Memoire Online - Etude de la qualité de service dans les réseaux mobiles GSM

Je dédie ce travail
A mon père Patrice
Pour m'avoir toujours poussé, paix à son âme
A ma mère
Pour qui je ne trouve aucune dédicace lui convenant pour tout ce que je lui dois,

que Dieu lui prête longue vie
A mes frères Philipe, Mignon, Christ
Pour m'avoir rendu la vie agréable, que Dieu les garde
A mes soeurs André, Caprice, Christna, Amour, Ordalie
Pour m'avoir rendu aussi la vie agréable, que Dieu les garde
A tous mes amis
L'une des sources de ma bonne humeur
A tous mes enseignants
A tous ce que j'aime et qui m'aiment
Et à toute ma famille
Qui a été toujours là pour moi et en moi

Avant-propos

Ce travail présenté a été réalisé dans le cadre de l'obtention du diplôme de la licence en réseau et télécommunication au sein de l'institut supérieur d'informatique dit ISI. Ce projet réalisé au sein de mon établissement s'est basé sur l'étude de la qualité de service au sein des réseaux mobiles GSM

C'est un grand plaisir que je réserve cette page en guise de gratitude et ma sincère reconnaissance pour ceux qui m'ont aidé de loin ou de près dans l'élaboration de ce projet.

Remerciements

Je ne pourrais commencer ce rapport sans présenter mes remerciements les plus sincères à M. Issa Konaté AW, professeur à l'institut supérieur d'informatique ISI, qui n'a cessé de me guider et de me faire bénéficier de son grand savoir. Je tiens à exprimer mes vifs remerciements à la direction de l'école ISI pour l'intérêt qu'elle a porté à la formation de ses étudiants

Mes sincères remerciements à tous mes enseignants pour la qualité de l'enseignement qui ont bien voulu me partager leurs connaissances.

Finalement, merci à toute personne qui m'a aidé pour la réalisation de ce travail.

Table des matières

Liste des figures

Figure 1: motif élémentaire (à gauche) et un ensemble de motifs dans un réseau (à droite). 14

Liste des tableaux

Liste des acronymes

BCCH Broadcast Control CHannel BCH Broadcast Control Channel BER: Bit Error Rate

BSC Base Station Controller BSS Base Station Sub-System BTS Base Transceiver Station

CEPT: Conférence Européenne des administrations des Postes et Télécommunication

FH: Faisceaux Hertziens Fu: Frequency uplink Fd: Frequency downlink FER: Frame Error Rate

IMEI: International Mobile Equipment Identity IMSI: International Mobile Subscriber Identity ISDN: Integrated Service Digital Network ITU: International Telecommunication Union IT: Intervalles de Temps

SDCCH: Standalone Dedicated Control Channel SACCH: Slow Associated Control CHannel

Introduction générale

Le réseau humain se limitait autrefois à des conversations en face à face, aujourd'hui les découvertes en matière de technologies étendent sans cesse sur des longues distances nos communications. A ces technologies nous avons le réseau fixe RTC (Réseau Téléphonique Commuté), le réseau mobile GSM (Global System for Mobile) qui constitue d'ailleurs notre base d'étude et bien d'autres.

En effet le GSM est l'une technologie les plus marquants de ces dernières décennies. Avec plus d'un milliard d'abonnés elle constitue la norme la plus répandue de toutes les technologies existantes. L'explosion du secteur des services est certainement un fait majeur des années 90 dans le domaine des télécommunications.

L'amélioration des services rendus au niveau des réseaux mobiles GSM est grandement manifestée dans différents secteurs : privés et publics. Les opérateurs des réseaux GSM utilisent différentes techniques pour la supervision de la qualité de service. Pour cela sont utilisés les compteurs OMC pour les indications et des fichiers de traces capturés au niveau de l'interface radio (Drive test).Cependant, cette supervision n'est pas une tâche facile à réaliser vue l'architecture du réseau et la configuration de ses différents éléments.

D'abord, dans la première partie nous aurons à parler de la généralité du réseau mobile GSM, dans la deuxième il sera question de l'architecture du GSM, la troisième partie sera la qualité de service en tant que tel dans les réseaux mobiles et enfin dans la dernière nous parlerons des paramètres de qualité de service dans lequel nous aurons droit à une étude de cas.

Chapitre I : Principe et concept de base des Réseaux mobiles

1. Présentation du GSM

1.1. Historique

L'histoire de la téléphonie mobile (numérique) débute réellement en 1982. En effet, à cette date, le Groupe Spécial Mobile, appelé GSM2, est créé par la Conférence Européenne des administrations des Postes et télécommunications (CEPT) afin d'élaborer les normes de communications mobiles pour l'Europe dans la bande de fréquences de 890 à 915 [MHz] pour l'émission à partir des stations mobiles3 et 935 à 960 [MHZ] pour l'émission à partir de stations fixes. Il y eut bien des systèmes de mobilophonie analogique (MOB1 et MOB2, arrêté en 1999), mais le succès de ce réseau ne fut pas au Rendez-vous.

Les années 80 voient le développement du numérique tant au niveau de la transmission qu'au niveau du traitement des signaux, avec pour dérivés des techniques de transmission fiables, grâce à un encodage particulier des signaux préalablement à l'envoi dans un canal, et l'obtention de débits de transmission raisonnables pour les signaux (par exemple 9,6 kilobits par seconde, noté kbps, pour un signal de parole).

Ainsi, en 1987, le groupe GSM fixe les choix technologiques relatifs à l'usage des télécommunications mobiles : transmission numérique, multiplexage temporel des canaux radio, chiffrement des informations ainsi qu'un nouveau codage de la parole. Il faut attendre 1991 pour que la première communication expérimentale par GSM ait lieu. Au passage, le sigle GSM change de signification et devient Global System for Mobile communications et les spécifications sont adaptées pour des systèmes fonctionnant dans la bande des 1800 [MHz].

Aujourd'hui, le nombre de numéros attribués pour des communications GSM dépasse largement le nombre de numéros dédiés à des lignes fixes et cette tendance se poursuit.

1.2. Évolution technologique

Tel quel, le réseau GSM est adéquat pour les communications téléphoniques de parole. En effet, il s'agit principalement d'un réseau commuté, à l'instar des lignes fixes et constitués de circuits, c'est-à-dire de ressources allouées pour la totalité de la durée de la conversation. Rien ne fut mis en place pour les services de transmission de données.

2. Principe et concept de base

2.1. Le concept cellulaire

Les réseaux de première génération possédaient des cellules de grande taille (50 [km] de rayon) au centre desquelles se situait une station de base (antenne d'émission). Au tout début, ce système allouait une bande de fréquences de manière statique à chaque utilisateur qui se trouvait dans la cellule qu'il en ait besoin ou non. Ce système ne permettait donc de fournir un service qu'à un nombre d'utilisateurs égal au nombre de bandes de fréquences disponibles. La première amélioration consista à allouer un canal à un utilisateur uniquement à partir du moment où celui-ci en avait besoin permettant ainsi d'augmenter .statistiquement le nombre d'abonnés, étant entendu que tout le monde ne téléphone pas en même temps.

Mais ce système nécessitait toujours des stations mobiles de puissance d'émission importante (8 [W]) et donc des appareils mobiles de taille et de poids conséquents. De plus, afin d'éviter les interférences, deux cellules adjacentes ne peuvent pas utiliser les mêmes fréquences. Cette organisation du réseau utilise donc le spectre fréquentiel d'une manière sous-optimale. C'est pour résoudre ces différents problèmes qu'est apparu le concept de cellule. Le principe de ce système est de diviser le territoire en de petites zones, appelées cellules, et de partager les fréquences radio entre celles-ci. Ainsi, chaque cellule est constituée d'une station de base (reliée au Réseau Téléphonique Commuté, RTC) à laquelle on associe un certain nombre de canaux de fréquences à bande étroite, sommairement nommés fréquences. Comme précédemment, ces fréquences ne peuvent pas être utilisées dans les cellules adjacentes afin d'éviter les interférences. Ainsi, on définit des motifs, aussi appelés clusters, constitués de plusieurs cellules, dans lesquels chaque fréquence est utilisée une seule fois. La figure ci-dessous montre un tel motif, en guise d'exemple.

Figure 1: motif élémentaire (à gauche) et un ensemble de motifs dans un réseau (à droite).

Graphiquement, on représente une cellule par un hexagone car cette forme approche celle d'un cercle. Cependant, en fonction de la nature du terrain et des constructions, les cellules n'ont pas une forme circulaire. De plus, afin de permettre à un utilisateur passant d'une cellule à une autre de garder sa communication, il est nécessaire que les zones de couverture se recouvrent de 10 à 15%, ce qui renforce la contrainte de ne pas avoir une même bande de fréquences dans deux cellules voisines.

Pour éviter les interférences à plus grande distance entre cellules utilisant les mêmes fréquences, il est également possible d'asservir la puissance d'émission de la station de base en fonction de la distance qui la sépare de l'utilisateur. Le même processus du contrôle de la puissance d'émission est également appliqué en sens inverse. En effet, pour diminuer la consommation d'énergie des mobiles et ainsi augmenter leur autonomie, leur puissance d'émission est calculée en fonction de leur distance à la station de base. Grâce à des mesures permanentes entre un téléphone mobile et une station de base, les puissances d'émission sont régulées en permanence pour garantir une qualité adéquate pour une puissance minimale.

> par sa puissance d'émission nominale : ce qui se traduit par une zone de couverture à l'intérieur de laquelle le niveau du champ électrique est supérieur à un seuil déterminé ;

Il faut noter que la taille des cellules n'est pas la même sur tout le territoire. En effet, celle-ci dépend :

> de la configuration du terrain (relief géographique, présence d'immeubles, . . .),

> de la nature des constructions (maisons, buildings, immeubles en béton, . . .) et

> de la localisation (rurale, suburbaine ou urbaine) et donc de la densité des constructions.

Ainsi, dans une zone rurale où le nombre d'abonnés est faible et le terrain relativement plat, les cellules seront plus grandes qu'en ville où le nombre d'utilisateurs est très important sur une petite zone et où l'atténuation due aux bâtiments est forte. Un opérateur devra donc tenir

compte des contraintes du relief topographique et des contraintes urbanistiques pour dimensionner les cellules de son réseau. On distingue pour cela quatre services principaux :

> Le service Outdoor : qui indique les conditions nécessaires pour le bon déroulement d'une communication en extérieur.

> Le service Incar : qui tient compte des utilisateurs se trouvant dans une voiture. On ajoute typiquement une marge supplémentaire de 6 décibel Watt, notée 6 [dBw], dans le bilan de puissance pour en tenir compte.

> Le service Indoor : qui permet le bon déroulement des communications à l'intérieur des bâtiments. Cette catégorie de service se subdivise à son tour en deux :

> le Soft Indoor : lorsque l'utilisateur se trouve juste derrière la façade d'un bâtiment et

Typiquement, on considère que, lors de l'établissement du bilan de puissance, c'est-à-dire de l'analyse du rapport de la puissance émise à la puissance reçue au droit du récepteur, il faut tenir compte de 10 [dB] d'atténuation supplémentaire pour le Soft Indoor et de 20 [dB] pour Deep Indoor à 900 [MHz]. Quand on sait que 10 [dB] représente un facteur de 10 en puissance, on comprend qu'il est crucial pour un opérateur de dimensionner au mieux son réseau, quitte à effectuer des mesures sur le terrain.

2.2. Objectifs du concept cellulaire

> Changement dynamique de fréquence de poste d'abonné pendant une communication

> La réutilisation de fréquences (sans créer d'interférence) dans les cellules suffisamment

V' fournir potentiellement une capacité illimitée avec des bande de fréquences peu

La réutilisation des fréquences et des canaux sur les mêmes fréquences porteuses pour couvrir

2.3. Les types de cellules

> La macro cellule : de rayon de quelques dizaines de kilomètres couvre une zone rurale ou suburbaine. Les antennes de ces cellules sont placées sur des sites élevés tels qu'une colline, des pylônes (60 ; 80 ; 100m...).

> La petite cellule : de quelques kilomètres de rayon, est réservée pour la couverture d'un environnement urbain. Les antennes sont localisées sur les toits d'immeubles ou mats (3 ; 6 ; 9 ; 12m).

> La microcellule : de rayon inferieur à un kilomètre, est réservé pour un environnement urbain dense. Les antennes de station de base sont situées au-dessus du toit ou sur des mats.

> La pico cellule : de rayon de quelques dizaines de mètres est adaptée pour la propagation à l'intérieur des bâtiments dans lesquelles les antennes sont placées

2.4. Le motif

On appelle motif le plus petit groupe de cellule utilisant l'ensemble de la bande de fréquence su système. Il est appelé aussi cluster. Ce motif est répété sur tout l'espace à couvrir. L'emplacement optimal de station de base doit permettre un recouvrement régulier. Le choix est porté sur l'hexagone régulier qui est une figure géométrique permettant un pavage facile le plus proche de la forme circulaire, par contre une représentation circulaire et

peu pratique et peut apparaitre des zones de recouvrements ou des trous de couverture.

Un motif hexagonal permet d'avoir un nombre plus faible de cellule et donc à moins de sites. Il peut être configuré de la façon suivante :

2.5. Concept de mobilité

? Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonné se trouve. C'est la fonction de gestion de localisation.

? Il doit y avoir continuité de la communication lorsque l'abonné passe d'une cellule à une autre (transfert intercellulaire, communément appelé handover).

Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent.

2.6. Le Handover

Le handover est un mécanisme fondamental dans la communication cellulaire (GSM ou UMTS par exemple). Globalement, c'est l'ensemble des opérations mises en oeuvre permettant qu'une station mobile puisse changer de cellule sans interruption de service. Ce mécanisme permet l'itinérance entre cellules ou opérateurs.

2.6.1. Nécessité d'un handover

? Rescue Handover : la station mobile quitte la zone couverte par une cellule pour une autre. C'est la qualité de transmission qui détermine la nécessité du handover, qualité indiquée par le taux d'erreur, l'intensité du signal reçu, le niveau d'interférences et le délai de propagation.

? Confinment handover : la station mobile subirait moins d'interférences si elle changeait de cellule (les interférences sont dues en partie aux autres stations mobiles dans la cellule). La station mobile écoute en permanence d'autres cellules pour mesurer la qualité d'une connexion à ces dernières. De plus, chaque station mobile est synchronisée avec plusieurs BTS pour être prêt en cas de handover.

? Traffic Handover : le nombre de stations mobiles est trop important pour la cellule, et des cellules voisines peuvent accueillir de nouvelles stations mobiles. Cette décision nécessite de connaître la charge des autres BTS.

Etude de la qualité de service dans les réseaux mobiles GSM Le handover tient compte de la direction du mouvement.

En GSM, dans tous les cas, le handover est du ressort du MSC (Mobile services Switching Center ou Mobile Switching Center).

2.6.2. Types d' handover

La station Mobile MS ayant déjà un canal dans une cellule donnée (gérée par un BSC et MSC donnés), il reçoit un nouveau canal. Il existe quatre types de handover :

? Handover Intra-BSC : le nouveau canal est attribué à la MS dans la même cellule ou une autre cellule gérée par le même BSC.

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

? Handover Inter-MSC : le nouveau canal est attribué dans une cellule qui est gérée par un autre MSC.

? Handover Inter-Système : un nouveau canal est attribué dans un autre réseau mobile que celui qui est en charge de la MS (exemple entre un réseau GSM et un réseau UMTS).

2.7. Le Roaming

Le roaming désigne plus généralement la capacité des clients à accéder à leurs services de téléphonie mobile (voix ou données) depuis différents réseaux au fur et à mesure d'un déplacement. Cette fonctionnalité est particulièrement utile en déplacement dans un pays étranger. Cette faculté est possible du fait que le réseau mobile GSM conserve à chaque instant une information sur la zone de localisation de l'abonné mobile.

Par abus de langage, le terme roaming désigne aujourd'hui le roaming international. Pour un réseau de type Wi-Fi, ce terme est utilisé pour évoquer le fait d'un changement de cellule ou de réseau (niveaux 2 ou 3) tout en restant en communication (voix ou données). Dans ce cas il s'agit en fait d'un handover plutôt que d'un roaming.

2.7.1. Roaming régional

L'abonné a le droit de roamer uniquement sur une région donnée. Dans les premiers temps du réseau GSM, certains opérateurs mobiles avaient prévu de proposer des offres restreintes à

une région. Avec le succès du GSM et la baisse des coûts du mobile, ce type d'offre a disparu, sauf dans les départements d'outre-mer.

Quoique dans les pays de grande extension géographique et constitués de plusieurs États (USA, Russie, Inde, Chine, etc.), ce genre de roaming peut exister mais est à la limite de la notion entre roaming régional et roaming national.

2.7.2. Roaming national

En français, le « roaming national » peut se traduire par « itinérance nationale ». L'abonné peut roamer ou se localiser d'un opérateur mobile à un autre dans un même pays.

Une autre exception profite aux opérateurs 3G ayant une licence UMTS (opérateurs 3G) n'ayant pas de licence d'opérateur GSM. Dans ce cas, pour des raisons de compétition loyale imposée par le régulateur national, un accord de roaming national limité géographiquement et dans le temps est trouvé entre l'opérateur 3G et un des opérateurs GSM du pays.

2.7.3. Roaming international

L'abonné peut aller roamer sur un opérateur d'un pays étranger. Bien qu'inexact, il est devenu d'usage courant de réduire le terme « roaming » au roaming international.

Pour permettre aux abonnés d'un opérateur mobile de passer en toute transparence d'un réseau de communication sans fil à un autre, les deux opérateurs mobiles passent un accord à plusieurs niveaux :

Tous les opérateurs téléphoniques mobiles passent des accords de ce type d'un pays à l'autre pour permettre à leurs clients d'être en continuité de service où qu'ils se trouvent. L'accord est toujours bilatéral pour permettre aux abonnés de chaque opérateur d'aller roamer sur le réseau de l'autre opérateur.

L'accord bilatéral est alors séparable en deux parties, roaming in et roaming out, qui n'ont pas nécessairement le même montant.

? Roaming in ou inbound roaming : consiste pour un opérateur donné à facturer les autres opérateurs pour lesquels les abonnés auraient utilisé son réseau (exemple pour l'opérateur français : un abonné allemand visitant la France et utilisant son téléphone mobile).

? Roaming out ou outbound roaming : consiste pour un opérateur donné à recevoir des justificatifs de communication et à facturer ses abonnés en conséquence.

2.8. Mécanisme de propagation des ondes radio mobiles

L'onde électromagnétique se propageant rencontre un ou plusieurs obstacles qui vont la réfracter, la réfléchir, la diffracter, la diffuser. Il découle une multitude d'onde retardée, atténuée et déphasée au niveau du récepteur. Les obstacles rencontrés par le signal lors de son trajet de l'antenne d'émission à l'antenne réceptrice agissent différemment sur le signal. En effet la taille des obstacles vis-à-vis de la longueur d'onde du signal, sa nature et sa forme engendre différents phénomènes. Les trois principaux qui perturbent le signal sont : la réflexion, la diffraction, la diffusion.

? La réflexion/réfraction : les phénomènes de réflexion et de réfraction interviennent lorsque l'obstacle rencontré par l'onde a une taille très supérieure et d'une très petite irrégularité devant la longueur d'onde du signal

? La diffraction : ces phénomènes apparaissent lorsque le chemin de propagation est obstrué par un obstacle imperméable aux ondes électromagnétiques

? La diffusion : ce phénomène apparait s'il existe sur un trajet de l'onde un paquet très dense d'objets de dimension de même ordre de grandeur supérieure à la longueur d'onde

2.9. Les propriétés du canal radio

Entre l'antenne d'émission et l'antenne de réception le signal des pertes de grande, moyenne et petite échelle

? Les pertes à grande échelle : elles définissent les fluctuations de la puissance moyenne mesurée sur un déplacement ou sur un intervalle de temps suffisamment grand. Ce sont des atténuations dues à la puissance parcourue par l'onde : on les appelle Affaiblissement de parcours (AEL `Affaiblissement en Espace Libre') ou Pathloss

? Les pertes à moyenne échelle : ce sont des variations du canal radio mobile ou atténuation de la puissance du signal due aux obstacles rencontrés : on les appelle `effets de masque' (Shadowing effect)

? Les pertes à petite échelle : ces pertes sont les fluctuations observées sur un intervalle de temps et ou un déplacement suffisamment petit pour négliger les évanouissements à grande échelle. Ce sont des atténuations sont liées au trajet multiple : on les appelle Evanouissements (Fading rapide)

2.10. Les dégradations subies par l'onde radio

L'onde radioélectrique au fur et à mesure qu'elle se propage dans son environnement. Les principales caractéristiques sont :

> La hauteur, la nature, la densité des bâtiments > La densité de la végétation

La plus forte atténuation subie par la puissance est due aux obstacles soient naturelles (sol, arbres), soient artificiels.

> la propagation avec la visibilité directe (line-of-sight : los) : il n'y a aucun obstacle entre émetteur et récepteur

> la propagation sans vision directe (non line-of-sight : NLos) : il s'agit de la propagation d'un ou plusieurs obstacles entre émetteur-récepteur

2.11. Les principales caractéristiques du GSM

La norme GSM prévoit que la téléphonie mobile par GSM occupe deux bandes de fréquences aux alentours des 900MHz :

> la bande de fréquence 890-915 [MHz] pour les communications montantes (du mobile vers la station de base) ;

> la bande de fréquence 935-960 [MHz] pour les communications descendantes (de la station de base vers le mobile). Comme chaque canal fréquentiel utilisé pour une communication a une largeur de bande de 200 [kHz], cela laisse la place pour 124 canaux fréquentiels à répartir entre les différents opérateurs. Mais, le nombre d'utilisateurs augmentant, il s'est avéré nécessaire d'attribuer une bande supplémentaire aux alentours des 1800 [MHz]. On a donc porté la technologie GSM 900 [MHz] vers une bande ouverte à plus haute fréquence. C'est le système DCS-1800 (Digital Communication System) dont

les caractéristiques sont quasi identiques au GSM en termes de protocoles et de service. Les communications montantes se faisant alors entre 1710 et 1785 [MHz] et les communications descendantes entre 1805 et 1880 [MHz].

Connaissant les différents canaux disponibles, il est alors possible d'effectuer un multiplexage fréquentiel, appelé Frequency Division Multiple Access (FDMA), en attribuant un certain nombre de fréquences porteuses par station de base. Un opérateur ne dédie pas pour autant une bande de fréquences par utilisateur, car cela conduirait à un gaspillage de ressources radio étant donné qu'un utilisateur émet par intermittence. De plus, avec un tel système, si une source parasite émet un bruit à une fréquence bien déterminée, le signal qui se trouve dans la bande de fréquence contenant le parasite sera perturbé.

Pour résoudre ces problèmes, on combine le multiplexage en fréquence à un multiplexage temporel (appelé Time Division Multiple Access ou TDMA) consistant à diviser chaque canal de communication en trames de 8 intervalles de temps (dans le cas du GSM). Pour être complet, signalons qu'il existe encore une autre technique de multiplexage appelé Code Division Multiple Access (CDMA), utilisée dans la norme américaine IS-95 ou promue pour l'UMTS.

Ainsi, avec le TDMA, il est par exemple possible de faire parler huit utilisateurs l'un après l'autre dans le même canal.

Ce chapitre est une partie dite introductive pour le reste du projet en montrant les concepts de base d'un réseau mobile GSM donc comment est présenté un réseau GSM dans une zone, comment assure-t-il la couverture d'un réseau et quelles sont les différentes techniques qui rentrent en oeuvre pour son fonctionnement.

Chapitre II : Architecture et composants du GSM

1. Présentation

1.1. Architecture en bloc du GSM

? Le sous-système radio contenant la station mobile, la station de base et son contrôleur. ? Le sous-système réseau ou d'acheminement.

Les éléments de l'architecture en bloc d'un réseau GSM sont repris sur le schéma de la figure

1.2. Architecture détaillée du GSM

L'architecture du GSM peut être détaillée en mettant en évidence les différents éléments qui composent les blocs. Les différents composants du GSM sont interconnectés entre eux par des interfaces normalisées pour pouvoir assurer la fonctionnalité suivante :

? La gestion des communications pour l'allocation des canaux ? La gestion de la mobilité pour garantir la localisation et la sécurité ? La gestion des communications pour le contrôle des appels et des SMS ? L'exploitation, l'administration et la maintenance du réseau.

2. Le sous-système radio(BSS)

Le sous-système radio gère la transmission radio. Il est constitué de plusieurs entités dont le mobile, la station de base (BTS, Base Transceiver Station) et un contrôleur de station de base (BSC, Base Station Controller).

1.1. La Mobile Station(MS)

La station mobile permet à tout utilisateur du réseau d'accéder aux ressources radio afin de recevoir et d'émettre des informations.

Dans les anciens réseaux de radio mobile, le numéro par lequel un abonné pouvait être appelé était numérisé par dans l'équipement terminal et physiquement lié à l'équipement. Actuellement dans le GSM l'abonnement (carte SIM) est séparé du terminal. La station mobile est composée de trois entités :

1.1.1. L'équipement

C'est l'appareil téléphonique (portatif) caractérisé par son IMEI (International Mobile

1.1.2. La carte SIM

La carte SIM (Subscriber Identification Module) représente la carte contenant toutes les informations relatives aux données d'abonnement de l'opérateur (notre numéro : MSISDN et le IMSI qui est le numéro international)

_ SIM-plug-in : de format carte de crédit pour les terminaux portables embarquées et certains portatifs

_ micro-SIM : obtenu en découpant le micro-processeur d'une carte SIM-plug-in. Elle est utilisée exclusivement pour les terminaux portatifs

y' Le module radio : assure l'émission et la réception des signaux, la modulation et la démodulation et synthèse des fréquences.

y' Le module de traitement du signal et de logique : contrôle le module radio et assure les fonctions de traitement du signal, codage-décodage des informations, chiffrement, mécanisme de protection et de correction des erreurs.

y' Le module d'alimentation : il est composé d'interfaces nécessaires avec différents types de batteries.

y' Le module d'interface usager : il s'agit du clavier, l'écran, le signal d'alerte. Il est contrôlé par un logiciel d'interface home machine

y' L'antenne (interne, externe) : permet l'interfaçage physique avec le réseau.

1.1.3. Les différents états d'un MS

La station mobile peut se mettre sous trois (3) états différents et jamais simultanément. Il s'agit de l'état éteint, l'état veille ou oisif et l'état actif

1.2. La station de base BTS (Base Transceiver Station)

Une BTS est un élément d'un site radio ou d'une station de base. C'est un bâtit dans lequel sont logés des modules électroniques appelés transceiver (TRX)

Etude de la qualité de service dans les réseaux mobiles GSM Figure 9: aperçu d'une BTS

Un TRX est un émetteur récepteur qui assure l'émission et la réception d'une trame de canaux full duplex : trame TDMA

> la BTS Standard : est installé dans les locaux techniques en Indoor et Outdoor. Elles sont caractérisées par une puissance de 20 à 30 watt

> la micro BTS : de puissance 0,25 à 5 watt, est un équipement intégré installé dans les zones urbaines denses ou dans les stations métro, supermarché, aéroport, etc.

Une BTS est chargée de la transmission radio : modulation, démodulation, codage, correction d'erreurs. Elle gère toute la couche physique, c'est-à-dire le multiplexage TDMA, le chiffrement, etc. La BTS assure également la gestion de la couche liaison de donnée pour l'échange de signalisation entre les mobiles et l'infrastructure, tout en réalisant l'ensemble des mesures radio, l'augmentation du taux de réutilisation de fréquence

On distingue deux types de configuration site suivant le type d'antenne utilisée

L'azimut est l'angle de l'axe du lobe principal de l'antenne par rapport au nord. Donc c'est l'orientation de l'antenne par rapport au nord obtenue par une boussole, sa valeur est comprise entre 0 et 36° nécessaire pour vérifier qu'une communication se déroule normalement.

Le tilt est l'angle entre l'axe de l'antenne et la verticale. C'est aussi l'angle d'inclinaison de l'antenne vers le bas et vers le haut, sa valeur est comprise entre 0 et 10°

1.2.1. Les composants d'un site radio

? Des équipements radio (TRX, TRE) sont abrités généralement au pied du pylône. Ils assurent la communication radio

? Les antennes assurent l'interfaçage physique entre le réseau et les utilisateurs

? La liaison entre les antennes et les TRX sont assurées par des câbles coaxiaux appelés feeders

? Une BTS pour assurer les fonctions d'émission et de réception radio. Les mesures radio sont transmises au BSC via l'interface A-bis

1.2.2. Les types d'antennes et configuration de site

? Les antennes omni directionnelles : rayonnent dans toutes les directions de la même façon ; alors un site radio dans ces conditions-là est égal à une cellule

? Les antennes sectorielles : sont orientées dans une direction donnée pour une bonne couverture de cette zone ; un site radio dans ce cas est égal à plusieurs cellules.

? Une amélioration de la portée sans faire recours à l'augmentation de la puissance d'émission

1.3. Le contrôleur de base : BSC (Base Station Controller)

Le contrôleur de station de base gère une ou plusieurs stations de base et communique avec elles par le biais de l'interface A-bis. Ce contrôleur remplit différentes fonctions tant au niveau de la communication qu'au niveau de l'exploitation.

Pour les fonctions des communications des signaux en provenance des stations de base, le BSC agit comme un concentrateur puisqu'il transfère les communications provenant des différentes stations de base vers une sortie unique.

Dans l'autre sens, le contrôleur commute les données en les dirigeant vers la bonne station de base. Dans le même temps, le BSC remplit le rôle de relais pour les différents signaux d'alarme destinés au centre d'exploitation et de maintenance. Il alimente aussi la base de données des stations de base. Enfin, une dernière fonctionnalité importante est la gestion des ressources radio pour la zone couverte par les différentes stations de base qui y sont connectées. En effet, le contrôleur gère les transferts intercellulaires des utilisateurs dans sa zone de couverture, c'est-à-dire quand une station mobile passe d'une cellule dans une autre. Il doit alors communiquer avec la station de base qui va prendre en charge l'abonné et lui communiquer les informations nécessaires tout en avertissant la base de données locale VLR (Visitor Location Register) de la nouvelle localisation de l'abonné.

C'est donc un maillon très important de la chaîne de communication et il est, de plus, le seul équipement de ce sous système à être directement gérable (via l'interface X25 qui le relie au sous-système d'exploitation et de maintenance).

Il existe différentes configurations BTS-BSC. Ils sont généralement liés en configuration chainée ou en étoile

1.4. Le TRAU (Transcoder Rate Adaptation Unit)

C'est un transcodeur utilisé dans le réseau GSM pour convertir un signal 13 kbps en un signal de 64 kbps et vis-versa. Le TRAU assure la liaison entre le BSC et le MSC par deux (2) interfaces :

? La conversion entre les signaux 16 kbps échangés avec le BSC et ceux à 64 kbps reçus du MSC

? La réduction et du nombre des voies terrestres nécessaires entre le BSC et le TRAU en effectuant le multiplexage-démultiplexage des voies 16 kbps sur des intervalles de temps 64 kbps

3. Le sous-système réseau (BSS)

Le sous-système réseau, appelé Network Switching Center (NSS), joue un rôle essentiel dans un réseau mobile. Alors que le sous-réseau radio gère l'accès radio, les éléments du NSS prennent en charge toutes les fonctions de contrôle et d'analyse d'informations contenues dans des bases de données nécessaires à l'établissement de connexions utilisant une ou plusieurs des fonctions suivantes : chiffrement, authentification ou roaming.

3.1. Le MSC (Mobile Service Switching Center)

Le centre de commutation mobile est relié au sous-système radio via l'interface A. Son rôle principal est d'assurer la commutation entre les abonnés du réseau mobile et ceux du réseau commuté public (RTC) ou de son équivalent numérique, le réseau RNIS (ISDN en anglais). D'un point de vue fonctionnel, il est semblable à un commutateur de réseau ISDN, mis à part quelques modifications nécessaires pour un réseau mobile. De plus, il participe à la fourniture des différents services aux abonnés tels que la téléphonie, les services supplémentaires et les services de messagerie. Il permet encore de mettre à jour les différentes bases de données (HLR et VLR) qui donnent toutes les informations concernant les abonnés et leur localisation dans le réseau. Les commutateurs MSC d'un opérateur sont reliés entre eux pour la commutation interne des informations. Des MSC servant de passerelle (Gateway Mobile Switching Center, GMSC) sont placées en périphérie du réseau d'un opérateur de manière à assurer une interopérabilité entre réseaux d'opérateurs.

3.2. Le VLR (Visitor Location Register)

Le VLR est une base de données de localisation locale. Il mémorise les informations concernant les abonnés présents dans une zone le plus souvent gérés par un MSC. Il est souvent associé à un MSC. Le VLR contient des données identiques au HLR avec le TMSI en plus. Les informations du VLR suivent le mobile lors de ses déplacements : elles sont dynamiques suivant la zone de localisation ou se trouve l'abonné.

3.3. Le HLR (Le Home Location Register)

C'est une base de données contenant toutes les informations confidentielles relatives aux abonnés de localisation nominale car elle gère les abonnés d'un réseau GSM. Il mémorise le profil de chaque abonné :

> Le profil d'abonnement (service supplémentaire autorisé, autorisation d'appel

Ces données sont rentrées (saisies) par l'opérateur à partir de leur système d'administration. Elle varie peu dans le temps

Le HLR mémorise pour chaque abonné le numéro du VLR ou il est enregistré. Cette localisation est effectuée à partir des informations émises par le terminal à travers le réseau. L'implantation du HLR peut être centralisée ou décentralisée. Le HLR peut gérer plusieurs centaines de milliers d'abonnés et il constitue une machine spécifique. Le HLR peut être intégré dans le MSC et les données d'un abonné sont alors physiquement stockées sur le MSC. Dans ce cas les échanges de signalisation sont minimisés

3.4. L'AuC (Authentification Center)

C'est une base de données dédiée aux opérateurs d'authentification des différents utilisateurs du réseau. Il mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de service et pour chiffrer les communications. L'AuC est en général associée à chaque HLR. Lorsqu'un abonné passe une communication, l'opérateur doit pouvoir s'assurer qu'il ne s'agit pas d'un usurpateur : l'AuC remplit cette fonction de protection de communauté (cryptage).Pour ce faire, les normes GSM prévoient deux mécanismes :

> Le chiffrement des transmissions radio. Remarquons qu'il s'agit d'un chiffrement faible, qui ne résiste pas longtemps à la crypto-analyse

> L'authentification des utilisateurs du réseau au moyen d'une clé Ki, qui est à la fois présente dans la station mobile et dans le centre d'authentification.

L'authentification s'effectue par résolution d'un défi sur base d'un nombre aléatoire RAND généré aléatoirement et envoyé au mobile. À partir de ce nombre, un algorithme identique

(algorithme A3) qui se trouve à la fois dans la carte SIM et dans l'AuC produit un résultat sur base de la clé Ki et du RAND.

Dès lors, lorsqu'un VLR obtient l'identifiant d'un abonné, il demande, au HLR du réseau de l'abonné, le nombre RAND servant au défi et le résultat du calcul signé SRES afin de le comparer à celui qui sera produit et envoyé par le mobile. Si les résultats concordent, l'utilisateur est reconnu et accepté par le réseau.

Grâce à ce mécanisme d'authentification, un VLR peut accueillir un mobile appartenant à un autre réseau (moyennant un accord préalable entre opérateurs de réseau !) sans qu'il ne soit nécessaire de divulguer la clé de chiffrement du mobile.

3.5. L'EIR (Equipment Identity Register)

L'EIR est une base de données annexe contenant les identités des terminaux (IMEI). Elle peut être consultée lors de demande de service d'un abonné pour vérifier que le terminal utilisé est autorisé à fonctionner sur le réseau. L'identité d'un terminal contient un numéro d'homologation commun à tous les terminaux d'une même série. Un numéro identifiant l'usine d'assemblage et un numéro spécifique au terminal et un numéro spécifique au terminal

L'accès au réseau peut être refusé parce que le terminal n'est pas homologué, parce qu'il perturbe le réseau ou bien parce qu'il a fait l'objet d'une déclaration de vol. On distingue alors 3 listes dans EIR :

? Une liste blanche contenant l'ensemble des numéros homologués ? Une liste noire contenant les terminaux volés et interdits d'accès ? Une liste grise contenant des terminaux.

4. Le sous-système opérationnel(OSS)

L'administration du réseau comprend toutes les activités qui permettent de mémoriser et de contrôler les performances et l'utilisation de ressources de façon à offrir un certain niveau de qualité de service aux usagers.

? L'administration commerciale (déclaration des abonnés, des terminaux, facturation, statistiques);

> l'exploitation et la gestion des performances (observations du trafic et de la qualité, changement de configuration pour adapter la charge du réseau, surveillance de mobile de maintenance.

> Le contrôle de la configuration du système (mise à niveau et logiciel, introduction de nouveaux équipements et de nouvelles fonctionnalités) la maintenance (détection des défauts, tests d'équipements)

Le système d'administration a pour but de rationaliser l'organisation des opérations de maintenance et de définir les conditions techniques d'une supervision efficace et économique de la qualité de service. Il est conçu selon le concept TMN (Télécommunications Management Network). Il existe deux niveaux d'administration:

> Les OMC (Operation and Maintenance Center -R ou S pour Radio ou Switch) > Le NMC (Network Management center)

Le NMC permet l'administration générale de l'ensemble du réseau et un contrôle centralisé, alors que les OMC permettent de superviser localement les équipements.

5. Les interfaces et canaux utilisés

La bande radio représente la ressource rare et le premier choix architectural fût le découpage du spectre alloué dans un plan temps / fréquence pour obtenir des canaux physiques pouvant supporter une communication téléphonique.

5.1. Les différentes interfaces

> L'interface Um : C'est l'interface entre les deux sous-systèmes MS (Mobile Station) et le BSS (Base Station Sub-system. On la nomme couramment « interface radio » ou « interface air »

> L'interface A : C'est l'interface entre les deux sous-systèmes BSS (Base Station Sub System) et le NSS (Network Sub System).

> L'interface X.25 : Cette interface relie le BSC au centre d'exploitation et de

> L'interface A-bis : La couche physique est définie par une liaison PCM à 2 Mbps (recommandation de la série G de l'ITU) et la couche liaison de données est composée du protocole Link Access Protocol D-channel (LAPD). Comme le canal de liaison PCM a un débit unitaire de 64 kbps et que le débit par canal radio GSM est de 13

kbps, il faut donc adapter le débit. Cette fonction est appelée transcodage et elle est réalisé le TRAU. Deux solutions sont techniquement possibles et rencontrées dans les réseaux GSM permettant de multiplexer quatre canaux à 13 kbps pour produire un canal à 64 kbps et de faire passer le débit de chaque canal à 64 kbps. Tout est affaire de compromis et de choix. L'avantage de la première solution est de diminuer le débit entre la station de base et le BSC où le trafic est fortement concentré. La seconde solution offre par contre l'avantage de banaliser les équipements du système en ramenant tous les équipements à 64 kbps. Souvent, la deuxième solution est utilisée au niveau des commutateurs et la première au niveau du BSC afin de garder l'avantage du faible débit de parole.

Par ailleurs, il en existe bien d'autres d'interfaces que seront illustrés dans le tableau ci-dessous :

Nom	Localisation	Utilisation
Um	MS-BTS	Interface radio
A-bis	BTS-BSC	divers
A	BSC-MSC	divers
C	GMSC-HLR	Interrogation HLR appel entrant
C	SM-GMSC-HLR	Interrogation HLR SM sortant
D	VLR-HLR	Gestion information abonnés
D	HLR-VLR	Services supplémentaires
E	MSC-SM-GMSC	Transport SM
E	MSC-MSC	Exécution de Handover
G	VLR-VLR	Gestion information abonnés
F	MSC-EIR	Vérification terminal
B	MSC-VLR	Divers
H	HLR-AuC	Authentification

5.2. L'interface radio

L'interface radio représente le maillon faible de la chaine de transmission qui permet de relier un utilisateur mobile au réseau. C'est sur cette interface que le système doit faire face aux

différents problèmes que pose le medium radio. Il représente la ressource rare et le premier choix architectural fût le découpage du spectre alloué dans un plan temps / fréquence pour obtenir des canaux physiques pouvant supporter une communication téléphonique.

5.2.1. Multiplexage fréquentiel

Le GSM opère dans la bande des 900 MHz, où 2 fois 25 MHz de bande ont été alloués. Les deux parties correspondent au sens montant et au sens descendant de la liaison (uplink et downlink). La largeur des canaux étant de 200 kHz, on obtient 124 canaux duplex. Le GSM utilise les canaux 63 à 124. Les bandes des deux liaisons ont en outre été séparées par 20 MHz, ce qui porte à 45 MHz l'écart duplex. Sur une bande, on émet des signaux modulés autour d'une fréquence porteuse qui siège au centre de la bande.

Aussi, si on indique par Fu les fréquences porteuses montantes et par Fd les fréquences porteuses descendantes, les valeurs de fréquence porteuse valent :

5.2.2. Multiplexage temporel

Pour le GSM, chaque porteuse est divisée en intervalles de temps (IT) appelés slots. La durée d'un slot a été fixée à Time-Slot = (75/130) ms = 0.5769 ms. Un slot accueille un élément de signal radioélectrique appelé burst.

A chaque time slot, on associe un nombre connu par la station de base (BS) et le mobile (MS). Le numérotage des slots est cyclique de durée 3,5 heures. L'accès TDMA (Time Division Multiple Access) permet de partager entre différents utilisateurs une bande de fréquence donnée et, sur une même porteuse, les slots sont regroupés par paquet de 8 : T-TDMA = 8.Tslot = 4,6152 ms. Chaque utilisateur utilise alors un slot de la trame TDMA.

5.3. Les canaux logiques

L'interface radio représente la partie délicate de la chaîne de transmission et le système doit faire face aux différents problèmes du lien mobile-réseau au niveau de la propagation (atténuation, évanouissements, interférences...), mais aussi au niveau de la gestion du réseau : il est nécessaire d'avoir des fonctions de contrôle pour que le mobile se rattache à la station de base la plus favorable, pour établir et surveiller le déroulement d'une communication ou encore assurer le handover. L'utilisation de canaux logiques va permettre une utilisation efficace des ressources radio et une qualité de service satisfaisante. Parmi ces canaux on distingue les canaux dédiés (TCH et SDCCH), c'est à dire alloué à un mobile. Les autres

canaux sont des canaux partagés entre mobiles.
Canaux dédiés : « Dedicated Channel ».

5.3.1. Les canaux de diffusion (BCH)

? Le FCCH : Le canal FCCH (Frequency Correction CHannel) permet aux mobiles de se caler sur la fréquence nominale de la station de base. C'est un signal sinusoïdal parfait de fréquence f0 permettant un calage fin de l'oscillateur du mobile et il est émis environ 20 fois par seconde

? Le SCH : Le canal SCH (Synchronisation CHannel) fournit au mobile tous les éléments nécessaires à une complète synchronisation avec la station de base et il permet de caractériser la voie balise par un marquage spécial. On peut alors distinguer

synchronisation fine : détermination du TA (Timing Advance). La BTS effectue une estimation du temps de propagation aller-retour à partir du burst RACH émis par le mobile, et le paramètre TA ainsi calculé sera transmis de manière logique via le canal AGCH.

? Le BCCH : Le canal BCCH (Broadcast Control CHannel) permet de diffuser des données caractéristiques de la cellule. Il comprend la diffusion régulière d'informations systèmes de plusieurs types, et cette diffusion est plus ou moins rapide suivant la nécessité du mobile. Ces informations déterminent les règles d'accès à la cellule : paramètres de sélection de la cellule, numéro de zone de localisation, les paramètres RACH donnant les règles d'accès aléatoire, indication au mobile des slots à écouter pour détecter les appels diffusés, description de l'organisation du canal CBCH, connaissance des fréquences des voies balises des cellules voisines. Canaux de contrôle communs : « Common Control Channel ».

5.3.2. Les canaux de contrôle commun(CCCH)

> Le canal RACH : Le canal RACH (Random Access CHannel) est un canal de contrôle partagé par un ensemble de mobiles qui leur permet de se signaler au réseau pour effectuer une opération telle que la localisation, l'envoi de messages courts, l'appel normal, ...

> Le PCH : Le canal PCH (Paging CHannel) supporte l'ensemble des appels en diffusion (Paging). Lorsque l'infrastructure désire communiquer avec un mobile, pour un appel ou une authentification par exemple, elle diffuse l'identité du mobile sur un ensemble de cellules et les messages sont transmis sur le canal PCH. La réponse du mobile s'effectue alors de manière aléatoire sur la cellule dans laquelle il se trouve sur le canal RACH.

> L'AGCH : Le canal AGCH (Access Grant CHannel) permet d'allouer un canal de signalisation lorsque l'infrastructure reçoit une requête du mobile. On peut alors identifier, authentifier et déterminer la demande du mobile. Le message d'allocation contient le numéro de porteuse et de slot, ainsi qu'une description du saut de Fréquence FH.

> Le CBCH : Le canal CBCH (Cell Broadcast CHannel) diffuse aux usagers de la cellule des messages courts comme des informations routières, météo, ...

5.3.3. Les canaux dédiés (DCH)

> Le SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel) : Il permet au mobile et au réseau de négocier l'allocation d'un TCH, la mise à jour de localisation, l'authentification de l'usager, la commande de chiffrement, ...

> Le TCH (Trafic Channel) : C'est un canal utilisé pour la transmission des données utiles. Il effectue la transmission de la parole à 13 kbps (TCH/FS), à 5,6 kbps en demi-débit (TCH/HS) ou des données à 12 kbps.

> Le SACCH : On ne peut pas dédier un canal à un mobile sans effectuer un contrôle constant pour ajuster des paramètres afin de conserver une bonne qualité de communication. Associé aux canaux SCH et SDCCH, le canal de contrôle SACCH (Slow Associated Control CHannel) permet d'en effectuer la supervision (contrôle de puissance, contrôle de la qualité du lien radio, compensation du délai de propagation par le mécanisme d'avance en temps, gestion des mesures des stations voisines).

? Le FACCH : Le canal SACCH permet d'écouler différents types de contrôles ou de signalisation mais son débit étant trop faible, il ne convient pas aux actions rapides comme le handover. Si le canal alloué est un TCH, on suspend la transmission des informations usagers afin d'écouler la signalisation. On obtient donc un autre canal de signalisation, le FACCH (Fast Associated Control Channel), on utilise alors une partie de la capacité. Si le canal alloué est un SDCCH, il peut écouler lui-même la signalisation comme par exemple un handover.

Dans ce chapitre, il a été question de montrer aussi bien théoriquement que par des représentations figurées l'architecture globale et détaillée du réseau mobile GSM ainsi que les différents éléments le composant à travers lesquels nous avons eu à parler des sous-systèmes, des interfaces et des canaux étant utilisés.

Chapitre III : La Qualité de Service : Principe et Caractéristiques

1. Introduction

Le terme QoS a une signification très importante dans le domaine des télécommunications. L'objectif de ce chapitre est de rattacher le projet à son cadre théorique à rappeler l'évaluation de la qualité de service et des performances qui sont des notions fondamentales de la technologie GSM. En effet l'évaluation de l'état du système et la détection des disfonctionnements sont des tâches primordiales pour que l'opérateur puisse avoir une maîtrise sur le réseau et mener à bien ses actions et interventions de maintenance. Les réseaux mobiles d'une manière générale ont une particularité par rapport aux réseaux fixes surtout lorsqu'il s'agit d'évaluer ses performances. Le terme de qualité de service a une signification spécifique dans le monde de communication réseaux mobiles. Il se rapporte à la rentabilité et à la fiabilité du réseau et de ses services

2. Les principes de la QoS dans les réseaux mobiles

2.1. Définition

La Qualité de service est définie dans la recommandation E-800 de l'UIT par « un effet global produit par la qualité de fonctionnement d'un service qui détermine le degré de satisfaction de l'usager d'un service ».

Dans le contexte actuel, la Qualité de service est devenue un facteur déterminant pour les opérateurs de télécommunication qui se sont donc aperçus que la qualité de leurs services et de leurs prestations doit être constamment contrôlée et suivie d'une part pour connaître l'état de fonctionnement de leurs infrastructures et d'une autre part pour pouvoir améliorer leurs compétitivités.

Pour simplifier et pour faciliter la compréhension et la mise en place d'une approche simple de qualité de service, les principes suivants sont définis :

? La qualité de service ne concerne que l'ensemble des propriétés, caractéristiques et paramètres pouvant être choisis, mesurés et comparés à des valeurs limites (valeur seuil).

? Evaluation de la qualité de service peut réduire quelques caractéristiques essentielles de qualité. Il n'est pas nécessaire de définir et mesurer chaque propriété des dispositifs de service.

Il est important de définir un ensemble commun d'outils pour fournir des résultats comparables, non seulement pour faire face à la concurrence, mais aussi pour fidéliser la clientèle.

2.2. Les paramètres de performance

2.2.1. Les indicateurs de qualité de service

Un indicateur est une valeur basée sur un ou plusieurs compteurs et qui est représentatif des performances du réseau. Les indicateurs de qualité de service BSS ont pour objectifs de : > Identifier les défauts dans les éléments du sous-système radio et d'établir les actions correctives pour gérer la qualité de service ;

> Détecter et identifier les problèmes radio d'une cellule et aider les équipes d'optimisation radio à analyser la situation et à définir les actions correctives (changement de fréquence, ajustement d'un paramètre. . .) ;

Les indicateurs radio sont établit à partir des compteurs de performance fournit par le centre d'opération et d'entretien du sous-système radio OMC_R. L'OMC_R possède différents types de compteurs qui sont organisés sur 3 classes :

> Compteurs cumulatifs : le compteur est incrémenté à chaque fois où l'évènement compté aura lieu. Il est réinitialisé quand une nouvelle période est commencée. Il

indique juste le nombre d'évènements qui ont eu lieu dans une période de temps.

> Compteurs statiques : ce sont des données statiques collectées relativement à l'état d'une ressource spécifique.

> Evénements d'observations : ce sont des observations sur un événement système. Par exemple, l'événement Channel seizure time for an SDCCH est un compteur d'observation qui indique le temps et la date quand le SDCCH est mesuré.

2.2.2. Les indicateurs clés de performance

La QoS dans les réseaux mobiles est évaluée par des indicateurs de paramètre de performance (Key Performance Indicator (KPI)).Les indicateurs clés de performance correspondent aux mesures donnant une information sur les performances du réseau ou d'un processus. ). Les KPI sont obtenus à l'aide de formules et par la compilation des différentes données. Les KPI évaluent essentiellement le maintien de l'appel, le volume de trafic, la qualité du service sur l'ensemble du réseau. Les KPI permettent, ainsi, de détecter les cellules en faute, les heures de pointe. Un seuil limite est déterminé pour chaque KPI, s'il est dépassé une alarme est envoyée à la supervision pour indiquer la présence d'un problème sur la fonction que la KPI mesure

Il s'agit aussi de la classe de QoS évaluée par ces derniers : il existe plusieurs classes de KPI comme l'indique la figure suivante :

^{Etre sur de
la}
^{fiabilité
des}
^informations
^{(authentification}
^{et
chiffrement-}
^TMSI)

2.3. Les difficultés encourues lors des procédures

Les différentes procédures (immediate assignment, normal assignment, handover, Directed retry) ont presque le même formalisme. Le diagramme de la figure ci-dessous décrit les problèmes intervenants lors de la réalisation de ces procédures.

2.3.1. Problèmes de coupure d'appel

Ce sont les problèmes les plus gênants du côté de l'abonné. Les différentes causes de ce problème sont les suivantes :

? Coupure pour cause BSS : Ce genre de problème nécessite l'intervention de l'équipe OMC pour vérifier si les coupures sont causées par une défaillance matérielle interne au BSC ou si c'est un problème de transcoder.

? Coupure pour cause Handover : si la tentative de handover échoue et si le mobile ne réussit pas à reprendre son ancien canal, l'appel est coupé.

. Coupure pour défaillance radio : l'appel est coupé suite à un problème de l'interface air. Les causes peuvent être une mauvaise couverture de la cellule si la plupart des handover se font sur qualité ou sur niveau ;

? Un problème avec les aériens de la cellule (antenne, câbles feeder. . .), surtout si le

2.3.2. Les problèmes d'échec de handover

Pour l'échec des handover sortant : Au cas où l'échec est lors de la phase de préparation les causes peuvent être :

Dans le cas où l'échec se situe à la phase exécution (échec de handover sur les canaux alloués) la cause est l'échec radio ou BSS sur la cellule cible. Dans ce cas le mobile retourne à son ancien canal, l'appel n'est pas coupé mais le handover a échoué.

2.3.3. Les problèmes d'échec d'établissement d'appel

Si une cellule présente un échec d'établissement d'appel on doit véri.er un ensemble de point pour dégager les causes :

> Si la zone est bien couverte, on doit véri.er si la cellule est congestionnée (congestion TCH ou SDCCH) ;

> Si le taux de coupure de canaux SDCCH est élevé on vérifie les causes du handover ; > S.il n'y a pas de drop SDCCH, on vérifie le taux d'échec d'établissement du lien TCH Les causes peuvent être un échec BSS (panne matérielle) ou un échec radio.

2.4. Les critères de performance

Les critères qui rentrent dans l'estimation de la qualité de service d'un réseau peuvent être classés en deux grandes catégories :

2.4.1. Les critères de performance chez l'opérateur

Il s'agit des aspects techniques en rapport avec des diverses technologies et composants

L'opérateur cherche alors à minimiser ses couts tout en garantissant une bonne qualité de

2.4.2. Les critères de performance chez l'utilisateur

Les critères décrivent la performance du réseau tel qu'elle est perçue par les utilisateurs

Ces critères sont directement mis en rapport avec les attentes des abonnés et affectent profondément le degré de satisfaction de service.

> La qualité auditive de la voix (puissance du signal, brouillage). Ces aspects sont

Les opérateurs se fixent des objectifs sur la qualité de prestation de leur service. Ces objectifs

sont importants car ils conditionnent la situation concurrentielle de l'opérateur.

3. Les mesures de performance

3.1. Structure des mesures de performance

Les mesures de performances peuvent être classées sur la base des informations qu'elles apportent en cinq grandes classes bien que nous verrons plus loin d'autres critères de classement. Ainsi, on relève :

> Mesures relatives à la correction et la détection des erreurs : Pendant la phase de planification, les sources d'erreurs, comme par exemple les phénomènes d'interférences, sont multiples mais aussi pas évident à prévoir. Les mesures de performances permettent la détection de ces erreurs

> Mesures relatives à la charge de trafic écoulé : Les mesures de la charge de trafic établies dans une cellule ou dans tout le réseau offrent des données indispensables pour améliorer l'exploitation des canaux et des ressources radio

> Mesures relatives à la disponibilité des ressources (Resource Availability Measurement) : Grâce à cette catégorie de mesures, il est possible de gérer et de connaître la disponibilité des ressources radio et de connaître à tout moment si des ressources sont actives ou inactives. Les indicateurs relatives aux entités suivantes sont d'une grande utilité dans ce contexte : TCH, SDCCH, BSC, BTS, TRX, SS7Links, PCM connections.

> Mesures relatives à la qualité de service: Connaître la qualité de service permet de fournir aux abonnées de façon instantanée une bonne qualité de communication. Les mesures de performances permettent donc de trancher sur la qualité des services fournis par l'opérateur. Les différentes mesures et combinaisons de mesures mises en oeuvre dans l'appréciation de la QoS seront traitées plus loin.

> Mesures à usage statistique : Les mesures de performances peuvent être très utiles pour le service Marketing de l'opérateur. Ainsi, sur la base des données fournies par les mesures, l'opérateur peut modéliser le comportement de ses abonnées ; à titre d'exemple, si les mesures présentent des périodes à bas trafic téléphonique, il sera intéressant de lancer des promotions incitant les clients à communiquer pendant ces mêmes périodes. La même procédure peut s'appliquer si on raisonne sur les zones de couvertures au lieu des périodes.

3.2. Les compteurs OMC

Le principe des compteurs OMC se résume dans le comptage des messages (événements) au niveau des interfaces A et A-bis. L'OMC-R gère le BSS, il se charge de la gestion des performances, les mesures se basent sur la collecte des compteurs calculés par les équipements du réseau et l'OMC-S gère le NSS, s'occupe de la partie Switching

Les données sont importées depuis les compteurs OMC et analysés grâce à des outils dits outils de traitement des compteurs. Ce sont des outils spécifiques aux constructeurs par exemple RNO d'Alcatel et l'OTS ou le SPOTS de Siemens.

Les mesures OMC ne donnent qu'une vue statique et globale (temporellement et géographiquement) de l'état du réseau. Les mesures sur la partie radio (Um) sont ignorées par les outils de traitement. Les mesures d'OMC sont utilisées dans plusieurs domaines :

Les données des OMC sont sous forme de données brutes. Pour qu'elles soient exploitables, elles sont transformées en KPI (Key Performance Indicators

3.3. Présentation d'outils

3.2.1. Le RNO d'Alcatel

L'outil RNO (Radio Network Optimisation) est un logiciel de gestion des équipements ALCATEL qui permet le management en temps réel de tout le réseau. Outre les fonctionnalités classiques à savoir la gestion des alarmes, le suivi et la configuration des composants physiques et logiques du réseau, ce logiciel permet :

> La visualisation et l'export des données sur la configuration software et hardware du réseau

> La détection des problèmes liés à la qualité de service du réseau et la localisation des questions les plus urgentes.

> Le choix des actions correctives à entreprendre pour améliorer la QoS. L'optimisation de la recherche des ressources radio.

Cependant le RNO présente un ensemble de limitation qui se résume dans les points suivants : > Une limite au niveau du nombre de licence.

> Il présente un retard au niveau de l'import des données, ce qui oblige parfois les ingénieurs à utiliser d'autres outils.

3.2.2. Le SPOTS de Siemens

> Détecter les problèmes du réseau par la configuration d'alerteur de QoS à temps réel.

3.4. Les mesures Drive Test

Les mesures Drive Test sont des campagnes de mesure effectuées par les techniciens et ingénieurs de l'opérateur. Elles constituent le meilleur moyen de vérifier les performances du réseau et de les ajuster aux attentes des abonnés car elles décrivent l'état de la qualité du réseau telle qu'elle est perçue par les abonnés.

> Le maintien de la communication pendant une certaine période (absence de coupure) > La qualité de la communication

Les Drive Test sont sans doute une partie essentielle pour optimiser de façon continue les
performances de réseau mobile afin de maintenir la satisfaction des abonnés. Pour réaliser un

Drive Test, une équipe se déplace dans une voiture munie d'une chaine de mesure numérique de type Drive Test composé essentiellement de :

3.2.1. Les éléments de la chaine de mesure

3.4. Les analyseurs de protocoles et optimisation

3.5.1. Les analyseurs de protocoles

L'analyseur de protocole est un moteur qui génère des indicateurs pertinents qui permettent de comprendre l'état d'un réseau à un instant « t » situé dans le passé, le présent ou le futur. Il permet l'obtention simple et rapide de nombreuses statistiques qui facilite ainsi la vision de tout le réseau. Les analyseurs de protocole peuvent être reliés aux BTS, aux BSC, ou bien aux MSC pendant une certaine période de temps.

? Que tous les événements capturés sont disponibles pour une analyse postérieure et détaillée.

L'inconvénient de ces analyseurs est qu'ils sont difficiles à mettre en oeuvre et c'est coûteux de les avoir en grand nombre afin de pouvoir observer de manière permanente le réseau GSM en entier.

3.5.2. Optimisation

Avec les données en notre possession on va pouvoir effectuer une analyse, suivie de décisions qui seront prises dans l'optique d'améliorer le réseau et diminuer les zones de désertes. Il est également important d'optimiser le réseau pour maximiser la quantité de requêtes satisfaites. Pour cela, différentes techniques d'optimisation existent

Les problèmes de dimensionnement de réseau se résument à l'installation d'un ensemble de liens de capacités données, afin de pouvoir écouler un ensemble de demandes connues. C'est un processus visant le long terme qui rentre en compte dans le programme d'investissement et du déploiement des équipements du réseau. Les demandes de trafic prises en compte doivent correspondre aux prévisions de la charge du réseau. Concrètement, dans le cas d'une détection de couverture insuffisante, on pourra envisager d'augmenter la puissance de la cellule, avec comme risque l'augmentation d'interférences, on préférera alors la mise en place d'une nouvelle cellule.

Les problèmes d'ingénierie de réseau concernent l'attribution efficace des ressources existantes du réseau aux demandes de trafic. Les demandes de connexions sont connues et le réseau est en place mais les ressources doivent être configurées et affectées. Parmi toutes les configurations possibles, on cherche celle qui maximise l'efficacité de l'utilisation des ressources. Ce problème est généralement formulé comme un problème d'optimisation. Plusieurs situations :

y' Interférences dues à la puissance de la cellule, il faudra re-paramétrer la cellule pour limiter son nombre de canaux

y' Interférences dues aux cellules voisines qui la polluent, il faudra re-paramétrer les cellules voisines pour baisser leurs puissances.

L'optimisation coeur de réseau va avoir lieu lorsque les KPI en fautes viennent d'un équipement surchargé, l'optimisation va passer par une répartition des charges avec un équipement moins sollicité. En résumé, l'évaluation des performances du réseau va suivre le schéma suivant :

^Actions
de
^{maintenance,optimisation
par}
^{les intervenants au savoir
faire}
^{correspondant}

Dans cette partie, nous avons parlé des éléments qui permettent d'effectuer la qualité de service dans les réseaux mobiles GSM, donc ce qui permet de mesurer les performances du réseau : les compteurs OMC ou le RNO d'Alcatel ; permettant de faire différents tests pour voir si le réseau est de bonne qualité ou s'il y a des petites complications afin de pouvoir apporter quelques solutions : c'est le cas de la chaine de mesure Drive Test.

1. Les paramètres de mesure

La chaine de mesure Drive-Test est basée principalement sur des mesures d'accessibilité (SDCCH) et d'établissement de la communication (TCH). Ces deux mesures sont à l'état de veille sont à l'état de veille du mobile et à l'état dédié

1.1. Les mesures d'accessibilité au réseau

Elle consiste à réaliser de vrais appels et à tester l'obtention du retour de sonnerie sur le mobile. La communication n'est cependant pas décrochée et donc n'est pas établie. L'indicateur appelé Call Setup Success Rate exprime le pourcentage d'appels établis avec succès. Est considéré comme étant un appel, toute demande d'établissement d'une communication et qui aboutit soit à un signal d'appel, soit à une annonce parlée ou à une tonalité d'occupation. La norme GSM défini que tout appel doit pouvoir être établi en 10s maximum. De plus, le taux de blocage à l'heure chargée doit être inférieur à 2% (< 2%). Au-delà de 10s, même si l'appel est établi, il est considéré comme échec en termes de performance du système. Les différentes causes pouvant dégrader le Call Setup sont les suivantes :

> SDCCH_BLOCK: SDCCH blocked : indique la non attribution de canal SDCCH pour cause de manque de ressources

> SUC_IMM_ASS_SDCCH_cause successful SDCCH immediate assignment: assignation réussie d'un canal SDCCH (cause = answer to paging, emergency call, originating call, location update, etc.)

1.2. Les mesures de niveau de champ (RxLev)

Elle consiste à mesurer la voie balise (BCCH), le numéro de champ RxLev reçu par le mobile qui affiche le nombre de barrettes indiquant la puissance du signal reçu. Un faible niveau de champ ou l'absence du champ se traduit par la présence d'une ou deux barrettes sur l'écran du terminal ou par l'indication d'absence du signal. L'indicateur de présence du réseau ou RxLev renseigne en tout point de couverture, la probabilité d'établir une communication. Ces mesures se font au même rythme que les mesures d'accessibilité au réseau. Il existe deux unités de mesure RxLev : le RxLev unit allant de 0 à 63 et le RxLev (dBm). La relation liant les deux unités de mesure est la suivante :

RxLev (dBm)	Niveau de couverture
-110 à -95	Pas de couverture
-95 à -85	Mauvaise couverture
-85 à -75	Assez bonne couverture
-75 à -65	Bonne couverture
-65 à -46	Très bonne couverture

Le RxLev se mesure toujours lorsque le mobile est en mode veille ou "idle". Les principales causes susceptibles d'affecter la qualité de la couverture radio sont :

? mauvais paramétrage physique et logique des BTS (tilts, azimuts, puissances, etc.), types d'antennes et qualité d'installation (pertes dans les câbles) ou défaut de maintenance (humidité des feeders, dégradation des câbles, etc.),

? qualité du terminal de l'usager (sensibilité) ou détérioration de la partie émission /réception RF.

1.3. Mesure de qualité de communication (RxQual)

Ces mesures consistent à évaluer la valeur RxQual enregistré par le mobile. La qualité de communication ou Voice Quality désigne l'audibilité, la netteté et la clarté observées dans une communication. C'est un indicateur très important pour l'abonné. Il est souvent indiqué par le taux d'erreurs binaires BER (Bits Errors Rate) et le taux de trames erronées FER (Frames Erasures Rate) chez l'opérateur. Le BER est le taux de bits erronés reçus sur le total des bits transmis sur l'interface air. Si ce taux est inférieur à un seuil déterminé pendant toute la communication, l'usager perçoit une communication de bonne qualité. Le taux de trames erronées renvoie à la notion de collisions destructives sur l'interface A-bis. Une collision destructive se produit lorsque plus de trois burst GSM consécutifs présentent un niveau d'interférence supérieur au seuil acceptable. Dans ce cas, la trame de parole GSM (transmise sur 8 burst consécutifs) sera mal reçue par l'usager et la qualité du signal de parole sera dégradée. Les pertes de trames peuvent également se traduire par des microcoupures pendant l'appel provoquant une mauvaise qualité de communication.

Le RxQual est mesuré uniquement à l'état dédié et sur la cellule serveuse, elle est codée sur 3 bits et prend les mesures de 0 jusqu'à 7. Le tableau ci-dessous illustre l'appréciation de la qualité.

RxQual	Bit Error Rate (BER)	Qualité de communication
0	BER < 0.2%	Excellente
1	BER= [0.2% à 0.4%]	Bonne
2	BER= [0.4% à 0.8%]	Bonne
3	BER= [0.8% à 1.6%]	Assez bonne
4	BER= [1.6% à 3.2%]	Assez bonne
5	BER= [3.2% à 6.4%]	Mauvaise
6	BER= [6.4% à 12.8%]	Mauvaise
7	BER>12.8%	Très mauvaise

Tableau 3: correspondance entre la qualité de communication et le BER Les facteurs de dégradation de la qualité vocale sont :

? niveau d'interférences externes trop élevées (interférences dues à des émissions par des équipements autres que ceux du réseau),

? interférence co-canal ou sur canal adjacent trop élevée (mauvais plan de fréquences), - mauvaise couverture radio,

? problème de transmission (annuleurs d'écho ou mauvaise synchronisation se traduisant par des pertes d'informations, du grésillement dans les communications vocales et des "communications blanches"),

2. L'outil TEMS investigation

TEMS Investigation est un excellent outil pour la vérification, l'optimisation et la maintenance de réseaux sans fil. Offrant la collecte de données, une analyse en temps réel et un post-traitement tout en un, TEMS Investigation est une solution complète pour l'ensemble des tâches d'un opérateur de réseau sans fil quotidiennes d'optimisation du réseau. Cette

solution élimine le besoin d'outils multiples, réduction des coûts et un gain de temps et d'efforts pour le personnel d'exploitation. Il supporte les principales technologies - GSM / GPRS, EDGE, WCDMA, HSPA / HSPA +, LTE (y compris TD-LTE), CDMA, EVDO, WiMAX et TD-SCDMA - et des combinés fournisseurs importants, ce qui en fait une bonne solution à la fois pour le matériel de nouveaux réseaux et pour veiller à une intégration transparente avec les réseaux existants. Utilisation d'enquête TEMS, les opérateurs peuvent atteindre une qualité de voix améliorée, une plus grande accessibilité, conservation améliorée et une meilleure performance de service. Un large éventail de puissantes et faciles à utiliser, caractéristiques font des enquêtes TEMS essentiel tout au long du cycle de vie du réseau. Le TEMS est utilisé pour :

? Vérifier le comportement véritable d'un terminal avec des mesures fondées sur le téléphone

? Vérifier la couverture et la capacité de la cellule, ainsi que l'accessibilité, et de l'intégrité

4. Etude des paramètres Drive Test avec le TEMS

3.1. Niveau de couverture

La carte suivante indique par simulation le niveau de couverture d'un réseau et les cellules pouvant être représentées

Le niveau Downlink est représenté par une échelle à quatre couleurs (bleu, vert, orange et rouge). Les cellules sont représentées selon trois couleurs :

En sus de cela, certains évènements sont positionnés sur la carte. Il faut aussi noter qu'on utilise généralement scannée en fond.

3.2. Qualité de communication et messages échangés

? La carte suivante indique par simulation la qualité de la communication d'un réseau et les cellules pouvant être représentées

En dehors de la qualité qui dans cette carte est représentée selon une échelle de trois couleurs, les cellules sont représentées similairement par rapport à la carte du niveau de couverture ainsi que certains événements qui sont indiqués dans cette carte à l'instar du Handover.

Etude de la qualité de service dans les réseaux mobiles GSM ? Dans la carte ci-dessous sont représentés les messages échangés

En effet, dans cette carte tous les messages ainsi que leur contenu peuvent être visualisés. Ainsi, on peut en particulier examiner la séquence d'établissement posant problème.

3.3. Replay d'une trace

Dans cette carte le niveau de couverture RxLev et la qualité de communication sont représentés par deux graphes

? Graphe du haut : Dans lequel les barres en rouge indiquent le niveau de la cellule serveuse et la courbe multi couleur est caractérisée par le niveau de la première cellule voisine, le changement de couleur indique que la première cellule voisine est changée

? Graphe du bas : Dans lequel la courbe en rouge est synonyme du RxQual de la cellule serveuse et les barres en vert représentent le SQI (Speech Quality Indicator), qui est l'appréciation de la qualité audio. C'est Algorithme qui est propre à la maison Ericsson.

L'on doit noter que ces différentes visualisations dont la carte, les messages et les courbes sont synchronisées et sont hautement paramétrables, c'est-à-dire qu'on peut visualiser toute information GSM de toutes les façons.

Cette partie du chapitre a fait ressortir les paramètres de qualité de service qui favorisent l'optimisation des services du réseau mobile GSM. On a eu à parler des paramètres mesurés par le Drive Test prenant en compte le niveau de couverture RxLev et la qualité de communication RxQual, tout cela réalisé par l'outil Tems investigation de la maison Ericsson.

Conclusion générale

En guise de conclusion nous pouvons dire que l'objectif phare de ce travail était l'étude de la qualité de service dans le réseau mobile GSM, dans lequel nous avons eu à des éléments pouvant rentrer en compte dans cette étude.

En effet cette tâche a nécessité un approfondissement de nos connaissances et d'une subtilité dans nos recherches en matière du réseau GSM et des divers éléments de la qualité de service dans ce réseau ainsi que certains problèmes que nous pouvons rencontrer.

D'abord, dans la première partie nous avons eu à parler de la généralité du GSM, des différents concepts dont il est question dans ce type de réseau et des principes que nous pouvons avoir ainsi que des perturbations auxquelles les ondes peuvent se confronter lors de la transmission de l'information dans un milieu.

Ensuite nous avons abordé la deuxième partie dans laquelle nous avons parlé de l'architecture globale du réseau GSM et nous sommes rentrés en profondeur de sa structure dans laquelle nous avons parlé des différents sous-systèmes, des interfaces par lesquelles ces sous-systèmes sont liés et des canaux utilisés lors pour la mise en communication dans le réseau.

Par ailleurs la troisième est marqué par les principes et les caractéristiques de qualité de service et de dans lesquelles sont énumérées les mesures de performance, les critères pour une meilleure performance du réseau, les éléments qui permettent de mesurer les performances à savoir les compteurs OMC et les mesures Drive Test. En sus de cela ont été ajoutés les différents problèmes que l'on peut rencontrer dans le réseau.

Enfin le tout a été bouclé par une étude de cas des mesures Drive Test dans lesquelles nous avons mentionné les niveaux de couverture, les messages échangés et la qualité de la communication, tout cela par l'outil Tems investigation qui est l'un des outils appropriés pour la détection des anomalies dans un réseau favorisant ainsi les dispositions à prendre pour les opérateurs afin de permettre une amélioration et une optimisation des services offerts aux usagers.

Etude de la qualité de service dans les réseaux mobiles GSM

Dédicace