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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère De L’enseignement Sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère De L’enseignement Supérieur Et De La Recherche Scientifique Université De Batna Faculté De Technologie MEMOIRE Présenté au Département de génie électrique En vue de l’obtention du diplôme de Magister en Electronique Option : Micro-ondes Pour Télécommunications Par Fateh Bouguerra Thème Contribution à l’optimisation des télécommunications dans les réseaux mobiles Devant le jury constitué de : Pr. Nabil Benoudjit Prof. Univ. Batna Président, Dr. Lamir Saidi M.C. (A) Univ. Batna Rapporteur, Pr. Abdelmadjid Bensalama Prof. Univ. Constantine Examinateur, Dr. Rédha Benzid M.C. (A) Univ. Batna Examinateur, Dr. Salim Aissi M.C. (B) Univ. Batna Invité. Avril 2011 Contribution à l’optimisation des télécommunications dans les réseaux mobiles This dissertation is dedicated to my Family; specially my mother, and to all my friends. Special Thanks to Mr. SAIDI Lamir for his efforts and assistance; driving me to the right way and his patient on my errors, he was like a missed colleague. I would to thank Mr. BENOUDJIT Nabil to have agreed to chair the Jury of this dissertation. Also, I address my cordial thanks to Mr. BENSALAMA Abdelmadjid, Mr. BENZID Redha, and Mr. AISSI Salim for the honour they made me to judge this modest work. Thank you all for being with me. Sommaire Acronymes et Abréviations ...........................................................................X Listes des tableaux .................................................................................... XIV Liste des figures .......................................................................................... XV Introduction générale..........................................................................XVIII Chapitre I : Généralités..........................................................................1 1. Introduction...................................................................................................2 2. Evolution et concept des systèmes cellulaires...............................................2 2.1. Systèmes de première génération (analogiques) .................................2 2.2. Systèmes de seconde génération (digitals)..........................................2 2.3. Systèmes de troisième génération (WCDMA dans l’UMTS) ................3 2.4. Réseaux de quatrième génération (AII-IP) ...........................................3 2.5. Concept cellulaires ...............................................................................4 2.5.1. Réutilisation des fréquences........................................................4 2.5.2. Handover .....................................................................................4 3. 2G (GSM) .....................................................................................................4 3.1. Sous-système de station de base (BSS) ..............................................5 3.1.1. Base Transceiver Station (BTS) ..................................................5 3.1.2. Contrôleur de station de base (BSC)...........................................5 3.2. Sous-système réseau (NSS).................................................................6 3.2.1. Mobil Switching Center (MSC).....................................................6 3.2.2. Home Location Register (HLR)....................................................6 3.2.3. Visitor Location Register (VLR)....................................................6 3.2.4. Authentication Center (AUC) .......................................................6 3.2.5. Equipment Identity Registers (EIR)..............................................7 3.3. Système de gestion du réseau (NMS)..................................................7 3.4. Interfaces et signalisations en GSM .....................................................7 3.4.1. Interfaces .....................................................................................7 3.4.2. Signalisations...............................................................................8 Sommaire VI 4. 3G (UMTS) ...................................................................................................8 4.1. Radio Access Network (RAN)...............................................................8 4.1.1. Base Station (BS) ........................................................................9 4.1.2. Radio Network Controller (RNC)..................................................9 4.2. Core Network (CN)................................................................................9 4.2.1. WCDMA Mobile Switching Centre (WMSC) and VLR ...............10 4.2.2. Gateway Mobile Switching Centre (GMSC)...............................10 4.2.3. Home Location Register (HLR)..................................................10 4.2.4. Serving GPRS Support Node (SGSN).......................................10 4.2.5. Gateway GPRS Support Node (GGSN) ....................................10 4.3. Network Management System in 3G Networks .................................. 10 4.4. Interfaces et signalisation en 3G.........................................................11 4.4.1. Interfaces ...................................................................................11 4.4.2. Signalisations.............................................................................12 5. Modulations ................................................................................................12 5.1. Binary Phase Shift Keying (BPSK) .....................................................13 5.2. Gaussian Minimum Phase Shift Keying (GMSK)................................13 5.3. Octagonal Phase Shift Keying (8-PSK) ..............................................13 5.4. Quarter Phase Shift Keying (QPSK)...................................................13 5.5. Modulation par code (CDMA et étalement de spectre).......................14 5.6. Modulation par fréquences orthogonales (OFDM)..............................14 6. Techniques de duplexage...........................................................................14 6.1. FDD.....................................................................................................14 6.2. TDD.....................................................................................................15 7. Techniques d’accès....................................................................................16 7.1. FDMA ..................................................................................................16 7.2. TDMA ..................................................................................................17 7.3. CDMA..................................................................................................18 7.4. Les performances comparées de TDMA/FDMA/CDMA .....................18 8. Conclusion..................................................................................................19 Chapitre II : DS-CDMA : Codage & détection ....................................20 1. Introduction.................................................................................................21 2. Etalement de spectre..................................................................................21 Sommaire VII 2.1. Pourquoi étaler un spectre ?...............................................................23 2.2. Avantages & inconvénients.................................................................25 3. CDMA.........................................................................................................25 3.1. FH-CDMA (Frequency Hopping CDMA).............................................27 3.2. TH-CDMA (Time Hopping CDMA) ......................................................28 3.3. DS-CDMA (Direct Sequence CDMA)..................................................28 3.3.1. Avantages..................................................................................29 3.3.2. Inconvénients.............................................................................29 4. Codage.......................................................................................................30 4.1. Codes Orthogonaux............................................................................31 4.2. Codes pseudo aléatoires (PN codes) .................................................32 5. Détection ....................................................................................................33 5.1. Détection mono-utilisateur ..................................................................33 5.2. Détection multi-utilisateurs..................................................................34 6. Conclusion..................................................................................................34 Chapitre III : Problèmes & égalisation du canal ...............................35 1. Introduction.................................................................................................36 1.1. Interférence d’accès multiples (MAI)...................................................36 1.2. Etats par trajets multiples de canal.....................................................36 1.3. Interférence d’inter symboles (ISI) ......................................................36 2. Egalisation ..................................................................................................38 2.1. Egalisation avec apprentissage ..........................................................39 2.1.1. Egalisation adaptative................................................................39 2.1.2. Filtre de Wiener..........................................................................40 2.1.3. Types d’algorithmes adaptatifs ..................................................43 2.1.4. Choix de l’algorithme .................................................................45 2.1.5. Algorithme LMS .........................................................................46 2.1.6. Algorithme NLMS.......................................................................48 2.1.7. Algorithme RLS..........................................................................49 2.2. Egalisation aveugle.............................................................................50 2.2.1. L’algorithme CMA (Constant Modulo Algorithme) .....................51 2.2.2. Equation de mise à jour de CMA ...............................................52 3. Simulations et résultats...............................................................................53 Sommaire VIII 3.1. Principe ...............................................................................................53 3.2. Algorithme LMS...................................................................................54 3.3. Algorithme NLMS................................................................................59 3.4. Algorithme RLS...................................................................................63 3.5. Algorithme CMA..................................................................................67 4. Conclusion..................................................................................................72 Chapitre IV : Optimisation neuronale.................................................74 1. Introduction.................................................................................................75 1.1. Egalisation linéaire..............................................................................75 1.2. Egalisation non linéaire.......................................................................75 2. L’optimisation..............................................................................................76 2.1. Qu’est ce que l’optimisation ? .............................................................76 2.2. Catégories d’optimisation....................................................................76 3. Les réseaux de neurones artificiels (RNA) .................................................78 3.1. Architecture et fonctionnement ...........................................................79 3.2. Fonctions de transfert .........................................................................80 3.3. Entraînement des réseaux de neurones.............................................81 4. MulitiLayer Perceptrons (MLP) ...................................................................81 4.1. Algorithme d’apprentissage : Rétropropagation du gradient (BP) ......82 4.1.1. Etapes de la BP.........................................................................82 4.1.2. Principe......................................................................................82 4.2. Equations du réseau ...........................................................................83 4.2.1. Adaptation des poids .................................................................84 4.2.2. Problèmes de la BP ...................................................................85 4.3. Simulations et résultats.......................................................................86 4.3.1. Valeurs complexes ....................................................................86 4.3.2. Principe......................................................................................87 4.3.3. Etapes de simulation..................................................................88 4.3.4. Résultats et discussions ............................................................88 4.4. Conclusion ..........................................................................................93 5. Radial Basis Function (RBF) ......................................................................94 5.1. Types d’apprentissage........................................................................94 5.1.1. Apprentissage supervisé ...........................................................94 Sommaire IX 5.1.2. Apprentissage non supervisé.....................................................94 5.2. Apprentissage des réseaux à fonctions radiales de bases (RBF)......95 5.3. Equations du réseau ...........................................................................96 5.4. Simulations et résultats.......................................................................97 5.4.1. Principe......................................................................................97 5.4.2. Etapes de mis en œuvre du réseau RBF ..................................98 5.4.3. Résultats et discussions ............................................................98 5.5. Conclusion ........................................................................................102 6. Comparaison entre les égaliseurs RBF & MLR ........................................102 7. Conclusion................................................................................................104 Conclusion générale ..........................................................................105 Références ............................................................................................................107 Acronymes et Abréviations 3GPP The 3rd Generation Partner Project. 8-PSK Octagonal Phase Shift Keying. A-CDMA Asynchronous CDMA. ANN Artificial Neural Networks. AuC Authentication Center. BER Bit Error Rate. BP Back Propagation. BPSK Binary Phase Shift Keying. BS Base Station. BSC Base Station Controller. BSS Base Station Sub-system. BTS Base Transceiver Station. C-NBAP Common NBAP. CCITT Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique. CCK Complementary Code Keying. CDMA Code Division Multiple Access. CLMS Complex LMS. CM Constant Modulo. CMA CM Algorithm. CN Core Network. CS Circuit Switched. D-NBAP Dedicated NBAP. DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications. DPDCH Dedicated Physical Data Channel. DS-CDMA Direct-Sequence CDMA. DSSS Direct Sequence Spread Spectrum. EDGE Enhanced Data for Global Evolution. EIR Equipment Identity Register. ETSI European Telecommunications Standards Institute. FAP Fast Affine Projection Algorithm. FDD Frequency Division Duplex. FDMA Frequency Division Multiple Access. FH-CDMA Frequency Hopping CDMA. FIR Finite Impulse Response. Acronymes & Abréviations XI FM Frequency modulation. FTF Fast Transversal Filter. GA Genetic Algorithms. GGSN Gateway GPRS Support Node. GMSK Gaussian Minimum Phase shift Keying. GPRS General Packet Radio Service. GPS Global position system. GSM Global System for Mobile communication. HLR Home Location Register. IC Interference Cancellation. IIR Infinite Impulse Response. IMEI International Mobile Equipment Identity. IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000. IP Internet Protocol. IS-95 Interim Standard 95. ISDN Integrated Services Digital Network Design. ISI InterSymbole Interference. ITU International Telecommunication Union. ITU-T ITU Telecommunication Standardization Sector. JD Joint Detection. LAPD Link Access Protocol For The D Channel. LAPDm Link Access Protocol For The D Channel Modified. LTF Linear Transversal Filter. LMS Least Mean Square. MAI Multiple Access Interference. MBER Minimum Bit-Error Rate. MBOK M-ary Bi-Orthogonal Keying. MGW Media Gateway. MLP Multi Layer Perceptrons. MMSE Minimum Mean Square Error. MOE Minimal Output Energy. MSC Mobile Switching Center. MSE Mean Square Error. MSK Minimum Phase shift Keying. NBAP Node B Application Part. NLMS Normalised Least Mean Squares. NMS Network Management System. Acronymes & Abréviations XII NMTs Nordic Mobile Telephones. NSS Network Switching Service. OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing. OMC Operation and Maintenance Center. OSI Open System Interconnection. OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Codes. PN Pseudo-Noise sequences. PS Packet Switched. PSK Phase shift Keying. PSTN Public Switch Telephone Network. QoS Quality of Service. QPSK Quarter Phase Shift Keying. RAN Radio Access Network. RANAP RAN Application Part. RBF Radial Basis Function. RF Radio Frequency. RLS Recursive Least Square. RNA Réseaux de neurones artificiels. RNC Radio Network Controller. RNS Radio Network Subsystem. RNSAP RNS Application Part. S-CDMA Synchronous CDMA. SF Spreading Factor. SGSN Serving GPRS Support Node. SMSC Short Message Service Center. SNR Signal to Noise Ratio. SOS Second Order Statistics. SS7 Signalling System Number 7. TACS Total Access Communication System. TCSM Transcoder Sub-Multiplexer. TDD Time Division Duplex. TDMA Time Division Multiple Access. TH-CDMA Time-Hopping CDMA. TV Television. UE User Equipment. UMTS Universal Mobile Telecommunications System. UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network. Acronymes & Abréviations XIII VLR Visitor Location Register. WCDMA Wideband CDMA. WLAN Wireless Local Area Network. WMSC WCDMA Mobile Switching Center. xG xth Generation Of Wireless Communication Technology (2nd, 2.5, 3rd, 3.5, 4th). Listes des tableaux 2.1 Caractéristiques de quelques standards de télécommunication.................................28 3.1 Algorithmes adaptatifs à travers les filtres adaptatifs..................................................45 4.1 Fonctions de transferts d’un neurone..........................................................................80 4.2 MSE en Fonction du SNR pour les égaliseurs RBF et MLP sur l’ensemble des validation, test et le total.....................................................................................102 Listes des figures 1.1 Cellules radio & principes de réutilisation des fréquences............................................4 1.2 Architecture 2G (GSM)..................................................................................................5 1.3 Architecture 3G (UMTS)................................................................................................9 1.4 Le modèle OSI en 3G .................................................................................................12 1.5 Bandes GSM et UMTS (FDD).....................................................................................15 1.6 Multiplexage temporel -GSM- (TDD)...........................................................................15 1.7 L’accès multiple par répartition de fréquence (FDMA)................................................17 1.8 L’accès multiple par répartition de temps (TDMA)......................................................17 1.9 L’accès multiple par répartition de code (CDMA)........................................................18 2.1 Technique d’étalement de spectre..............................................................................21 2.2 Etalement de spectre par séquence directe (DSSS) ..................................................22 2.3 Comparaison signal à bande étroite / signal à bande étalée ......................................23 2.4 Principe de uploads/Science et Technologie/ inj-bouguera-fateh 1 .pdf