Evolution historique des communications sans fil

Evolution historique des communications sans fil 

Une nouvelle génération de système cellulaire apparaît tous les 10 ans environ, la dernière génération (4G) étant introduite en 2011. Suite à cette tendance, le système cellulaire 5G devrait être normalisé et déployé au début des années 2020 [3]. La normalisation des nouvelles interfaces aériennes pour 5G a pris de l’ampleur après la réunion du Secteur de l’UIT-R (Union internationale des télécommunications Secteur Radiocommunication) lors du WRC (World Radiocommunication Conference) qui s’est tenu en 2015. Le tableau 1.01 résume l’année de déploiement ainsi que les exigences IMT (International Mobile Telecommunications) pour le pic et la moyenne de débit de données pour différentes générations du système cellulaire [3]. Bien que les exigences IMT pour 5G sont encore à définir, le consensus commun des chercheurs universitaires et de l’industrie est qu’en principe, il devrait offrir une expérience de fibre optique pour l’Internet mobile avec des taux de pointe jusqu’à 10 Gbps dans des conditions statiques/très peu de mobilité, et de 1 Gbps pour les utilisateurs très mobiles/bord de la cellule (avec des vitesses> 300 km/h). La latence de temps d’aller-retour du système 4G (LTE/LTE-A) à la pointe de la technologie est d’environ 20 ms, ce qui devrait diminuer à moins de 1 ms pour 5G [3].

Les standards mondiaux sont une pierre angulaire pour atteindre une connectivité omniprésente, assurer l’interopérabilité à l’échelle mondiale, permettre l’harmonisation entre plusieurs fournisseurs et les économies d’échelle. L’UIT-R est responsable de la définition des spécifications IMT pour les systèmes cellulaires de la prochaine génération. Ayant défini deux spécifications précédentes (IMT-2000 pour 3G et IMT-Advanced pour 4G), elle a déjà commencé à définir des spécifications pour 5G, qui devrait être achevée très prochainement. L’UIT-R organise les WRC tous les trois ou quatre ans pour examiner et réviser les règlements de la radio. L’attribution d’un nouveau spectre pour les communications mobiles était déjà à l’ordre du jour lors du WRC qui s’est tenu en novembre 2015. Avant 1G (<1981) : Toutes les communications sans fil étaient basées sur la voix et utilisaient des systèmes analogiques avec modulation SSB (Single Side Band). Pour comprendre où nous voulons être en termes de 5G, il est utile d’apprécier où tout a commencé et de marquer où nous sommes maintenant. Voici une feuille de route de l’évolution vers les communications 5G. [4]

Evolution de la technologie LTE au-delà de 4G

Ouvrant la voie à 5G implique à la fois évolution et révolution du système de conception. Bien que des RAT (Radio Access Technologies) perturbateurs soient nécessaires pour fournir une étape vers le niveau suivant de la capacité de performance, nous devons également améliorer les RAT existants. À cet égard, nous devons améliorer encore le système LTE à B4G. Tout d’abord ciblant les exigences IMT-Advanced, la norme LTE R-8 était incapable de satisfaire aux exigences de la liaison descendante (bien qu’elle puisse répondre à toutes les exigences en direction de la liaison montante) avec un seul élément d’antenne à l’UE et quatre antennes de réception au niveau eNodeB (evolved Node B) [5]. En revanche, LTE-A est une véritable technologie 4G (répondant à toutes les exigences IMTAdvanced), nécessitant au moins deux éléments d’antenne à l’UE. En tant que tel, il a été accepté comme IMT-Advanced 4G technologie en Novembre 2010. La figure 1.01 illustre l’évolution de la norme LTE par le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) vers le B4G (Beyond 4G). Les innovations de cette feuille de route comprennent notamment l’amélioration de la SE (Spectrum Efficiency) et de la capacité de la zone tout en réduisant le coût opérationnel du réseau pour garantir un coût marginal fixe pour les opérateurs. Enfin, le Tableau 1.04 résume les principales caractéristiques des différentes versions de LTE de R-8 à R-13, la dernière révélée en décembre 2013 [5].

Vision des services 5G

L’Internet of Things
5G fera de l’IOT une réalité. En 5G, un dispositif sera capable de maintenir la connectivité du réseau indépendamment de l’heure et de l’emplacement, et relier tous les dispositifs sans intervention humaine. Pour ce faire, il est prévu que 5G fournira un soutien pour un million de connexions simultanées par kilomètre carré, permettant une variété de services M2M (Machine to Machine), y compris la mesure sans fil, paiement mobile, smart grid, maison connectée, smart home, smart transport, remise en forme/soins de santé, magasin intelligent, bureau intelligent et voiture connectée. Les appareils intelligents communiquent de façon autonome et s’échangent librement les uns avec les autres en arrière-plan [7].

Expérience multimédia immersive
En 5G, les utilisateurs profiteront d’un streaming multimédia réaliste en tout temps et n’importe où. Actuellement, les services UHD (Ultra Haute Définition) sont déjà standardisés dans certains pays. Certains smartphones sur le marché sont maintenant équipés d’une caméra qui peut enregistrer avec une vidéo 4K UHD. On s’attend à ce que les services UHD soient intégrés d’ici 2020. D’autres exemples sont VR et AR [7].

Tout sur le Cloud
5G offrira une expérience de bureau basée sur le cloud computing pour les utilisateurs. Tout est stocké et traité sur le nuage et accédé immédiatement avec une faible latence. Par exemple, lorsque vous faites vos achats, l’appareil intelligent peut vous informer de l’arrivée d’un nouveau manteau que vous pourriez aimer ou il vous permettra de savoir si le manteau dans le nouvel inventaire correspond à votre goût en fonction de votre historique d’achat. Cette notification peut être déclenchée lorsque vous entrez dans un magasin [7].

Accès à distance intuitif
Dans l’environnement 5G, les utilisateurs pourront contrôler des machines distantes (machines industrielles lourdes) et des appareils et accéder à des sites dangereux à distance, comme s’ils étaient justes devant eux, même à des milliers de kilomètres [7].

Caractéristiques du réseau 5G 

En 3G et 4G, les améliorations du taux de pointe et de l’efficacité spectrale sont les principaux objectifs. 5G vise à accroître l’efficacité d’un réseau basé sur l’une des architectures les plus utiles à faible coût appelé le dense HetNet. Il s’agit de satisfaire toutes les exigences des industries et de fournir une connectivité cohérente. Dans 5G, l’architecture de HetNet sera telle qu’un ensemble divers de bandes de fréquence sera incorporé. Cette gamme de bandes de fréquences comprend des macro-cellules dans une bande autorisée telle que LTE et des petites cellules dans une bande sous licence ou non autorisée telle que Wi-Fi. Une autre possibilité consiste à utiliser un spectre de fréquences plus élevées tel que les ondes millimétriques dans de petites cellules, ce qui fournira des services de débit de données ultra-élevé [7] [9].

Architecture de 5G

5G sera un système véritablement convergent prenant en charge un large éventail d’applications, de la téléphonie mobile et de l’Internet mobile multi-Gbps à la D2D et V2X (Vehicle-to-X ; X signifie communications de véhicule (V2V) ou Infrastructure (V2I)), ainsi que le support natif des applications MTC (Machine Type Communication) et de sécurité publique. 3D-MIMO sera incorporé aux BSs pour améliorer encore le débit de données et la capacité au niveau des macrocellules. Les performances du système en termes de couverture, de capacité et d’EE (Efficacité énergétique) seront encore améliorées dans les points morts et chauds en utilisant des relais, des déploiements de cellules hyperdenses ou le déchargement Wi-Fi ; les liens des ondes millimétriques directionnels seront exploités pour le backhauling du relais et/ou des BSs de petite cellule [2] [7]. Les communications D2D seront assistées par les macro-BSs, fournissant le plan de contrôle. Le réseau intelligent est une autre application intéressante envisagée pour le 5G, permettant au réseau électrique de fonctionner de manière plus fiable et plus efficace. Le cloud computing peut être appliqué au RAN et, au-delà, aux utilisateurs mobiles qui peuvent former un pool virtuel de ressources à gérer par le réseau. Le rapprochement des applications à travers le nuage vers l’utilisateur final réduit la latence de communication pour prendre en charge les applications de contrôle en temps réel sensible au retard [7].

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 EVOLUTION VERS LE RESEAU 5G
1.1 Introduction
1.2 Evolution historique des communications sans fil
1.3 Evolution de la technologie LTE au-delà de 4G
1.4 L’aube de l’ère 5G
1.5 Vision des services 5G
1.5.1 L’Internet of Things
1.5.2 Expérience multimédia immersive
1.5.3 Tout sur le Cloud
1.5.4 Accès à distance intuitif
1.6 Exigences 5G
1.6.1 Débit de données de bord de cellule et pic de débit de données
1.6.2 Latence
1.6.3 Connexion simultanée
1.6.4 Efficacité des coûts
1.6.5 Mobilité
1.6.6 Efficacité spectrale cellulaire
1.7 Technologies habilitantes en termes d’exigences 5G
1.8 Caractéristiques du réseau 5G
1.9 Architecture de 5G
1.10 Applications pour 5G
1.11 Conclusion
CHAPITRE 2 GESTION DYNAMIQUE D’ALLOCATION DE RESSOURCES RADIO POUR LES NOUVELLES GENERATIONS DE COMMUNICATION SANS FIL
2.1 Introduction
2.1.1 Définition
2.1.2 Les scenarios possibles pour le déploiement d’un système d’agrégation de porteuses
2.1.3 Techniques d’agrégation de porteuses
2.2 Les fonctions d’utilité des applications utilisateurs
2.3 Modèles d’allocation de ressources pour les réseaux cellulaires de nouvelle génération
2.3.1 Allocation de ressources via l’Equité Max-Min ou Max-Min Fairness
2.3.2 Allocation de ressources via l’Equité proportionnel ou Proportionnal Fairness
Algorithme de Frank Kelly
Allocation de ressources via la fonction d’équité proportionnelle utilitaire avec agrégation de porteuses
2.4 Allocation de spectre entre différentes classes d’utilisateurs dans les réseaux cellulaires
2.4.1 Formulation du problème de partage de spectre
2.4.2 Optimisation du partage de spectre
Premier cas
Deuxième cas
2.4.3 Proposition d’une solution globale optimale pour le deuxième cas
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 MODELISATION D’UN SYSTEME D’ALLOCATION DE RESSOURCES RADIO D’UN RESEAU UNICELLULAIRE VIA LA DISCRIMINATION D’UTILISATEURS
3.1 Introduction
3.1.1 Formulation du problème
3.1.2 Problème d’optimisation d’allocation de ressources
3.1.3 Problèmes d’optimisation d’allocation de ressources pour les utilisateurs multi-applications
Premier cas : quand le débit d’application requis est supérieur ou égale à R
Deuxième cas : quand le débit d’application requis est inférieur à R
3.1.4 Algorithmes d’allocation de ressources avec discrimination d’utilisateur et résultats de simulations
Algorithmes d’allocation de ressources avec discrimination d’utilisateur
Convergence dynamiques pour différente valeurs de R
Sensibilité d’allocation de débits aux changements de ∝
Sensibilité du Shadow price aux changements liés aux nombres d’UEs
3.2 Conclusion
CHAPITRE 4 MODELISATION ET SIMULATION D’UN SYSTEME D’ALLOCATION DE RESSOURCES RADIO COMBINANT L’AGREGATION DE PORTEUSES ET LA DISCRIMINATION DES UTILISATEURS
4.1 Introduction
4.2 Problème d’un système multi-porteur
4.3 Méthode de groupement des utilisateurs
4.4 Problème d’optimisation d’allocation de ressources multi-porteuses avec discrimination d’utilisateur et d’agrégation de porteuses
4.5 Proposition d’algorithme d’optimisation d’allocation de ressources multi-porteuses
4.6 Résultats de simulations
4.6.1 Débits alloués par le porteur 1
4.6.2 Débits alloués par le porteur 2 et les débits totaux agrégés
4.6.3 Analyse des Shadow price pour le porteur 1 et porteur 2
4.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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