

l'application ne trouve pas une correspondance aux données qu'il a

saisies au niveau de la base de données, un message d'erreur sera

affiché.

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+ Module 2 : dimensionnement de la couverture

^{donner les paramétres du bilan de liaison}

^<<extend>>

^<<extend>>

^<<extend>>

^<<extend>>

^{donner les paramétres du modéle de propagation}

^{donner la surface de la zone}

^{dimensionnement orienté couverture}

^{administrateur}

^{afficher le nombre d'AP}

Figure 21 : Diagramme de cas d'utilisation du module « Dimensionnement orienté couverture».

Description du module :

> But : déterminer le nombre de point d'accès nécessaire pour couvrir

toute la zone à dimensionner.

> Acteur : administrateur.

> Entrées :

V' Puissance d'un point d'accès.

V' Sensibilité de réception d'un point d'accès.

V' Longueur du câble à utiliser pour lier l'antenne à l'AP.

V' Perte par mètre du câble.

V' Gain de l'antenne.

V' Surface de la zone à dimensionner.

V' Marge de sécurité.

> Sorties :

V' Rayon d'une cellule Wi-Fi.

V' Nombre de points d'accès nécessaires « NAPcouv ».

> Scénario nominal : L'administrateur remplit les champs correspondant

à chaque paramètres d'entrée et après tout calcul fait, l'application

affiche le résultat du dimensionnement orienté couverture sous forme

de rayon de cellule et nombre d'AP « NAPcouv ».

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41

> Scénario d'exception :

y' Si l'un des champs est laissé vide alors on aura un affichage d'un message d'erreur.

+ Module 3 : dimensionnement de la capacité

^{administrateur}

^{dimensionnement orienté capacité}

^<<extend>>

^<<extend>>

^<<extend>>

^{donner les paramétres du trafic}

^{choisir le type de calcul du trafic}

^{afficher lenombre d'AP}

Figure 22 : Diagramme de cas d'utilisation du module «Dimensionnement orienté capacité».

Description du module :

> But : calculer le nombre de points d'accès nécessaires pour offrir la

capacité demandée au niveau de la zone à dimensionner.

> Acteur : L'administrateur.

> Entrées :

y' Trafic total.

Ou bien

y' Nombre d'abonné par service.

y' Bande passante individuelle par service.

y' Taux de simultanéité par service.

> Sorties : Nombre de points d'accès nécessaires « NAPcap ».

> Scénario nominal : L'administrateur choisit entre donner la valeur du

trafic total servi calculé réellement pour la zone à dimensionner ou faire

une estimation du trafic en passant par le calcul du trafic pour chaque

service offert dans cette zone. Selon ce choix, il donne les paramètres

demandés par l'application pour avoir en résultat l'affichage du nombre

de points d'accès « NAPcap ».

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? Scénario d'exception :

y' Si l'un des champs est laissé vide alors on aura un message d'erreur.

y' Si l'administrateur choisit de procéder avec une estimation du trafic par service alors le champ trafic total sera bloqué.

II.3. Planification d'un réseau Wi-Fi offload 3G

II.3.1. Introduction

Grace au processus de dimensionnement, on peut estimer le nombre de point d'accès nécessaires pour notre réseau. Maintenant nous devons les planifier pour accomplir toutes les données manquantes pour la mise en place du réseau à savoir la position des points d'accès, les canaux a effectuer à chaque cellule, la position des antennes, etc.

Puis, une mesure des performances du réseau permettra de l'évaluer et de décider sur les améliorations et les optimisations à effectuer.

II.3.2. Problématiques de planification d'un réseau Wi-Fi

Lors du dimensionnement d'un réseau, différents paramètres peuvent intervenir qui différent d'un type de réseau à un autre.

II.3.2.1. Topologie à déployer

Selon les fonctionnalités souhaitées du réseau à déployer, la nature de l'environnement et le nombre d'abonnés, on doit choisir une topologie adéquate à mettre en place. Cette topologie précise la disposition des différentes cellules l'une par rapport les autres. Pour les réseaux Wi-Fi, on peut distinguer entre deux types de topologie [B12] :

- Toutes les cellules sont disjointes : cette topologie est utilisée essentiellement lorsqu'on ne peut utiliser qu'un nombre limité de canaux ou si on veut éviter toute interférence ce qui ne peut être certain que si les cellules sont relativement éloignées. Cette topologie ne permet pas d'offrir un service de mobilité pour les abonnés.

- Les cellules se recouvrent : cette topologie est adaptée lorsqu'on a besoin d'un réseau qui offre aux clients une mobilité continue en exploitant le maximum d'espace. Cette topologie nécessite en contre partie une bonne affectation de canaux pour minimiser les interférences.

Rapport de projet de fin d'études

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43

Le recouvrement peut être minimal comme il peut être mutuel pour offrir plus de capacité pour les zones très denses. Dans ce cas, l'affectation de canaux devient plus délicate.

II.3.2.2. Affectation des canaux

Le réseau Wi-Fi utilise la bande de fréquences ISM pour sa transmission de données entre les stations et le point d'accès pour le mode infrastructure ou entre les stations pour le mode adhoc. Cette bande est divisée en des sous bandes ou canaux de largeur 22 Mhz chacune séparés par 5 Mhz. La transmission des données est effectuée sur un seul canal de la bande IMS spécifié au niveau du point d'accès dans les réseaux en mode infrastructure et par les stations en cas des réseaux adhoc. Dans les cas ou on n'a qu'un petit nombre de points d'accès sans possibilité de recouvrement entre les zones de couverture de chacun, il n'y a pas de problème d'interférence. Ce problème ne se pose que lorsqu'il s'agit d'une large zone avec plusieurs points d'accès qui peuvent se recouvrir pour garantir le maximum de niveau de champs et/ou pour assurer la mobilité et le roaming des abonnés d'une cellule à une autre sans interruption [B12]. La bande ISM représente la bande passante entre 2,4 et 2,4835 GHz et les canaux qui peuvent être utilisés sont les suivants [B11] :

Figure 23 : La distribution des canaux de la bande ISM [B11].

Comme le montre la figure 23, les canaux se recouvrent entre eux d'où s'impose la problématique d'affectation des canaux pour le cas des réseaux avec recouvrement de cellules. On doit donc choisir selon cette schématisation un ensemble de canaux qui ne se chevauchent pas et qui sont séparés par au moins 5 Mhz du fait que pour que deux canaux ne s'interférent pas, ils doivent être séparés par au moins 4 canaux [B11]. Le choix des canaux doit être effectué tout en respectant les réglementations précisées par le pays en question. Le

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tableau suivant résume la limitation de l'utilisation des canaux de la bande ISM selon la réglementation de quelque pays :

Tableau 3 : La réglementation des canaux Wi-Fi pour quelques pays [B11]. Les combinaisons de canaux non interférents les plus utilisées sont :

- Les canaux 1, 6 et 11. - Les canaux 1, 7 et 13.

L'affectation des canaux pour un réseau Wi-Fi doit être bien étudiée pour minimiser les interférences et améliorer en contre partie la qualité du signal. Un exemple d'affectation des canaux 1, 6 et 11 dans un réseau Wi-Fi avec recouvrement de cellules est illustré par la figure suivante :

Figure 24 : Exemple d'allocation de canaux dans un réseau Wi-Fi avec recouvrement [B11].

Au cas où nous ne pouvons pas éviter l'adjacence de deux cellules utilisant le même canal des 3 canaux choisis, on peut utiliser un autre canal qui doit lui même ne pas recouvrir avec les canaux des cellules qui lui sont voisines.

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II.3.2.3. Interférences

Lors de la mise en place d'un réseau Wi-Fi dans une zone bien déterminée, on doit tenir compte des sources d'interférence qui peuvent être présentes et par suite nuire à notre réseau.

Ces sources d'interférence sont essentiellement [B12] :

- Un autre réseau Wi-Fi utilisant les mêmes canaux de fréquence. - Un réseau Bluetooth proche partageant la bande ISM.

- Des fours micro-onde fonctionnant à proximité.

- Tout type d'appareil utilisant la bande des 2.4 Ghz.

On doit éviter la présence de ces facteurs d'interférence dans la zone à planifier pour assurer une bonne qualité de transmission de données.

II.3.3. Outils de planification

Plusieurs outils sont aujourd'hui disponibles pour offrir aux opérateurs la chance de planifier leurs réseaux et réaliser des simulations afin d'estimer les performances de ces réseaux avant leur mise en place pour les optimiser. Ceci leur permettra de minimiser les coûts de déploiement et améliorer les performances de point de vue couverture et capacité. Avec cette démarche on garantira une meilleure qualité de service avec le minimum de coût.

II.3.4. Etude Conceptuelle du Processus de Planification

Le processus de planification est assuré en passant par un ensemble de taches ou procédures.

II.3.4.1. Procédure de mise en place des sites

? En entrée : nom des sites, leur coordonnés géographiques.

? Procédure : cette procédure permet de positionner les différents sites sur la carte

géographique.

? En sortie : l'affichage des sites sur la carte.

Affichage des sites sur carte

Nom des sites

Cordonnées géographiques

Mise en place des sites

45

Figure 25 : Structure de la procédure « Mise en place des sites ».

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II.3.4.2. Procédure de calcul des différents niveaux de champs

· En entrée : paramètres des antennes, le modèle de propagation choisi, la carte de distribution des bâtiments.

· Procédure : cette procédure permet de calculer les niveaux du signal émis par chaque antenne.

· En sortie : l'affichage des niveaux de champs sur la carte avec génération des statistiques sous forme d'histogramme.

Affichage des niveaux de champs sur carte

Histogramme

Paramètres des antennes Modèle de propagation

Carte des bâtiments

Calcul des niveaux de champs du signal émis

Figure 26 : Structure de la procédure « Calcul des niveaux de champ du signal émis ».

II.3.4.3. Procédure de calcul de la couverture par émetteur

· En entrée : paramètres des antennes, le modèle de propagation choisi, la carte de distribution des bâtiments.

· Procédure : cette procédure permet de calculer la zone de couverture de chaque antenne pour définir les limites des cellules. Dans la zone de couverture d'une antenne, cette antenne offre le meilleur niveau de signal par rapport aux antennes voisines.

· En sortie : l'affichage des zones de couverture de chaque antennes sur la carte avec génération des statistiques sous forme de tableau.

Calcul de la couverture par transmetteur

Paramètres des antennes Modèle de propagation Carte des bâtiments

Affichage des zones de couverture sur carte

Statistiques

46

Figure 27 : Structure de la procédure «Calcul de la couverture par émetteur».

II.3.4.4. Procédure de calcul des zones de recouvrement entre les différents sites

· En entrée : paramètres des antennes, le modèle de propagation choisi et la carte de distribution des bâtiments.

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· Procédure : cette procédure permet de calculer les zones de recouvrement entre les cellules pour des besoins essentiellement de HandOver et pour la gestion des interférences.

· En sortie : l'affichage des zones de recouvrement entre les cellules sur la carte avec génération des statistiques sous forme de tableau.

Calcul des zones de

recouvrement

Affichage des zones de
recouvrement sur
carte

Statistiques

Paramètres des antennes

Modèle de propagation

Carte des bâtiments

Figure 28 : Structure de la procédure «Calcul des zones de recouvrement». II.3.4.5. Procédure de simulation

· En entrée : paramètres des services, paramètres des équipements, paramètres des usagers, nombre de simulations, carte de trafic.

· Procédure : cette procédure permet de simuler la distribution des abonnés possibles selon l'environnement, le trafic ou la densité des abonnés.

· En sortie : l'affichage de la distribution des abonnés sur la carte ainsi que leur niveau de satisfaction. Les résultats sont illustrés par des statistiques.

Affichage de la
distribution des
abonnés sur carte

Statistiques

Simulation

Paramètres des services Paramètres des équipements Paramètres des usagers

47

Figure 29 : La procédure de «Simulation».

II.3.4.6. Procédure de calcul des débits offerts

· En entrée : paramètres des services, paramètres des équipements, paramètres des usagers, une simulation ou les paramètres des sites.

· Procédure : cette procédure permet de calculer le débit que peut offrir le réseau planifié en se basant sur la configuration des sites ou sur des simulations.

· En sortie : l'affichage de la distribution des débits par services sur la carte. Les résultats sont illustrés par des statistiques.

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Calcul des débits offerts

Paramètres des services Paramètres des équipements

Paramètres des usagers

Affichage de la
distribution des débits sur

carte

Statistiques

48

Figure 30 : Structure de la procédure de «Calcul des débit offerts».

II.4. Conclusion

Le long de ce chapitre nous avons détaillé les étapes de la procédure de dimensionnement d'un réseau Wi-Fi afin d'obtenir en résultat le nombre d'équipements nécessaires pour le déploiement de ce réseau. Puis, on a décrit l'étude conceptuelle de l'outil de dimensionnement Wi-Fi que nous avons développé. La deuxième partie du chapitre a été consacrée pour l'étude du processus de planification qui utilisera le résultat du dimensionnement pour vérifier et évaluer les performances du réseau obtenu avant son déploiement réel.

Rapport de projet de fin d'études

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49

Chapitre III

Réalisation d'un réseau Wi-Fi offload 3G

III.1. Introduction 50

III.2. Implémentation de l'outil de dimensionnement Wi-Fi 50

III.2.1. Environnement de travail 50

III.2.2. Réalisation 50

III.3. Planification du réseau Wi-Fi offload 3G 62

III.3.1. Présentation de l'outil Atoll 63

III.3.2. Procédure de planification 63

III.4. Conclusion 82

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III.1. Introduction

Après avoir introduit le principe d'offload du 3G vers le Wi-Fi, et suite à l'explication des deux processus : le dimensionnement avec ces deux approches et la planification, nous allons dans ce dernier chapitre faire une étude d'un cas réel pour mieux montrer la démarche de la solution de déploiement du réseau Wi-Fi offload 3G. Nous allons effectuer en première étape le dimensionnement des zones qui présentent une congestion avec le réseau 3G à l'aide d'un outil de dimensionnement Wi-Fi que nous avons implémenté. Puis nous simulerons la solution avec l'outil de planification « Atoll » pour évaluer ses performances.

III.2. Implémentation de l'outil de dimensionnement Wi-Fi

Pour effectuer la tâche de dimensionnement Wi-Fi, nous avons développé un outil de dimensionnement particulier. Cette partie du chapitre va mettre en relief les différentes étapes d'implémentation de cet outil.

III.2.1. Environnement de travail

Pour le développement de l'outil de dimensionnement « Dim_Wi-Fi_Offload », nous avons utilisé le langage « Java » avec la plateforme « Eclipse» (voir annexe 2).

III.2.2. Réalisation

Dans cette partie, nous allons donner un aperçu de l'outil de dimensionnement développé. Nous allons dimensionner un exemple réel de site. Ce site fera partie des ceux présentant une congestion au niveau du réseau 3G et qui nécessitent l'offload Wi-Fi.

III.2.2.1. Détection de sites congestionnés

Les sites congestionnées dans une zone particulière sont détectés à l'aide des statistiques mesurant le trafic total qu'ils servent ainsi que le nombre de CE ou Channel Element alloués après avoir dépasser les 70% des capacités des NodeBs. La combinaison des deux informations nous permet de préciser les sites congestionnés et qui ont besoin d'effectuer le dimensionnement d'un réseau Wi-Fi pour appliquer le principe de Wi-Fi offload afin de les décharger.

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III.2.2.2. Dimensionnement d'un site congestionné avec l'outil «Dim_Wi-Fi_Offload» ? Interface d'authentification

Figure 31 : Interface d'authentification de l'outil.

C'est l'interface d'accueil de notre outil. L'utilisateur doit remplir les champs correspondant au identifiant et mot de passe puis appuyer sur entrer pour passer à l'interface suivante. Le bouton quitter sera présent dans toutes les interfaces pour permettre à l'utilisateur de quitter l'outil.

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? Interface des paramètres de l'AP

Figure 32 : L'interface des paramètres de l'AP de l'outil.

Après l'authentification, l'utilisateur passe à l'interface de remplissage des paramètres des points d'accès qu'il va utiliser pour mettre en place son réseau Wi-Fi. Dans notre cas d'utilisation, nous avons choisi comme équipement des points d'accès 802.11g avec un débit réel d'environ 25 Mbps, la puissance d'émission est fixée à 20 dBm qui représente la puissance maximale d'émission permise par les réglementations [N12] et la sensibilité est de -75 dBm.

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? Interface des paramètres du câble

Figure 33 : L'interface des paramètres du câble est de l'antenne de l'outil.

Lors du passage à cette fenêtre, l'utilisateur doit préciser la longueur de son câble de liaison entre antenne et AP, la perte engendré par ce câble par mètre et le gain offert par l'antenne choisie.

Pour notre cas, nous avons choisi un câble de longueur 6 m, de type LMR400 engendrant une perte de 0.2 dB par mètre et une antenne Wi-Fi extérieure offrant un gain de 18 dBi.

Le bouton valider permet de passer à l'interface suivante alors que le bouton retour assure le retour à l'interface précédente si l'utilisateur décide d'introduire des modifications aux paramètres qu'il a déjà saisis.

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? Interface des paramètres de la zone

Figure 34 : Interface des paramètres de la zone.

Au niveau de cette interface, l'utilisateur doit préciser la surface de la zone ou du site à dimensionner ainsi que la marge de sécurité à prendre en compte pour cette zone. Pour notre cas, nous avons un site de surface 550000 m² avec une marge de sécurité fixée à 10 dBm.

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? Interface des paramètres du modèle de propagation

Figure 35 : Interface des paramètres du modèle de propagation.

Cette interface permet à l'utilisateur de spécifier les paramètres relatifs au modèle de propagation à utiliser lors du calcul du rayon d'une cellule. Pour notre outil Dim_Wi-Fi_Offload, nous avons choisi le modèle de propagation SPM ou Standard Propagation Model qui peut être utilisé pour la bande de fréquence ISM du Wi-Fi et pour des distances de l'ordre de quelques centaines de mètres qui est notre cas de dimensionnement. De plus c'est l'un des modèles de propagation qui peut être appliqué par l'outil de planification « Atoll » que nous allons utiliser suite à la phase de dimensionnement. Pour appliquer ce modèle de propagation, nous avons besoin de spécifier la hauteur de l'AP que nous avons pris de 10 m pour notre cas, la hauteur du mobile qui est d'environ 1.5 m et le facteur de diffraction lié à la zone que nous avons estimé égale à 11 dB.

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? Interface du résultat de dimensionnement de la couverture

Figure 36 : Interface de résultat de dimensionnement orienté couverture.

Après avoir saisi toutes les données demandées, l'application calcule le rayon de couverture
de la cellule Wi-Fi ainsi que le nombre de point d'accès nécessaire pour couvrir toute la zone.

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? Interface des paramètres du dimensionnement de la capacité

Figure 37 : Interface des paramètres de capacité.

Lors du passage à cette fenêtre, l'utilisateur doit choisir le type des paramètres d'entrée à utiliser : par trafic ou par service. L'option « par trafic » permet de préciser le volume de trafic demandé dans la zone à dimensionner et qui sera saisi dans le champ trafic correspondant. C'est le choix que nous allons utiliser pour notre réseau Wi-Fi offload 3G puisque nous avons déjà les mesures de trafic par site.

La deuxième option « par service » nécessite la précision des différents paramètres des différents services demandés dans cette zone. Les figures suivantes illustrent les paramètres à préciser dans ce deuxième cas.

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Figure 38 : Interface nombre d'abonnés par service.

A travers cette interface, nous pouvons préciser le nombre total d'abonnés utilisant chaque service.

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Figure 39 : Interface de la bande passante individuelle par service.

Cette interface demande à l'utilisateur de spécifier la bande passante nécessaire pour chaque service par abonné.

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Figure 40 : Interface du taux de pénétration par service.

Cette interface sert à préciser le taux de pénétration ou de simultanéité de demande des abonnés de chaque service.

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? Interface du résultat du dimensionnement de la capacité

Figure 41 : Interface du résultat de dimensionnement orienté capacité.

Après avoir donné tous les paramètres nécessaires, l'application calcule le nombre de points d'accès nécessaire pour servir la capacité demandée par les abonnés de la zone.

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? Interface du résultat final du dimensionnement

Figure 42 : Interface du résultat final du dimensionnement.

C'est la dernière interface de notre outil et qui donne finalement le nombre de point d'accès qui répond simultanément aux besoins en terme de couverture ainsi qu'aux besoins en terme de capacité.

III.3. Planification du réseau Wi-Fi offload 3G

Dans cette partie nous allons utiliser l'outil de planification Atoll pour effectuer la planification du réseau Wi-Fi de la zone que nous avons déjà dimensionnée avec notre outil de dimensionnement Dim_Wi-Fi_Offload.

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III.3.1. Présentation de l'outil Atoll

Atoll est un outil de dimensionnement et de planification des réseaux cellulaires. Ce logiciel peut être utilisé durant tout le cycle de vie des réseaux (du design à la densification et l'optimisation).

Le logiciel exploite différentes données en entrée à savoir le modèle de propagation, les paramètres des antennes, les paramètres des sites selon la technologie adopté au niveau du projet à réaliser. Atoll permet de créer des projets avec les technologies GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA, CDMA2000, WiMAX et dernièrement le Wi-Fi. Atoll permet de même de déployer des réseaux avec des technologies multiples mais le Wi-Fi ne peut pas encore faire partie de ces technologies.

Enfin après avoir déployé un réseau, Atoll permet de réaliser de multiples prédictions comme :

· Couverture par niveau de champ.

· Couverture par émetteur.

· Etude du trafic.

· Zone de recouvrement.

· Couverture par niveau de C/I.

· Débit moyen.

III.3.2. Procédure de planification

La procédure de planification avec Atoll passe par un ensemble de phases que nous allons détailler un par un.

III.3.2.1 Phase Input

C'est la phase au cours de laquelle nous spécifions les données d'entrée demandées par Atoll pour déployer le réseau à étudier. Nous avons commencé par le déploiement du réseau 3G de Tunisie Télécom puis nous avons passé au déploiement du réseau Wi-Fi.

III.3.2.1.1. Phase input 3G

· Zone géographique à planifier

Pour préciser la zone géographique et l'environnement sur lesquels nous allons travailler, nous avons besoin de 3 entrées :

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y' Clutter : c'est le fichier image représentant la nature du relief dans la région sur laquelle nous allons déployer notre réseau. Elle permet de classer les surfaces selon leurs caractéristiques en : open, inland_water, park, industrial, etc.

y' Heights : C'est un dossier d'altitudes qui permet de donner l'élévation par rapport au niveau de la mer. Il sera utilisé lors du calcul du niveau de signal en tenant compte aussi de l'élévation des bâtiments dans la zone.

y' Buldings : C'est un fichier ou tableau précisant la distribution des bâtiments sur la carte de la zone en spécifiant la surface qu'ils occupent sur cette zone.

? Les services

Atoll nous permet de définir les différents services que notre réseau peut servir en précisant leurs paramètres : le débit exigé, le type, le canal de transmission, etc. Il propose des services par défaut selon la technologie utilisée avec une possibilité de modification selon les exigences de l'opérateur.

Figure 43 : Exemple de configuration par défaut du service « Mobile Internet Access».

? Mobilité

Atoll définit différents types de mobilité. Nous pouvons toute fois modifier les paramètres de ces types de mobilité ou ajouter de nouveaux types.

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? Les sites

Pour mettre en place les sites sur la carte, Atoll demande certaines données relatives à ces sites. Le tableau suivant illustre les différents paramètres de configuration d'un site au format Atoll :

Name	Longitude	Latitude	Altitude (m)	Max No. of UL CEs	Max No. of DL Ces
Site_1	10,7604 Est	34,728056 Nord	[1]	256	256

Tableau 4 : exemple de configuration d'un site pour un réseau 3G.

La longitude et la latitude sont les coordonnées géographiques du site, l'altitude correspond au niveau du site par rapport au niveau de la mer. Les deux derniers champs correspondent au nombre de CE ou Channel Element qui est l'unité élémentaire de calcul de la capacité d'un NodeB.

? Les émetteurs

Pour chaque site, nous devons définir les paramètres de chaque émetteur. Les principaux paramètres sont donnés dans le tableau suivant :

Site	Transmitter	Frequency Band	Antenna	Height (m)	Azimuth (°)	Mechanical Downtilt (°)0	Receiver antenna diversity gain(dB)	Main Propagation Model
Site1	Site1_1	Band1	65deg 18dBi 2Tilt 2100MHz	22	90	0	18	Standard Propagation Model
Site1	Site1_2	Band1	65deg 18dBi 2Tilt 2100MHz	22	210	0	18	Standard Propagation Model
Site1	Site1_3	Band1	65deg 18dBi 2Tilt 2100MHz	22	330	0	18	Standard Propagation Model

Tableau 5 : paramètres de configuration des émetteurs d'un site 3G.

Le paramètre Height correspond à la hauteur de l'antenne, l'Azimuth présente sa direction par rapport au Nord et finalement le tilt mécanique correspond à l'inclinaison de l'antenne par rapport à la verticale qui permet de régler la zone de couverture.

? Les cellules

Après avoir configuré les sites ainsi que les émetteurs qui leur correspondent, les cellules sont automatiquement créées par Atoll. Il ne reste plus que préciser les codes de scrambling utilisés pour chaque cellule pour assurer la différentiation entre les cellules dans le sens DL.

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? Neighbors

Pour bien étudier les interférences et les limites des cellules, nous devons préciser les cellules voisines pour chaque cellule. Cette allocation de voisinage peut être effectuée manuellement ou automatiquement en précisant les paramètres nécessaires pour définir le voisinage d'une cellule.

Figure 44 : Paramètres d'allocation automatique des Neighbors.

III.3.2.1.2. Phase input Wi-Fi

? Zone géographique à planifier

Pour les paramètres de la zone géographique, nous avons utilisé les mêmes cartes utilisées pour le réseau 3G puisque le réseau Wi-Fi va être mis en place en parallèle avec le réseau 3G.

? Les services

De même, Atoll définit des services par défaut pour le réseau Wi-Fi. Ces services sont High Speed Internet et Web Browsing.

? Les sites

Après avoir limité la zone sur laquelle nous allons positionner notre réseau (voir tableau 6 au format Atoll) et qui correspond à la couverture du site congestionné, nous avons placé les sites Wi-Fi en tenant compte des caractéristiques des cartes (Clutter, Height, Buldings). Lors de la

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mise en place des sites nous avons tenu compte de la répartition des bâtiments sur le site dimensionné. Nous avons essayé de placer les points d'accès su les bords des routes et sur les toits des bâtiments pour minimiser les atténuations du signal émis. De plus nous avons essayé d'éloigner au maximum les points d'accès émettant sur le même canal.

Nom	Longitude	Latitude	Altitude (m)
Site0	10,759581251 Est	34,729636442 Nord	[2]
Site1	10,7614915 Est	34,72856293 Nord	[1]
Site2	10,761610297 Est	34,726956304 Nord	[1]		Site3
10,758220683 Est	34,72778971 Nord	[2]
Site4	10,759880052 Est	34,725700999 Nord	[1]
Site5	10,758391979 Est	34,724018404 Nord	[1]
Site6	10,756780895 Est	34,725808859 Nord	[1]
Site7	10,755867862 Est	34,723946625 Nord	[1]
Site8	10,756442411 Est	34,722198184 Nord	[1]

Tableau 6 : Configuration des sites du réseau Wi-Fi. ? Les émetteurs

Pour chaque site doté d'un point d'accès Wi-Fi, nous avons défini les caractéristiques de son émetteur comme suit :

Site	Transmitter	Antenna	Height (m)	Main Propagation Model
Site0	Site0_1	2400MHz Omni 18dBi	10	Standard Propagation Model
Site1	Site1_1	2400MHz Omni 18dBi	10	Standard Propagation Model
Site2	Site2_1	2400MHz Omni 18dBi	10	Standard Propagation Model
Site3	Site3_1	2400MHz Omni 18dBi	10	Standard Propagation Model
Site4	Site4_1	2400MHz Omni 18dBi	10	Standard Propagation Model
Site5	Site5_1	2400MHz Omni 18dBi	10	Standard Propagation Model
Site6	Site6_1	2400MHz Omni 18dBi	10	Standard Propagation Model
Site7	Site7_1	2400MHz Omni 18dBi	10	Standard Propagation Model
Site8	Site8_1	2400MHz Omni 18dBi	10	Standard Propagation Model

Tableau 7 : La configuration des émetteurs des sites Wi-Fi.

Comme le montre ce tableau, nous avons configuré les émetteurs avec les mêmes paramètres utilisés lors du dimensionnement avec notre outil Dim_Wi-Fi_Offload à savoir le gain de l'antenne, son hauteur et le modèle de propagation.

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? Les cellules

Au niveau des cellules Wi-Fi, nous avons défini les 13 canaux Wi-Fi sur la bande de fréquence de 2400. Ces canaux sont de largeur 22 MHz chacun avec 5MHz séparant les canaux successifs.

Name	DL start frequency (MHz)	UL start frequency (MHz)	Channel Width (MHz)	First channel	Last channel
2.4GHz - 22MHz - Ch. 1	2 401	2 401	22	1	1
2.4GHz - 22MHz - Ch. 2	2 406	2 406	22	2	2
2.4GHz - 22MHz - Ch. 3	2 411	2 411	22	3	3
2.4GHz - 22MHz - Ch. 4	2 416	2 416	22	4	4
2.4GHz - 22MHz - Ch. 5	2 421	2 421	22	5	5
2.4GHz - 22MHz - Ch. 6	2 426	2 426	22	6	6
2.4GHz - 22MHz - Ch. 7	2 431	2 431	22	7	7
2.4GHz - 22MHz - Ch. 8	2 436	2 436	22	8	8
2.4GHz - 22MHz - Ch. 9	2 441	2 441	22	9	9
2.4GHz - 22MHz - Ch. 10	2 446	2 446	22	10	10
2.4GHz - 22MHz - Ch. 11	2 451	2 451	22	11	11
2.4GHz - 22MHz - Ch. 12	2 456	2 456	22	12	12
2.4GHz - 22MHz - Ch. 13	2 461	2 461	22	13	13

Tableau 8 : Définition des canaux de fréquence pour le réseau Wi-Fi.

Nous avons ensuite essayé d'affecter ces canaux de telle façon à diminuer la probabilité d'interférence entre les cellules. Nous avons essayé d'utiliser les canaux 1, 6 et 11 puisqu`ils ne se recouvrent pas. Pour la puissance d'émission des points d'accès, nous l'avons fixé de 20 dBm. La configuration des cellules est illustrée par le tableau suivant :

Transmitter	Name	Frequency Band	Channel Number	Power (dBm)	Reception Equipment
Site0_1	Site0_1 (0)	2.4GHz - 22MHz - Ch. 6	6	20	802.11g Reception Equipment
Site1_1	Site1_1 (0)	2.4GHz - 22MHz - Ch. 1	1	20	802.11g Reception Equipment
Site2_1	Site2_1 (0)	2.4GHz - 22MHz - Ch. 6	6	20	802.11g Reception Equipment
Site3_1	Site3_1 (0)	2.4GHz - 22MHz - Ch. 11	11	20	802.11g Reception Equipment
Site4_1	Site4_1 (0)	2.4GHz - 22MHz - Ch. 1	1	20	802.11g Reception Equipment
Site5_1	Site5_1 (0)	2.4GHz - 22MHz - Ch. 11	11	20	802.11g Reception Equipment
Site6_1	Site6_1 (0)	2.4GHz - 22MHz - Ch. 6	6	20	802.11g Reception Equipment
Site7_1	Site6_1 (0)	2.4GHz - 22MHz - Ch. 1	1	20	802.11g Reception Equipment
Site8_1	Site6_1 (0)	2.4GHz - 22MHz - Ch. 6	6	20	802.11g Reception Equipment

Tableau 9 : Configuration des cellules Wi-Fi.

III.3.2.2. Phase de planification radio

Pendant cette phase nous allons se baser sur les prédictions assurées par Atoll pour évaluer la performance des réseaux de point de vue couverture aussi bien que capacité.

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III.3.2.2.1. Performance radio 3G

? La couverture par niveau de champ

Figure 45 : La couverture par niveau de champ pour le réseau 3G.

La prédiction de la couverture par niveau de champs montre une couverture excellente (supérieure à -70dBm) assuré par le réseau 3G de la région de laquelle fait partie notre site congestionné.

? Couverture par émetteur

Figure 46 : La couverture par émetteur pour le réseau 3G.

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Cette prédiction nous permet de déterminer les limites des différentes cellules du réseau 3G afin de préciser la zone de couverture du site congestionné sur lequel nous voulons appliquer le principe du Wi-Fi offload.

? Le débit

Pour calculer le débit offert par notre réseau, nous devons précéder notre prédiction par une simulation basée sur une carte de trafic pour estimer la distribution des abonnés et la qualité de leur service. Cette carte de trafic présente la quantité de trafic maximale qu'un émetteur peut servir dans une zone. Pour calculer ce trafic, nous avons pris comme support les mesures de trafic des services par site à l'heure de pointe afin de garantir la meilleure satisfaction des abonnés. Ces volumes de trafic sont ensuite distribués entre le réseau Wi-Fi (30%) et le réseau 3G (70%) pour évaluer les performances des deux réseaux en terme de capacité avec l'offload.

? sans l'offload

Pour tester la performance du site 3G avant l'offload, nous avons utilisé une carte de trafic qui prend en considération la totalité du trafic demandé par les abonnés au niveau de ce site (100% du trafic supporté par le site 3G).

La simulation effectuée sur le réseau 3G avant l'offlaod et particulièrement sur le site auquel nous allons appliquer le principe du Wi-Fi offload est décrite par la figure suivante :

Figure 47 : Résultat de simulation pour le site congestionné du réseau 3G avant l'offload.

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Figure 48 : Les statistiques de la simulation du réseau 3G avant l'offload.

Le résultat de la simulation montre que notre site 3G assure un bon pourcentage de satisfaction d'abonnés servis avec un taux de rejet de 0.7% uniquement.

Après avoir effectué la simulation, nous calculons la prédiction du débit moyen offert par le site congestionné en question :

Figure 49 : Résultat de calcul du débit pour le site congestionné avant l'offload. Atoll génère ses statistiques sous forme d'histogramme comme suit :

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^38,4

^35,2

³²

^28,8

^25,6

^22,4

^19,2

¹⁶

^12,8

^9,6

^6,4

^3,2

⁰

^{MAC Throughput (kbps)}

72

Figure 50 : Statistiques de la distribution des débits offerts par le site congestionné avant l'offload.

Selon cet histogramme, notre site 3G avant l'offload permet d'offrir un débit essentiellement compris entre environs 0.7Mbps et 2.2Mbps qui représente 74 % de la totalité du débit offert.

? avec l'offload

Pour cette partie, nous avons utilisé pour la simulation une carte de trafic présentant uniquement 70% du trafic demandé par les abonnés du site congestionné étudié et auquel nous allons appliquer le principe du Wi-Fi offload. Le résultat de cette simulation est décrit par la figure suivante :

Figure 51 : Résultat de la simulation pour le site 3G congestionné après l'offload.

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73

Figure 52 : Statistiques de la simulation du site congestionné après l'offload.

Cette simulation montre un meilleur niveau de satisfaction d'abonné comparé au résultat de simulation du même réseau avant l'offload : nous sommes passés d'un taux de rejet de 0.7% à un taux de 0.5% suite à l'offload.

Après avoir effectué la simulation, nous calculons la prédiction du débit offert par le site congestionné en question :

Figure 53 : Résultat de calcul du débit pour le site congestionné après l'offload. Les statistiques générées par Atoll pour cette prédiction sont les suivantes :

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^38,4

^35,2

³²

^28,8

^25,6

^22,4

^19,2

¹⁶

^12,8

^9,6

^6,4

^3,2

⁰

^{MAC Throughput per Mobile (kbps)}

74

Figure 54 : Statistiques de la prédiction de débit pour le site congestionné après l'offload.

L'impact de l'offload sur la performance du réseau en terme de capacité est bien indiqué par l'amélioration remarquable des débits offerts par notre réseau après l'offload comparés aux ceux offerts par le même réseau avant l'offload.

Pour mettre en évidence l'amélioration de la couverture en terme de débit offert par le site congestionné étudié après l'offload, nous avons effectué une comparaison entre les débits avant et après offload.

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Figure 55 : Comparaison entre la couverture en débit offerte par le site 3G congestionnée avant et après l'offload.

Figure 56 : Statistiques de la comparaison entre la couverture en débit offerte par le site 3G congestionné avant et après l'offload.

D'après notre comparaison, nous pouvons déduire que le site 3G congestionné est arrivé, grâce à l'offload Wi-Fi, à offrir plus de débit. Ceci a permis de couvrir une zone plus large de 8.9% que celle qu'a été couverte avant l'offload.

III.3.2.2.2. Performance radio du réseau Wi-Fi offload 3G ? La couverture par niveau de champ

Le calcul du niveau de champ est effectué par émetteur et son résultat est présenté par la figure suivante :

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Figure 57 : Couverture par niveau de champs du réseau Wi-Fi.

Les statistiques de cette prédiction sont illustrées par l'histogramme suivant :

⁵⁴

^49,5

⁴⁵

^40,5

³⁶

^31,5

²⁷

^22,5

¹⁸

^13,5

⁹

^4,5

⁰

^{Best Signal Level (dBm)}

76

Figure 58 : Statistiques des mesures des niveaux de champs offerts par les points d'accès du réseau Wi-Fi.

Nous remarquons que notre réseau Wi-Fi offre un pourcentage important représentant les excellents niveaux de champ (supérieur à -70 dBm) et un faible pourcentage représentant le faible niveau de champ (inférieur à -85 dBm).

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? Zone de recouvrement

6

1

1

11

11

1

6

6

1

Figure 59 : Calcul des zones de recouvrement entre les cellules Wi-Fi.

⁸⁴

⁷⁷

⁷⁰

⁶³

⁵⁶

⁴⁹

⁴²

³⁵

²⁸

²¹

¹⁴

⁷

⁰

^{Number of Servers}

Figure 60 : Histogramme illustratif du calcul des zones de recouvrement du réseau Wi-Fi.

Le problème posé par l'interférence entre les cellules est dû à la présence de zones de recouvrement entre des cellules utilisant le même canal Wi-Fi ou des canaux qui se recouvrent. Ce problème ne présente pas de contrainte pour notre réseau vu que d'une part nous avons essayé d'affecter les canaux d'une manière à réduire au maximum les zones ou peuvent se présenter les émissions de deux points d'accès transmettant sur le même canal ou

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78

sur des canaux qui se chevauchent (la répartition des canaux est indiquée en blanc sur la figure 58). D'autre part, notre prédiction nous a montré que les surfaces sur lesquels on peut trouver un recouvrement entre les APs sont relativement faibles (de l'ordre de 19%). Ces recouvrements offrent la mobilité aux usagers avec un minimum d'interférences.

? Le débit

Nous effectuons une simulation sur notre réseau Wi-Fi en véhiculant sur le réseau juste 30% du trafic demandé au niveau du site étudié. Le résultat de cette simulation est le suivant :

Figure 61 : Résultat de la simulation du réseau Wi-Fi.

Avec cent itérations successives, la simulation montre qu'une bonne partie des abonnés est correctement connectés aux services Wi-Fi avec un taux de rejet faible de l'ordre de 1.3%.

Figure 62 : Statistiques de la simulation du réseau Wi-Fi

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Après avoir effectué la simulation, nous pouvons entamer le calcul de la prédiction des débits :

Figure 63 : Le débit moyen offert par le réseau Wi-Fi. Cette prédiction du débit peut être résumée par l'histogramme suivant :

79

^{48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0}

^{Effective MAC Cell Capacity (DL) (kbps)}

Figure 64 : Histogramme de la distribution du débit effective pour le réseau Wi-Fi.

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Cet histogramme permet de conclure que notre réseau Wi-Fi offre des débits élevés (allant de 10 Mbps jusqu'à 47 Mbps) ce qui garantira une bonne satisfaction des abonnés de la zone étudiée en terme de capacité. Ce résultat vient pour complémenter la satisfaction offerte par ce réseau en terme de couverture que nous avons déjà montré.

? Taux d'erreur par bloc

Figure 65 : Taux d'erreur par bloc du réseau Wi-Fi.

¹⁰⁴

⁹⁶

⁸⁸

⁸⁰

⁷²

⁶⁴

⁵⁶

⁴⁸

⁴⁰

³²

²⁴

¹⁶

⁸

⁰

^BLER

Figure 66 : Histogramme de la prédiction du taux d'erreur par bloc pour le réseau Wi-Fi.

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Les mesures du taux d'erreur par bloc ont prouvé que notre réseau Wi-Fi permet la transmission de donnée avec un taux d'erreur minimal qui ne dépasse pas 0.05 d'où la fiabilité de notre réseau.

? Qualité du canal

Le calcul de la qualité du canal offerte par notre réseau Wi-Fi nous permet d'évaluer la qualité du signal dans le site étudié et le niveau d'interférences engendrées par l'émission des différentes cellules.

Figure 67 : Résultat de prédiction de la qualité du canal pour le réseau Wi-Fi.

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^20,8

^19,2

^17,6

¹⁶

^14,4

^12,8

^11,2

^9,6

⁸

^6,4

^4,8

^3,2

^1,6

⁰

^{C/(I+N) Level (DL) (dB)}

82

Figure 68 : Histogramme de la prédiction de la qualité du canal du réseau Wi-Fi.

La prédiction de la qualité du canal montre que le réseau Wi-Fi planifié offre une bonne qualité de canal avec un rapport porteuse sur bruit et interférence ou C/(I+N) supérieure à 5dB.

III.4. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons mis en évidence notre étude théorique du processus de dimensionnement et de planification d'un réseau Wi-Fi à travers une application pratique sur un cas réel. Cette étude pratique a été assurée en première étape par l'outil de dimensionnement que nous avons développé puis en deuxième étape par l'outil de planification Atoll.

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Conclusion générale

Les réseaux radio ont toujours essayé de répondre aux besoins de plus en plus pressants des abonnées essentiellement au niveau des services Data. Dans ce contexte, la 3^ème génération des réseaux radio est apparue et ensuite améliorée pour définir la génération 3G+ ou HSPA. Cependant, ces réseaux n'ont pas pu supporter l'évolution rapide et continue des besoins des services DATA ce qui a causé l'apparition des problèmes de congestion au niveau des réseaux 3G. Face à cette situation urgente, certains opérateurs ont opté pour le Wi-Fi offload comme solution adéquate et simple à mettre en oeuvre avec le minimum des coûts. C'est dans ce cadre que s'inscrit notre projet de fin d'étude.

Ce projet a porté sur l'étude du concept du Wi-Fi offload afin de le déployer dans les zones où le réseau 3G souffre de problème de congestion.

Nous avons introduit les réseaux 3G aussi bien que les réseaux Wi-Fi. Puis nous avons expliqué le concept de Wi-Fi offload comme défini par le standard 3GPP.

Nous avons détaillé le processus de fonctionnement de l'outil de dimensionnement Wi-Fi que nous avons élaboré. Nous avons également décrit les étapes de planification à suivre à l'issu du processus de dimensionnement.

Nous avons, enfin, étudié un cas réel de site congestionné. Après avoir dimensionné ce site avec notre application, nous avons utilisé Atoll pour le planifier et le simuler afin de mettre en évidence ses performances en terme de couverture et de capacité.

Notre plateforme réseau a montré une bonne performance en terme de couverture et de capacité d'après les simulations. Ces résultats doivent être validés par des mesures réelles après son déploiement. L'étude pourrait être élargie à d'autres zones du pays. Notre réseau Wi-Fi offload 3G peut nécessiter une densification sur le long terme pour prendre en considération la croissance démographique et la progression possible des besoins de des abonnés en ressources.

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Annexe 1 : Les facteurs d'atténuation

? La réflexion

Elle apparait lorsque l'onde électromagnétique propagée rencontre un objet de dimensions plus larges que la longueur d'onde du signal radio en propagation. La réflexion peut être engendrée par la surface de la terre, les bâtiments et les murs [N13]

Figure 69 : Le phénomène de réflexion d'une onde radio [N13].

? La diffraction

Elle parvient lorsque l'onde propagée passe par un environnement ou se trouvent des objets dont les dimensionnements sont comparables à la longueur d'onde du signal radio [B16].

Figure 70 : Phénomène de diffraction d'onde radio [N14].

? Le multi-trajet

Subissant des réflexions et des diffractions successives, et vu que l'onde radio peut se propager sur différentes direction selon la nature de l'antenne utilisée, le signal d'origine envoyé peut arriver au récepteur sur différents chemins. Vu la différence du temps de

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propagation des ondes reçues, leur combinaison au niveau du récepteur peut engendrer une interférence, puisque les données se chevauchent, et par suite une dégradation de la qualité du signal [N13].

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Figure 71 : Le phénomène de trajets multiples et son impacte sur le signal [B16].

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Annexe 2 : Java et Eclipse

? Java

Java est un langage de programmation moderne développé par Sun Microsystems. Il se caractérise par sa portabilité : une fois le programme est crée, il peut fonctionner automatiquement sur toute machine Windows, Mac, Linux, etc.

Le langage Java fait partie des langages de programmation orientés objet qui se base sur la manipulation des classes. C'est aussi un langage compilé ou un code doit passer par trois phases de vie principales à savoir la phase d'écriture du code en Java, la phase de compilation de ce code pour qu'il soit compréhensible par la machine et finalement la phase d'exécution.

? Eclipse

Eclipse est un logiciel open source développé par IBM. C'est un IDE, Integrated Development Environnement, qui permet aux développeurs de réunir dans une seule application un plan de travail ainsi que des fonctionnalités évoluées de débogage. Eclipse simplifie la tache de programmation avec une compilation instantanée du code lors de son écriture. Il est principalement écrit en Java, très utilisé pour les projets Java mais il permettra potentiellement de créer des projets avec n'importe quel langage de programmation.

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Bibliographie

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