Bref historique des réseaux sans fil cellulaires

Bref historique des réseaux sans fil cellulaires

Dans les réseaux sans fil cellulaires, les anciens systèmes radios transmettent des signaux analogiques et ceux d’aujourd’hui transmettent quant à eux des signaux numériques, composés de bits binaires, où les bits sont obtenus directement par un signal de données ou par un signal analogique numérisé. Un radio numérique peut transmettre un flot de bits continu où il peut grouper les bits dans des paquets. La première génération de systèmes cellulaires conçus dans les années 60 utilise les communications analogiques avant que les communications numériques ne soient répandues. La deuxième génération quant à elle a migré de l’analogique vers le numérique dû à ses divers avantages. Les composants numériques sont moins chers, plus rapides, plus petits et requièrent moins de puissance. De plus, la qualité de la voix est améliorée grâce au codage de correction d’erreurs. La capacité des systèmes numériques est aussi plus importante comparée à celle des systèmes analogiques puisqu’ils utilisent une modulation numérique spectralement plus efficace ainsi que plusieurs techniques plus performantes pour la répartition du spectre cellulaire.

Les systèmes numériques profitent aussi des avantages des techniques de compression avancées et des facteurs d’activité de la voix. De plus, les techniques d’encryptions peuvent être utilisées pour sécuriser les signaux numériques contre l’écoute. Finalement, en plus de la voix, les systèmes numériques offrent des services de données, tels que les messages courts, les courriels, l’accès à Internet et les capacités d’imagerie. Le Tableau 1.1 résume sur les différentes générations de systèmes cellulaires où les informations ont été tirées de (Goldsmith, 2005).

Architecture d’un réseau cellulaire traditionnel

L’installation et l’entretien d’une station de base sont très coûteux, elle vaut approximativement un million de dollars pour chaque station de base. C’est la principale raison pour laquelle les premiers systèmes cellulaires ont été conçus. De plus, dû à ce coût important des BSs, les premiers systèmes cellulaires utilisaient un nombre de cellules relativement faible pour assurer la couverture d’une ville ou d’une région entière. Les BSs sont installées sur de grands bâtiments ou des montagnes et transmettent à très haute puissance avec des zones de couverture cellulaire de plusieurs miles carrés. Ces grandes cellules sont appelées macrocellules. La puissance du signal a été rayonnée uniformément dans toutes les directions, de sorte qu’un mobile en mouvement circulaire autour de la BS aurait une puissance reçue approximativement constante si le signal n’est pas bloqué par un objet atténuant.

Ce contour circulaire de puissance constante donne au système, une forme de cellule hexagonale, car un hexagone est la forme régulière la plus proche d’un cercle pouvant couvrir une zone donnée avec plusieurs cellules non chevauchantes. Actuellement, pour pallier aux problèmes de coûts reliés aux installations des BSs et pour assouvir le besoin d’une capacité plus élevée dans les zones à forte densité d’UEs, les systèmes cellulaires ont été améliorés et ne consistent plus uniquement en un système exclusivement macro. Des petites cellules ont été introduites dans les réseaux conventionnels. Ainsi, en milieu urbain, les systèmes cellulaires récents utilisent souvent des cellules à couverture plus étroite dont les BSs sont localisées au niveau de la rue tout en transmettant à faible puissance. Ces petites cellules sont appelées des microcellules et des picocellules, dépendamment de leur couverture ou de leur taille. Chaque type de cellule est capable de supporter approximativement le même nombre d’UEs tant que le système est mis à l’échelle en conséquence. En effet, pour une couverture donnée, un système avec plusieurs microcellules comporte un nombre plus élevé d’UEs par unité de surface qu’un système avec uniquement quelques macrocellules. De plus, moins de puissance est requise par les terminaux mobiles dans les systèmes microcellulaires puisque les terminaux sont situés proches des BSs.

Architecture d’un réseau cellulaire hétérogène La multiplication excessive et rapide des appareils mobiles, tels que les téléphones intelligents, les tablettes et d’autres appareils exigeants en données médias, connectés à Internet continue de stimuler la croissance du trafic de données de façon exponentielle. Pour satisfaire la croissance explosive des demandes entraînée par ces nouveaux appareils, les opérateurs réseaux doivent augmenter significativement la capacité de leurs réseaux et doivent réduire le coût par bit livré. De nombreuses recherches ont démontrées qu’à partir de l’année 2008, le développement annuel du trafic de données mobiles est de 100% par année et ne cesse de s’accélérer, ce qui correspond à un facteur de développement de 1000 entre les années 2007 et 2016. De toute évidence, les approches conventionnelles pour accroître la capacité ne sont pas à la hauteur de ce défi d’expansion. Pour que le déploiement du réseau soit rentable économiquement, il est nécessaire de modifier le modèle de déploiement de l’infrastructure du réseau conventionnel qui nécessite l’installation sur tour des BSs traditionnelles, coûteuses, de haute puissance. Cette modification peut être effectuée par le déploiement sous-jacent des BSs hétérogènes dans le réseau traditionnel exclusivement macro.

Des exemples d’éléments hétérogènes incluent les microcellules, les picocellules, les femtocellules ou BS d’intérieur, les relais, les systèmes distribués d’antennes (dite DAS, de l’anglais Distributed Antenna Systems) qui sont différenciés par leur puissance de transmission, l’étendue de leur zone de couverture, leur taille physique, la liaison de raccordement ou backhaul, et leurs caractéristiques de propagation. Ces petites cellules citées plus haut sont distribués partout dans le réseau macrocellulaire. Dans les déploiements du HetNet, la macrocellule de superposition fournit une couverture étendue tandis que les petites cellules sont déployées de manière plus ciblée pour atténuer les zones de couverture mortes ainsi que les hotspots. Il est évident que la modification apportée au réseau conventionnel permet l’amélioration de la capacité. Cependant, cette modification entraîne de nombreux défis au niveau de la coexistence et de la gestion du réseau. La Figure 1.5 inspirée de (Ye, 2013) illustre le déploiement d’un réseau hétérogène.

Aspects pertinents de la quatrième génération de réseau mobile sans fil Avec le développement rapide des réseaux de communication sans-fil, le lancement des systèmes mobiles de la 4G a été effectué ces cinq dernières années. Premièrement, les réseaux 4G sont des réseaux hétérogènes basés exclusivement sur le protocole internet (dite IP, de l’anglais Internet Protocol), ce qui permet aux UEs d’utiliser tout le système, en tout temps et à tout endroit. Les UEs ayant un terminal intégré peuvent utiliser un large choix d’applications fournis par des réseaux sans-fil différents. Deuxièmement, les systèmes 4G supportent non seulement les services de télécommunication mais aussi des services multimédias et données. En effet, les systèmes mobiles 4G se focalisent sur l’intégration transparente des technologies sans-fil existantes incluant le GSM, le réseau local sans-fil et le Bluetooth, contrairement à la 3G, qui se concentre uniquement sur le développement des nouveaux standards et matériels. Les systèmes 4G supportent des services complets et personnalisés, fournissant au système, une performance stable ainsi qu’une qualité de service. Les systèmes 4G offrent une grande facilité d’utilisation en tout temps, à tout endroit et avec n’importe quelle technologie. De plus, afin de supporter les services multimédias, des services haut débit avec un bon système de fiabilité et à coût raisonnable sont fournis.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 APERÇU DU RÉSEAU UNIVERSEL SANS FIL MOBILE ET SON AVENIR
1.1 Introduction
1.2 Contexte de cette thèse
1.3 Bref historique des réseaux sans fil cellulaires
1.3.1 Architecture d’un réseau cellulaire traditionnel
1.3.2 Architecture d’un réseau cellulaire hétérogène
1.3.3 Survol des technologies envisagées pour la 5G
1.4 Aspects pertinents de la quatrième génération de réseau mobile sans fil
1.4.1 Topologie et déploiement du réseau
1.4.1.1 Hotspot intérieur
1.4.1.2 Hotspot extérieur
1.4.2 Couverture et capacité
1.4.3 Spécifications des cellules et des éléments d’un HetNet
1.4.3.1 La macrocellule
1.4.3.2 La picocellule
1.4.3.3 La femtocellule
1.4.3.4 Les relais
1.4.3.5 Les unités de radio à distance
1.5 Caractéristiques techniques du HetNet
1.5.1 Association UE-BS
1.5.2 Mobilité
1.5.3 Allocation de ressources
1.5.4 Consommation de puissance et d’énergie
1.5.5 Relation lien ascendante-descendante
1.5.6 Liaison de raccordement
1.5.6.1 Petite cellule à liaison de raccordement filaire :
1.5.6.2 Petite cellule à liaison de raccordement sans-fil
1.6 Conclusion
1.6.1 Plan de recherche proposé
CHAPITRE 2 OPTIMISATION DE PERFORMANCE POUR HETNET
2.1 Introduction
2.2 Problèmes rencontrés dans les réseaux hétérogènes et les défis à relever
2.2.1 Gestion d’interférence
2.2.2 Sélection cellulaire
2.2.3 Équilibrage de charge
2.2.4 Transfert intercellulaire et gestion de mobilité
2.2.4.1 Quelques définitions
2.2.4.2 Aperçu du processus de transfert intercellulaire dans HetNet
2.2.4.3 Conditions de transfert intercellulaire
2.2.4.4 Conséquences du transfert intercellulaire
2.2.4.5 Métriques de performance du transfert intercellulaire
2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 REVUE DE LITTÉRATURE : ASSOCIATION UE-BS, ÉQUILIBRAGE DE LA CHARGE, SUPRESSION D’INTERFÉRENCES, GESTION DE LA MOBILITÉ
3.1 Introduction
3.2 Techniques existantes de sélection cellulaire et d’équilibrage de charges
3.2.1 Définition et détermination de la charge d’une cellule
3.2.2 Technique de sélection cellulaire par défaut Max-SINR
3.2.3 Stratégies d’équilibrage de charge de la cellule basées sur l’emprunt de canal
3.2.3.1 Assignation hybride de canal
3.2.3.2 Emprunt de canal sans verrouillage
3.2.3.3 Équilibrage de charge avec emprunt sélectif de canal
3.2.4 Équilibrage de charge basé sur le transfert de trafic
3.2.4.1 Nouvelle tentative directe
3.2.4.2 Algorithmes d’admission d’appels assistée par le mobile
3.2.4.3 Systèmes hiérarchiques de recouvrement cellulaire
3.2.4.4 Techniques de dimensionnement cellulaire
3.2.4.5 Méthode de biaisage de puissance pour l’extension de la couverture cellulaire dans HetNets
3.2.5 Approche optimale centralisée d’équilibrage de charge
3.2.6 Algorithmes pratiques et distribués pour l’équilibrage de charge
3.2.6.1 Optimisation avec assouplissement de contraintes, solution de décomposition double
3.2.6.2 Algorithmes heuristiques
3.2.7 Processus de décision de Markov
3.2.8 Approche basée sur la théorie de jeu
3.2.9 Géométrie stochastique
3.3 Transfert intercellulaire et gestion de mobilité dans HetNets
3.3.1 Classification des algorithmes de décision de transfert intercellulaire
3.3.1.1 Basée sur la RSS
3.3.1.2 Basée sur la vitesse du mobile
3.3.1.3 Basée sur l’exploitation d’une fonction coût
3.3.1.4 Basée sur la prise en compte de l’interférence
3.3.1.5 Basée sur l’efficacité énergétique
3.3.2 Différents algorithmes pour améliorer la performance du transfert intercellulaire
3.3.2.1 Optimisation de la procédure de transfert intercellulaire basée sur l’adaptation dynamique des paramètres
3.3.2.2 Contrôleur à logique floue
3.3.2.3 Gestion de la mobilité basée sur l’apprentissage
3.3.2.4 Gestion de la mobilité basée sur une méthode hybride
3.3.2.5 Gestion de la mobilité basée sur l’équité
3.4 Discussion et conclusion
CHAPITRE 4 NOUVELLES STRATÉGIES DE SÉLECTION DE CELLULE ET D’ÉQUILIBRAGE DE LA CHARGE DANS UN ENVIRONNEMENT HETNET
4.1 Introduction
4.2 Partie 1 : nouveaux algorithmes heuristiques pour une équitabilité de charge dans un réseau cellulaire hétérogène
4.2.1 Motivation et travaux connexes
4.2.2 Contribution principale et organisation
4.2.3 Modèle du système utilisé
4.2.4 Description et formulation du problème
4.2.5 Approche DCRE
4.2.5.1 Règle d’association d’utilisateur
4.2.5.2 Calcul la charge de la cellule
4.2.6 Approche FGBLE
4.2.6.1 Mesure du gain d’équité par l’utilisateur:
4.2.6.2 Mise à jour de l’association d’utilisateur:
4.2.7 Simulation et résultats
4.2.7.1 Scénario de simulation
4.2.7.2 Paramètres de simulation
4.2.7.3 Résultats sur la performance des techniques proposées
4.3 Partie 2 : Approche de biaisage optimal pour le rééquilibrage de charge en tenant compte de la QoS et de la gestion d’interférence dans HetNet
4.3.1 Motivation et travaux connexes
4.3.2 Contribution principale et organisation
4.3.3 Extension de la couverture de la cellule dans HetNet
4.3.3.1 Biaisage conventionel de puissance d’une petite cellule
4.3.3.2 Extension coordonnée de la couverture de la cellule
4.3.4 Modèle de biaisage proposé
4.3.4.1 Description et résumé de l’approche proposé
4.3.4.2 Algorithme CCREMM
4.3.4.3 Description de la fonction objective utilisée
4.3.4.4 Paramètres utiles pour la conception de la fonction objective combinée
4.3.4.5 Conception de la COF
4.3.4.6 Conception de la fonction d’utilité de l’utilisateur de la macrocellule
4.3.4.7 Calcul optimal du biais d’extension de la macrocellule
4.3.4.8 Conception de la fonction d’utilité de l’utilisateur de la picocellule
4.3.4.9 Calcul optimal du biais d’extension de la picocellule
4.3.5 Nouvelle approche de planification à débit maximal
4.3.6 Simulation et résultats
4.3.6.1 Scenario de simulation
4.3.6.2 Paramètres de simulation
4.3.6.3 Complexité de calcul du CCREMM
4.3.6.4 Évaluation de la performance du CCREMM pour différentes valeurs de αi,m et αi,p
4.3.6.5 Évaluation de la performance du CCREMM vs plusieurs solutions de CRE proposées dans littérature
4.3.6.6 Avantages et limites du modèle propose
4.4 Conclusion
CHAPITRE 5 APPROCHE INNOVATRICE DE TRANSFERT INTERCELLULAIRE: EXPLOITATION DE NOUVELLES FONCTIONS D’UTILITÉ
5.1 Introduction
5.1.1 Motivation et travaux connexes
5.1.2 Contribution principale et organisation
5.2 Modèle du système
5.3 Modèle proposé
5.3.1 Définition du problème rencontré dans le transfert intercellulaire
5.3.1.1 Procédure conventionnelle de transfert dans un réseau cellulaire
5.3.1.2 Procédure de transfert intercellulaire basée sur l’extension de la couverture cellulaire
5.3.2 Conception de la fonction objective combinée (COF)
5.3.3 Fonction d’utilité de l’utilisateur de la macrocellule (MUE) et biais optimal wˆ m de la macrocellule
5.3.4 Fonction d’utilité de l’utilisateur de la femtocellule (FUE) et biais optimal wˆ f de la femtocellule
5.3.5 Description de l’algorithme de transfert intercellulaire proposé
5.3.6 Analyse de la performance de l’algorithme proposé
5.4 Résultats de simulation
5.4.1 Scénario de simulation
5.4.2 Résultats numériques
5.5 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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