Coopération des réseaux de diffusion et cellulaires 

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Allocation de ressources et adaptation de lien

L’allocation de ressources en LTE s’effectue à la fois dans les dimensions temporelle et fréquentielle. Les ressources radio en voie descendante et voie montante se présentent sous la forme d’une grille temps-fréquence comme illustré sur la figure 1.6. La plus petite unité de ressource fréquentielle pouvant être allouée à un utilisateur par l’ordonnanceur au niveau de la station de base est un PRB. Les ressources s’allouent par paires de PRB, les PRBs d’une paire étant alloués dans deux slots consécutifs d’une même sous-trame. Rappelons que le nombre de PRBs dans la dimension fréquentielle dépend de la largeur de bande du canal de transmission comme indiqué dans le tableau 1.6. En fonction de la complexité utilisée dans l’ordonnanceur et des informations de canal disponibles, l’OFDMA permet d’allouer les PRBs disponibles aux utilisateurs de plusieurs façons. Par exemple, l’allocation d’une large bande passante pour un utilisateur permet d’augmenter la diversité spectrale, tandis qu’une allocation fine des PRBs, basée sur la qualité du lien radio, permet d’exploiter la diversité multi-utilisateurs afin de maximiser les débits fournis. Le niveau de protection apporté à l’information transmise dan un canal radio est déterminé par une modulation et un rendement de codage (Code Rate) qui constituent un schéma de modulation et de codage, désigné sous le nom de MCS (Modulation and Coding Scheme). Plus l’efficacité spectrale des données transmises est haute et plus la protection des bits est faible, donc plus la qualité du lien radio doit être bonne pour assurer une bonne réception des données. L’adaptation de lien consiste à adapter le débit instantané de la transmission à la qualité du lien radio. Ceci revient à décider du schéma de modulation et de codage MCS à allouer à l’utilisateur pour chaque transmission, aussi bien en voie montante qu’en voie descendante. Cette opé- ration est effectuée par l’ordonnanceur, et à chaque sous-trame durant laquelle l’utilisateur est servi [13].

Une composante de diffusion dans les réseaux cellulaires

Traditionnellement, les réseaux cellulaires ont été pensés et optimisés pour la transmission en mode unicast de services destinés à un seul utilisateur. Cependant, lorsqu’il s’agit de diffuser des services multimédias mobiles, comme la télévision mobile à de nombreux utilisateurs, un mode de transmission broadcast est plus approprié. Ainsi, face à la popularité des services multimédias au sein des réseaux cellulaires, le 3GPP a décidé d’introduire une composante de diffusion dans les réseaux cellulaires.

Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS)

Le MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) est une fonctionnalité qui définit une composante de diffusion dans les réseaux cellulaires permettant d’optimiser la transmission des services multimédias mobiles et populaires comme la télévision mobile à tous Systèmes d’accès radio pour la diffusion de services multimédias sur appareils mobiles 29 les utilisateurs. Les spécifications techniques du MBMS ont été introduites pour la première fois dans les réseaux 3G avec la Release 6 de l’UMTS. Par rapport aux technologies de diffusion mobiles DVB-H, DMB et ISDB (voir section 1.3.1), le MBMS offre des avantages certains :
— La possibilité d’utiliser la même infrastructure réseau et les mêmes ressources spectrales pour la transmission des services en unicast et broadcast (multicast).
— L’interaction avec l’utilisateur par voie de retour.
Ainsi, le MBMS permet d’absorber certains pics de trafic sur des services multimédias mobiles populaires ; cependant, les débits très bas (entre 32 et 64 kbps) offerts par cette fonctionnalité ne permettent pas de garantir une bonne qualité de service pour des applications de type télévision sur mobiles.

eMBMS : une version améliorée du MBMS

L’eMBMS (enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service), défini dans les Releases 8 et 9 du système LTE, est une évolution de la composante de diffusion MBMS. La grande nouveauté de l’eMBMS et la plus importante est l’utilisation des réseaux de diffusion à fréquence unique MBSFN (Multicast Broadcast Single Frequency Network), ce qui permet d’améliorer les performances de la composante de diffusion en termes de qualité de la couverture ré- seau, d’efficacité spectrale et énergétique. En effet, dans un réseau MBSFN, plusieurs émetteurs sont synchronisés en temps et transmettent, sur la même fréquence, les mêmes informations à tous les utilisateurs. Ces émetteurs forment ainsi une zone dite MBSFN. La norme LTE définit un maximum de 256 zones MBSFN dans un réseau cellulaire. De plus, un émetteur peut appartenir à plusieurs zones MBSFN. Les signaux résultants des différents émetteurs sont combinés de manière constructive pour améliorer la qualité du signal en ré- ception. En outre, les avantages des réseaux MBSFN sont :
— L’augmentation de la qualité du signal reçu, surtout en bordure de couverture d’un émetteur.
— La réduction des interférences entre les cellules voisines.
— L’exploitation des signaux multi-trajets qui offre une diversité supplémentaire contre les effets d’évanouissement du canal de transmission.
Rappelons que dans les systèmes basés sur l’OFDM, un préfixe cycle est inséré en en-tête de chaque symbole OFDM afin d’éviter que la partie utile de chaque symbole OFDM ne soit affectée par l’interférence entre symboles et ainsi préserver l’orthogonalité entre les sousporteuses. La durée de ce préfixe cyclique joue un rôle important dans le dimensionnement des zones MBSFN. Le système LTE prévoit deux types de préfixe cyclique : normal et étendu. Le tableau 1.7 présente ces différents types et configurations de préfixe cyclique ainsi que le nombre de symboles OFDM par sous-trame et l’espacement entre les sous-porteuses OFDM pour chaque sous-trame de la norme LTE. 

Services multimédias mobiles : une tendance forte

Mode de consommation des services multimédias

L’évolution permanente des technologies de transmission sans fil associée à la forte pé- nétration des appareils mobiles intelligents comme les smartphones et tablettes ont stimulé le besoin, chez les utilisateurs, d’être tout le temps connectés. Cette connectivité se traduit par l’évolution des usages et services comme la consommation de contenus multimédias avec les appareils mobiles. Aujourd’hui, la consommation de ces contenus multimédias sous forme de service repré- sente une proportion importante du trafic de données mobiles dans les réseaux cellulaires. En effet, les prévisions concernant l’évolution de ce trafic sont annoncées comme exponentielle avec une multiplication du trafic par dix chaque année de 2015 à 2020 [1]. Par ailleurs, comme illustré sur la Figure 1.8, 70 % de ce trafic sera constitué de contenus de type vidéo. Par exemple, sur la base d’un sondage sur la consommation de vidéos réalisé en 2012 au Royaume-Uni [2], plus de la moitié des personnes interrogées ont déclaré regarder des vidéos sur un appareil mobile de type smartphone ou tablette. La moitié des utilisateurs de smartphones et tablettes préfère regarder ces vidéos en direct et l’autre moitié déclare consommer ces vidéos à la demande en différé.
Le principal moteur de la croissance de ce trafic est en effet lié à la consommation de contenus vidéo sur les appareils mobiles et à la popularité croissante de ces services multimédias. Ces contenus vidéo sont donc souvent consommés immédiatement de façon linéaire (en direct) ou non (en différé) par de nombreux utilisateurs connectés aux réseaux cellulaires.
Traditionnellement, les réseaux cellulaires utilisent un mode de transmission point-à- point (unicast) dédié à la transmission de données individualisées. Face à l’augmentation des utilisateurs mobiles et à la popularité croissante des services multimédias, l’utilisation du mode de transmission unicast risque de conduire à un engorgement rapide des réseaux cellulaires au détriment de la qualité de service rendu.
Dans l’objectif de répondre aux besoins de capacité liés à l’augmentation du trafic de données dans les réseaux mobiles et à la coexistence des différentes générations de technologies de réseaux mobiles, le dividende numérique a été attribué aux opérateurs de réseaux mobiles comme mentionné à la section 1.1.3.
Cependant, même dopés avec de nouvelles ressources spectrales, les gains de performances et d’efficacité des nouveaux réseaux de télécommunication mobiles 4G resteront en décalage avec cette demande.

Vers la coopération des réseaux cellulaires et des réseaux de diffusion

Historiquement la distribution de ces services multimédias, en particulier les services de télévision, est souvent associée aux réseaux de diffusion. Cependant, grâce à la forte pénétration des appareils mobiles et aux avancées technologiques, ces services multimédias sont de plus en plus consommés sur les appareils mobiles connectés aux réseaux cellulaires. Cette nouvelle tendance de consommation des services multimédias risque de générer un engorgement rapide des réseaux cellulaires face à la popularité croissante de ces services. Ainsi pour faire face à cette explosion de trafic au sein des réseaux cellulaires, le déploiement des réseaux hybrides et hétérogènes est nécessaire voire même obligatoire.
De telles approches existent déjà avec le rapprochement des réseaux cellulaires 3GPP et des réseaux IEEE WiFi pour décharger une partie du trafic des réseaux cellulaires vers les réseaux WiFi domestiques ou publics. Ces approches hybrides peuvent être complétées par une composante de diffusion qui est plus adaptée pour des services destinés à un grand nombre d’utilisateurs. En outre, avec l’introduction de l’eMBMS dans les réseaux cellulaires présenté à la section 1.3.4, il est naturel d’envisager le rapprochement des réseaux cellulaires et des réseaux de diffusion afin d’offrir des services multimédias riches et de qualité aux utilisateurs basés sur des méthodes de transmission efficaces et optimisées. Cette coopération ouvre ainsi des perspectives de services à valeur ajoutée pour l’utilisateur et de nouvelles sources de revenus pour les opérateurs.

Intérêt de la coopération des réseaux de diffusion et cellulaires

Prenons l’exemple de la diffusion d’un service de télévision mobile. Cette diffusion met en relation trois entités :
— L’éditeur des contenus ou fournisseur de services.
— L’opérateur du réseau de distribution des contenus de l’éditeur.
— Les utilisateurs qui consomment les contenus de l’éditeur avec leurs appareils mobiles connectés au réseau de distribution.
Le choix du réseau de distribution revient au fournisseur de service. Pour acheminer ses contenus, le fournisseur de service peut faire appel soit à un opérateur de réseau de diffusion ou soit à un opérateur de réseau cellulaire.
D’une part, lorsque le choix du réseau de distribution s’est porté sur un réseau cellulaire le coût de la distribution du service est supporté par les utilisateurs. Cependant dans le cas de la diffusion de contenus populaires, (c’est-à-dire lorsque le nombre d’utilisateurs devient important) tels que la transmission de la finale d’une compétition sportive par exemple, le réseau cellulaire doit faire face à des pics de trafic qui se traduisent par une dégradation de la qualité de service et de la qualité d’expérience des utilisateurs. Pour maintenir une bonne qualité de service pour tous les utilisateurs, l’opérateur de réseaux cellulaires doit augmenter les ressources utilisées. Par conséquent, le coût de distribution augmente avec la popularité du service.
D’autre part, lorsque le choix du réseau de distribution s’est porté sur un réseau de diffusion le coût de la distribution du service est supporté par le fournisseur de service. Dans ce cas, le coût de distribution ne dépend pas du nombre d’utilisateurs. Cependant, ce coût peut être relativement élevé à cause du dimensionnement des réseaux de diffusion qui est généralement réalisé en considérant le pire des cas possibles afin de garantir la même qualité de service pour tous les utilisateurs. Enfin, la diffusion de services multimédias mobiles comme la télévision mobile peut être très coûteux en fonction de la popularité des contenus du fournisseur de services et du choix du réseau de distribution utilisé.
Dans de telles situations, l’exploitation de la complémentarité des réseaux cellulaires et de diffusion permettrait d’assurer une bonne qualité de service et d’expérience à tous les utilisateurs tout en réduisant le coût de distribution du service. Dans une approche coopérative par exemple, comme illustré sur la figure 2.1 les contenus très demandés seraient acheminés par le réseau de diffusion tandis que les contenus peu demandés seraient diffusés par le réseau cellulaire. En effet, de nombreuses études (par exemple [34, 35, 36, 37]) ont montré, qu’un mode de transmission de type broadcast (multicast) restait compétitif techniquement et économiquement pour l’acheminement des contenus les plus fréquemment demandés, ceci à partir d’une architecture de réseau de diffusion existante ou hybridée avec une architecture de réseau cellulaire. Ces études ont également montré que la coopération des réseaux cellulaires et de diffusion présente de nombreux avantages aussi bien pour les opérateurs de réseaux de diffusion que pour les opérateurs de réseaux cellulaires.
Parmi ces avantages, nous pouvons citer par exemple la possibilité pour les opérateurs de réseaux cellulaires :
— De bénéficier de la couverture très large des réseaux de diffusion avec un très haut dé- bit permettant de réduire les phénomènes de handovers (mécanisme de changement de cellule).
— D’utiliser les ressources spectrales de manière efficace.
— De délester une partie du trafic de données multimédias vers les réseaux de diffusion, souvent désigné sous le terme de data offloading.
Et, pour les opérateurs de réseaux de diffusion :
— D’utiliser la voie de retour des réseaux cellulaires, indispensable pour offrir des services interactifs et personnalisés.
— De compléter la couverture du service en utilisant les sites des réseaux cellulaires pour une réception à l’intérieur des bâtiments.

Analyse et synthèse des scénarios de coopération

Composantes clés des scénarios de coopération

Les principaux scénarios de coopération identifiés dans les différents groupes de ré- flexion peuvent être décrits et classés à l’aide de cinq composantes clés que nous introduisons dans cette section.
❖ Service
Les services multimédias peuvent être regroupés en deux catégories de services : les services linéaires et non-linéaire.
— Les services linéaires font références aux services de télévision et radio traditionnelles que les utilisateurs reçoivent passivement. En effet pour ces types de services, l’instant de diffusion des contenus est prédéterminé par le fournisseur de service. Les utilisateurs sont donc contraints de consommer immédiatement les contenus diffusés.
— Les services non-linéaires sont caractérisés par les contenus que les utilisateurs choisissent de consulter à la demande. Ces contenus peuvent être personnalisés et les utilisateurs peuvent également choisir l’instant de consommation de ces services.
❖ Mode de transmission
Le mode de transmission détermine la manière dont les contenus des services sont transmis aux utilisateurs. Il existe deux modes de transmission pour la diffusion des services multimédias mobiles : unicast ou broadcast (multicast).
— Le mode unicast offre un accès individuel, point-à-point, aux contenus des services proposés. Ce mode de transmission est bien adapté pour des contenus personnalisés. En contrepartie, le besoin en termes de ressources spectrales augmente en fonction du nombre d’utilisateurs à servir.
— Le mode broadcast (multicast) offre un accès aux mêmes contenus du service à tous les utilisateurs, broadcast, ou à un groupe d’utilisateurs, multicast. L’avantage de ce mode de transmission est l’économie des ressources spectrales utilisées pour la transmission des contenus du service. En effet, la quantité de ressources nécessaire pour la transmission du service ne dépend pas du nombre d’utilisateurs à servir. Cependant, ce mode de transmission n’est pas adapté pour des contenus personnalisés.
❖ Technologie
La technologie fait référence à la norme de transmission utilisée pour la diffusion des service multimédias mobiles. Chaque norme de transmission utilise au moins un des modes de transmission unicast ou broadcast (multicast). À titre d’exemple, les normes de diffusion DVB utilisent uniquement le mode broadcast (DVB-T2) tandis que la norme LTE (Long Term Evolution) propose les deux modes de transmission unicast avec la technologie LTE ou broadcast (multicast) avec la composante de diffusion eMBMS (enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service).
❖ Infrastructure de réseau
L’infrastructure de réseau est caractérisée par la topologie des sites de transmission (hauteur des sites, antennes, puissance d’émission, etc.) utilisée pour la transmission des contenus des services multimédias. De manière générale, les réseaux de diffusion sont basés sur une infrastructure de réseau composée de sites hauts qui émettent avec des puissances de transmission assez élevées. Ce type d’infrastructure est souvent dé- signé par le terme de High Power High Tower (HPHT). Contrairement aux réseaux de diffusion, les réseaux cellulaires sont basés sur une infrastructure de type Low Power Low Tower (LPLT), c’est-à-dire une topologie de réseau composée de sites bas à faible puissance d’émission.
❖ Ressource spectrale
Il s’agit des ressources spectrales nécessaires pour la transmission des services multimédias. Rappelons que dans le contexte d’attribution des dividendes numériques, le spectre UHF est utilisé comme ressource par les différents scénarios de coopération issus des différents groupes de réflexion.

Table des matières

Introduction
1 Réseaux de distribution des services multimédias mobiles 
1.1 Histoire et évolution des réseaux de diffusion
1.1.1 La télévision analogique terrestre
1.1.2 La télévision numérique terrestre
1.1.3 Dividende numérique : attribution des bandes des 700 MHz et des 800 MHz .
1.1.4 FoBTV/ATSC 3.0 : vers un système de diffusion mondial
1.2 Histoire et évolution des réseaux cellulaires
1.2.1 La première génération de réseaux mobiles
1.2.2 La deuxième génération de réseaux mobiles
1.2.3 La troisième génération de réseaux mobiles
1.2.4 La quatrième génération de réseaux mobiles
1.2.5 Vers la cinquième génération de réseaux mobiles
1.3 Systèmes d’accès radio pour la diffusion de services multimédias sur appareils mobiles
1.3.1 Aperçu des normes de diffusion mobiles
1.3.2 Aperçu de la couche physique DVB-T2
1.3.3 Aperçu de la couche physique LTE
1.3.4 Une composante de diffusion dans les réseaux cellulaires
1.3.5 Analyse comparative des réseaux cellulaires et de diffusion
1.4 Services multimédias mobiles : une tendance forte
1.4.1 Mode de consommation des services multimédias
1.4.2 Vers la coopération des réseaux cellulaires et des réseaux de diffusion
2 Coopération des réseaux de diffusion et cellulaires 
2.1 Intérêt de la coopération des réseaux de diffusion et cellulaires
2.2 Analyse et synthèse des scénarios de coopération
2.2.1 Composantes clés des scénarios de coopération
2.2.2 Analyse des scénarios des scénarios de coopération
2.2.3 Synthèse des scénarios de coopération
2.3 État de la recherche sur la coopération des réseaux
2.4 Positionnement de la thèse
3 Modélisation du réseau hybride pour la diffusion de services linéaires 
3.1 Définition et modélisation du réseau hybride
3.1.1 Hypothèses
3.1.2 Modélisation de la composante de diffusion
3.1.3 Modélisation de la composante cellulaire
3.1.4 Métriques de performance
3.2 Simulation du réseau hybride
3.2.1 Environnement de simulation du réseau hybride
3.2.2 Résultats de simulation du réseau hybride
4 Optimisation de la capacité pour la diffusion de services linéaires 
4.1 Présentation du problème (P1)
4.2 Résolution analytique du problème (P1)
4.2.1 Résolution du problème d’optimisation sans contrainte
4.2.2 Prise en compte de la contrainte du taux d’accès moyen au service
4.3 Évaluations des performances du réseau hybride
4.3.1 Paramètres de configuration de la simulation
4.3.2 Résultats des simulations
5 Optimisation énergétique pour la diffusion de services linéaires 
5.1 (P2) : Optimisation de la puissance consommée du réseau hybride
5.1.1 Présentation du problème (P2)
5.1.2 Résolution analytique du problème (P2)
5.1.3 Évaluation numérique de l’approche d’optimisation
5.2 (P3) : Optimisation de l’efficacité énergétique du réseau hybride
5.2.1 Présentation du problème (P3)
5.2.2 Résolution analytique du problème (P3)
5.2.3 Évaluation numérique de l’approche d’optimisation
6 Extension du modèle pour la diffusion de services non-linéaires 
6.1 Structure globale du modèle de réseau hybride
6.1.1 Éditeur de contenus
6.1.2 Réseau de distribution des contenus
6.1.3 Utilisateurs
6.2 Modélisation analytique des services non linéaires
6.2.1 Contenus multimédias d’un service non linéaire
6.2.2 Réseau de distribution
6.3 Exemple de diffusion d’un service non linéaire
6.3.1 Paramètres de simulation du réseau hybride
6.3.2 Résultats de simulation
Conclusion et perspectives 
A Preuve des propositions
A.1 Preuve de la proposition 5
A.2 Preuve des propositions 6 et 8
A.3 Preuve de la proposition 7
Liste des acronymes et abréviations 
Bibliographie 

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