Modèle d’interférence et débit dans un réseau hétérogène

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Réseaux 2G

La deuxième génération des réseaux cellulaires est elle aussi marquée par des systèmes ayant été définis et déployés à travers le monde tel que le GSM (Global System for Mobile Communications) en Europe, le PDC (Personal Digital Cellular) au Japon et l’IS-95 (Interim Standard 95) aux Etats-Unis. A part le service de voix téléphonique, le 2G offre le service de messagerie courte ou SMS – Short Message Service et le transfert de donnée à très faible débit.
Les réseaux 2G ont profité de l’intégration du numérique dans les systèmes de communication mobile afin d’augmenter la capacité du réseau et le débit de transfert des données.
L’adoption des techniques de codage et de modulation numérique s’est accompagnée de l’utilisation des techniques d’accès AMRF et AMRT – Accès Multiple à Répartition de Temps qui a accru considérablement l’efficacité spectrale du système [2] [3] [4].
Parmi les trois systèmes, le GSM est celui qui a rencontré le plus large succès.

Réseau E-UTRAN

L’E-UTRAN ou Enhanced Universal Terrestrial Radio Access Network représente le réseau d’accès radio du LTE, qui est en liaison directe avec le coeur du réseau grâce aux interfaces de connexion S1 et X2. Il ne comprend que l’eNodeB contrairement à celui des générations précédentes.
Les systèmes 2G et 3G disposaient d’un contrôleur de station de base (Base Station Controller-BSC pour la 2G ; Radio Network Controller-RNC pour la 3G) [7] [9].
L’E-UTRAN prend en charge toutes les fonctionnalités reliées à la communication entre le réseau et l’UE [8]. Les principales fonctions de cette partie du réseau regroupent :
 La gestion des ressources radio qui couvre toutes les fonctions logiques de la radio telles que le contrôle de l’admission radio, le contrôle de la mobilité, l’ordonnancement et l’allocation dynamique des ressources pour les UEs en liaison montante et descendante.
 La compression d’entête qui effectue une compression des paquets IP pour en diminuer la taille.
 La sécurisation de la transmission en chiffrant les données.
 La connectivité en permanence avec le réseau coeur qui consiste à l’échange de signalisation entre l’E-UTRAN et le coeur et l’établissement de connexion avec le S-GW.

Interface S1 et X2

L’E-UTRAN se sert de l’interface S1 pour assurer la connexion entre lui et le réseau coeur. Le MME envoie à travers l’interface S1 toutes les signalisations, informations de contrôle, et les notifications du réseau tandis que le S-GW partage les données de chaque utilisateur via cette même interface [3] [8] [9].
X2 interconnecte deux eNodeB voisins. La principale fonction de X2 est l’acheminement des données d’un handover d’une cellule à l’autre. X2 se présente alors comme une optimisation de l’handover sur S1. Grâce à cette interface, la coupure de communication est réduite puisque les échanges entre cellule d’origine et visitée sont plus rapides.
Les données ne convergent plus vers le réseau coeur pour être traitées et analysées, les eNodeBs prennent en charge directement ces données de handover. Généralement, l’interface X2 n’a pas d’existence physique. S1 et X2 partagent le même support physique mais la différence c’est que les trafics X2 n’arrivent pas au réseau coeur.

Canaux de l’interface air

Le système LTE utilise le concept de canal afin d’identifier les types des données transportées sur l’interface radio, les caractéristiques de qualité de service associées, ainsi que les paramètres physiques liés à la transmission. Ces canaux sont des composantes de l’architecture du système et sont donc à distinguer du canal de transmission (qui capture les effets de la propagation radio) et du canal fréquentiel (ou porteuse).
Il existe trois classes de canaux, selon les couches du modèle OSI auxquelles ils sont attachés.
 Les canaux logiques, qui opèrent entre les couches RLC et MAC et sont définis selon le type d’information qu’ils transportent (par exemple : signalisation du plan de contrôle ou données du plan usager).
 Les canaux de transport, qui opèrent entre la couche MAC et la couche physique et sont définis par la manière et les caractéristiques selon lesquelles les données sont transportées par l’interface radio (par exemple la méthode d’accès aux ressources radio).
 Les canaux physiques qui sont utilisés par la couche physique et sont définis par les caractéristiques physiques de leur transmission (par exemple leur placement dans la trame).

Gestion Interférence coordonnée

Les mobiles présents dans une cellule reçoivent tous les signaux provenant des cellules voisines en plus de celui de la cellule serveuse [15] [16] [17] Ces signaux sont considérés par le mobile comme des interférences. Plus il y a interférence, plus le signal utile se dégrade. La qualité du signal provenant de la cellule serveuse se mesure par le rapport entre le signal utile et les interférences et bruits sont calcules note SINR ou Signal to Interference and Noise Ratio. ????= ????????? ?? ?????? ?????????????? ??? ?????????????+????????? ?? ????? (1.01).

Noeuds de démarcation

Les noeuds de démarcation sont des noeuds du réseau de transport délimitant la partie accès, la partie agrégation et la partie réseau dorsale. Ces points du réseau sont très souvent doublés puisqu’ils représentent un point de disfonctionnement (Single Point of Failure en anglais) qui peut causer l’indisponibilité totale d’une partie du réseau [19].

Les technologies de transport

Les technologies de transport déployées dans le backhaul network se diffèrent à chaque génération de réseau mobile. L’évolution du réseau qui a pris racine dans la nécessitée permanente de capacité, de débit, de ressource spectrale, mais aussi dans les évolutions des services de télécommunication.

Modèle OSI

Dans le domaine réseau, dans tous les cas de figure de transport, les alternatives se présentent toujours par couche. Ces couches se réfèrent directement ou approximativement au modèle développé au début pour le transport de donnée.
Le modèle OSI ou Open System Interworking a été développé pour définir comment les données circulent elles dans un système ouvert. Il est surtout utilise pour faire abstraction entre la télécommunication et les systèmes communiquant [2].

Routage IP dans un réseau de collecte

Le 3GPP ne définit pas les protocoles de routage utilisés dans un réseau. Un hôte IP, par exemple un BTS, peut avoir un routage statique c’est-à-dire qu’il est configuré pour acheminer ses paquets vers un noeud (default gateway) ou un routage dynamique en se servant du protocole de routage implémenté [18] [20].
Pour les systèmes 3GPP non LTE, tous les trafics de la partie accès est dirigé vers les contrôleurs: BSC ou RNC. La topologie logique du réseau est alors le hub and spoke [19]. Les trafics sont concentrés sur un noeud avant d’être expédiés vers le réseau coeur ou le réseau dorsal. Cette architecture logique n’offre qu’une seule route vers les concentrateurs (BSC ou RNC).
Pour le LTE et LTE-Advanced, l’acheminement des trafics entre les eNodeBs voisins se fait par l’interface X2. Si cette interface n’existe pas physiquement, le routage sera assuré par un site de concentration.

« IP over »

Le « IP over » ou simplement « IP sur » définit l’encapsulation des paquets issue de la couche réseau usant du protocole IP dans une trame de la couche liaison de donnée. Les paquets IP seront alors les données de la trame.
Dans un réseau mobile, l’ « IP over » se distingue en IP over ATM et IP over Ethernet.
L’IP over ATM est très utilisé depuis le GPRS et fortement exploitée dans l’UMTS. A partir du LTE, l’IP over Ethernet inonde le réseau.

Technologie de la couche liaison de donnée

Les réseaux de niveau deux définissent trois protocoles de communication : le frame relay, l’ATM (Asynchronous Transfer Mode) et l’Ethernet. Seul l’ATM et l’Ethernet sont déployés dans les réseaux mobiles à partir de la troisième génération [18] [20] [21].

ATM

Asynchronous Transfer Mode (ATM) est une technologie à commutation « orientée » paquet. Il utilise le TDM ou Time Division Multiplexing et encode ses données à une taille fixe de 53 octets. ATM travaille sur la couche liaison de donnée et utilise le PDH ou SDH comme interface à la couche physique. Le débit d’un réseau ATM peut atteindre les 10 Gbps.
L’ATM malgré les diverses possibilités offertes, est délaissé au profit de l’Ethernet. Il a été conçu pour les réseaux à haut débit, pouvant acheminer des données à temps réel avec une faible latence. ATM établit une connexion virtuelle entre deux noeuds avant de pouvoir engager le transfert de données.
Implémenté dans les réseaux 3G WCDMA, l’ATM est actuellement mis à l’écart et les réseaux de backhaul 3G ont migré vers l’IP.

Plesiochronous digital hierarchy

Le multiplexage numérique est la technologie de prédilection pour interconnecter les noeuds ou les segments du réseau.
Plesiochronous digital hierarchy ou PDH est la technologie, basée sur le TDM, la plus exploitée dans la partie accès et agrégation du réseau de transport. Les différents flux de données, dans un réseau PDH, ont tous le même débit mais ne sont pas synchrones.
L’unité de base du PDH est un canal numérique de voix. Le signal analogique de la voix est modulé par impulsion codée, ou PCM – Pulse Code Modulation, sur huit (8) bits à une période d’échantillonnage de 125 μs soit 8000 échantillons par seconde. Ainsi le débit du signal est de 64 Kbps. Les canaux de voix sont rarement transmis sur de longue distance. 32 canaux sont multiplexés octet par octet pour avoir un débit primaire de 32Kbps appelé E1. Une trame E1 est de 256 bits (32*8 bits).

Synchronous Digital Hierarchy

SDH ou Synchronous Digital Hierarchy est un mécanisme qui permet aux trames PDH de pouvoir être transporté à haut débit. Les transmissions dans un système est synchrone. La transmission basée SDH présente plusieurs avantages par rapport au PDH:
 Le débit de transmission est satisfaisant pour le coeur des réseaux mobiles.
 Les matériels SDH sont plus faciles à mettre en place.
 Le SDH est plus fiable.
 Il supporte divers protocoles utilisateurs (avec le Next Generation SDH).
La trame de base de SDH est appelée STM-1 (Synchronous Transport Module, niveau 1). Les signaux à transporter proviennent des liaisons, qui peuvent être synchrones ou asynchrones. Pour un transport plus aisé, on les accumule dans un container virtuel VC (Virtual Container). Comme indiqué précédemment, ce packaging est appelé adaptation. Il existe différents containers virtuels pour chaque type de signal à transmettre.

Impact du réseau LTE et de la 4G sur le MBN

L’avènement du LTE et de la 4G LTE-Advanced modifie en tout point l’architecture des réseaux mobiles tant bien structurelle que fonctionnelle.
A part le remaniement au niveau de la structure du réseau en apportant des modifications dans le réseau coeur et le réseau d’accès radio, le backhaul network connait aussi des grandes transformations [19] [18] [22] [27].
Les réseaux de communication LTE modifient en premier lieu la structure de son réseau par la suppression des contrôleurs de station de base. Cela dit, la partie agrégation ne comprend que des noeuds d’acheminement. Les interfaces S1 et X2 constituent tous deux la partie accès et agrégation du backhaul selon le schéma de déploiement.

Table des matières

CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LES RESEAUX DE COMMUNICATION MOBILE 
1.1 Introduction
1.2 Réseaux de première génération 1G
1.3 Réseaux 2G
1.3.1 Architecture du GSM
1.3.2 Interface Abis et A
1.3.3 Evolution du GSM
1.4 Réseaux 3G
1.4.1 Architecture UMTS
1.4.2 Interface Iu
1.4.3 Evolution de l’UMTS
1.5 LTE
1.5.1 Architecture du réseau LTE
1.5.1.1 Station Mobile – UE
1.5.1.2 Réseau E-UTRAN
1.5.1.3 Réseau coeur ou Core Network
1.5.2 Architecture protocolaire
1.5.2.1 Plan usager
1.5.2.2 Plan de contrôle
1.5.3 Interface air
1.5.4 Interface S1 et X2
1.5.5 Canaux de l’interface air
1.6 LTE-Advanced ou 4G
1.7 Réseaux Hétérogènes
1.7.1 Concept et définition
1.7.2 Déploiement classique d’un réseau cellulaire
1.7.3 Déploiement d’un réseau hétérogène
1.7.4 Fonctionnalités du réseau hétérogène
1.7.4.1 Extension de la couverture
1.7.4.2 Gestion Interférence coordonnée
1.7.4.3 Load balancing
1.7.5 Influence du réseau hétérogène sur la performance du réseau
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 ETAT DE L’ART DU MOBILE BACKHAUL NETWORK
2.1 Introduction
2.2 Définitions et concept
2.2.1 Partie Accès
2.2.2 Partie Agrégation
2.2.3 Noeuds de démarcation
2.3 Les technologies de transport
2.3.1 Modèle OSI
2.3.2 Réseaux IP
2.3.2.1 Routage IP dans un réseau de collecte
2.3.2.2 « IP over »
2.3.3 Technologie de la couche liaison de donnée
2.3.3.1 ATM
2.3.3.2 Ethernet
2.3.3.3 Carrier Ethernet
2.3.4 Technologie de la couche physique
2.3.4.1 Plesiochronous digital hierarchy
2.3.4.2 Synchronous Digital Hierarchy
2.3.4.3 « over SDH »
2.3.4.4 Ports Ethernet
2.3.5 Les supports physiques
2.3.5.1 Media sans fil
2.3.5.2 Medias filaires
2.4 Impact du réseau LTE et de la 4G sur le MBN
2.4.1 Technologies de transport
2.4.2 Capacité
2.4.3 Latence
2.4.4 Qualité de Service ou QoS
2.4.5 Sécurité du réseau de collecte
2.4.6 Interfaces S1 et X2
2.4.7 Cas des réseaux hétérogènes
2.5 Migration vers le mobile backhaul network compatible LTE
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 METHODE DE CALCUL DE LA CAPACITE DU BACKHAUL NETWORK 
3.1 Introduction
3.2 Définitions
3.2.1 Capacité
3.2.2 Débit d’une cellule
3.2.3 Efficacité spectrale
3.3 La transmission dans un réseau LTE
3.3.1 Canal de propagation radio
3.3.1.1 Perte en espace libre
3.3.1.2 Effet de masque
3.3.1.3 Evanouissement rapide
3.3.1.4 Effet Doppler
3.3.2 Modulation OFDM/SCFDM
3.3.2.1 Principe de l’OFDM
3.3.2.2 Préfixe cyclique
3.3.2.3 OFDM en LTE
3.3.2.4 SC-FDM
3.3.3 Technologie MIMO
3.4 Modèle d’un système MIMO Multi-Utilisateur
3.4.2 Modèle en liaison montante
3.4.3 Modèle en liaison descendante
3.5 Modèle d’interférence et débit dans un réseau hétérogène
3.5.1 Modèle d’interférence
3.5.1.1 Liaison descendante
3.5.1.2 Liaison montante
3.5.2 Calcul du débit dans un réseau hétérogène
3.5.2.1 Débit d’un utilisateur
3.5.2.2 Débit d’une cellule homogène
3.5.2.3 Débit d’une cellule hétérogène
3.6 Capacité du backhaul network d’un réseau LTE et réseau hétérogène
3.6.1 Trafic existant sur le réseau de collecte
3.6.1.1 Trafic sur l’interface S1
3.6.1.2 Trafic sur l’interface X2
3.6.2 Approche classique
3.6.3 Capacité du backhaul network dans un réseau hétérogène
3.6.3.1 Approche pour une architecture centralisée
3.6.3.2 Approche pour une architecture distribuée
3.6.3.3 Capacité du Backhaul network de la macrocellule hétérogène
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 RESULTATS DE CALCUL DE LA SIMULATION
4.1 Introduction
4.2 Objectif de la simulation
4.3 L’outil de calcul
4.4 Etapes du programme
4.4.2 Paramétrages du système
4.4.3 Calcul de la capacité du backhaul network
4.5 Efficacité spectrale d’une cellule
4.5.1 Efficacité spectrale d’une macrocellule
4.5.2 Efficacité spectrale d’une microcellule
4.6 Résultats et interprétations
4.6.1 Méthode classique
4.6.2 Méthode pour une architecture hétérogène centralisée
4.6.2.1 Capacité des liaisons sur S1 et X2 des microcellules
4.6.2.2 Capacité des liaisons sur S1 et X2 des macrocellules hétérogènes
4.6.3 Méthode pour une architecture hétérogène distribuée
4.6.3.1 Capacité des liaisons sur S1et X2 des microcellules
4.6.3.2 Capacité des liaisons sur S1 et X2 des cellules hétérogènes
4.6.4 Résumé des résultats
4.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 CALCUL DU DELAI DANS UN MOBILE BACKHAUL NETWORK
ANNEXE 2 NOTION DE DISPONIBILTE DU MOBILE BACKHAUL NETWORK
ANNEXE 3 EXTRAIT DU CODE SOURCE DE CALCUL DE DEBIT
BIBLIOGRAPHIE

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