Ce mémoire présente une étude sur l'allocation avancée des ressources dans les réseaux LTE utilisant des femtocells, en se concentrant sur les algorithmes d'ordonnancement en downlink et une proposition d'algorithme basé sur la théorie des jeux. Les résultats de la simulation montrent une amélioration des performances du système, notamment en termes de taux de perte de paquets et d'équité dans la distribution des ressources. Les défis liés à la mise en œuvre des femtocells et les perspectives pour minimiser les contraintes sur les performances sont également abordés.

1. MEMOIRE
présenté en vue de l’obtention du
Diplôme de Mastère recherche
Spécialité: Système de communications
Présenté et soutenue par:
Alioune Laba Ndiaye
Allocations avancées des ressources dans les reseaux LTE femtocells
Encadreur: Mr Ridha Bouallegue
Laboratoire de recherche :
Co-encadrante: Mme Soumaya Bachtobji

2. Sommaire
1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells
2-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en downlink
3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en
downlink base sur la théorie des jeux
4-Simulation et interprétation
5-Conclusion et perspectives
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2

3. Objectifs du LTE
Débits 100
Mbps/50Mbps
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3 1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells
Novelle
architecture
simplifié du
réseau
Efficacité
spectrale
ameliorée
Mobilité
allant
jusqu’à
500Kmh
Bande
passante
modulable
Interconnexio
n avec les
autres
reseaux 3G
Latence
réduite
RTT 10ms

4. Architecture du réseau lte
EPC
E-UTRAN
 Architecture du réseau lte devient très simplifié
 Le RNC de la 3G est éliminé et ses fonctionnalités son
affectées à l’eNB
Avantages
Distribution de la charge de traitement du RNC sur
l’eNB
Réduction de la latence
Les interfaces permettent de réduire les pertes de
paquets pendant l’intra E-UTRAN
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1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells

5. Faible portée de transmission (10 à 30m)
Concept de femtocell
les cellules femto sont des points d’acces sans fil de faible
puissance
Les femtocells sont des stations de bases de petites tailles
Souvent utile pour les utilisateurs indoor avec un cout réduit
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1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells

6. Vue générale sur le réseau HetNet
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Rayon : 2 Km
Utilisateurs : 32 – 100+
Rayon : 10 - 30 m
Utilisateurs : 4 – 8
Rayon : 2 Km
Utilisateurs : 32 – 100+
Rayon : 100 m
Utilisateurs : 8 – 32
Rayon : 5 Km
Utilisateurs : 1000+
1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells

7. Avantages des femtocells
 Etendre la capacité et la couverture du réseau,
 Abaisser les élevés de l’infrastructure de réseau,
 Réduire la consommation de la batterie
Pour l’abonné :
 Assurer une meilleure couverture intérieure
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Pour l’operateur:
 Diminuer la charge de la macrocell,
 Réduire le rayonnement du mobile,
1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells

8. Architecture de réseau LTE-Femtocell
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Macro UE
Femto UE
eNB
eNB
Broadband IP
Access
HeNB Broadband Access
Gateway
HSS
HeNB-GW /
Security GW
MME/S-GW
P-GW
Operator’s IP
Services
E-UTRAN
EPC
X2
S1
SGi
S1-U / S1-MME
S6-a
La HeNB se connecte au EPC à travers les interfaces S1-U et S1-MME.
 Pour soutenir un grand nombre de HeNBs, une passerelle (HeNB-GW) est utilisée entre
les HeNBs et EPC.
Uu
Uu
1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells

9. Défis des femtocells
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Défis
de
Femtocell
Qualité de service
Gestion de l’interférence
Auto-organisation
Consommation énergétique
Mobilité
Sécurité
Le déploiement des femtocells fait face à des défis techniques
de même que économique
1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells

10. Algorithmes d’ordonnacement en Downlink
 Amélioration des performances du système en augmentant l’efficacité spectrale et l’équité
dans le réseau
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 Algorithmes utilisés pour l’allocation des ressources radio
L’algorithmes basé sur le délai à savoir M-LWDF
Les algorithmes opportunistes comme ; PF et EXP/PF
2-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en downlink

11. Les algorithmes opportunistes(1)
Proportional Fair (PF)
 Il permet de faire le compromis entre le taux de données et le debit pour
chaque utilisateur,
 C’est pour les flux Non Temps Réel(NRT)
 PF alloue les ressources en tenant en compte de la nature du canal et le debit de
l’utilisateur,
 Le planificateur PF est représenté comme suit: 𝒂 =
𝒅𝒊 𝒕
𝒅𝒊
𝒅𝒊(𝒕) : Débit correspondant au CQI de l’utilisateur i.*
𝒅𝑖:Debit maximal supporté par le RB
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2-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en downlink

12. Les algorithmes opportunistes(2)
Exponential Proportional Fairness(EXP/PF)
 EXP/PF maximise le debit des systèmes en garantissant un retard borné
 Il assure l’équité proportionnelle entre les utilisateurs
 EXP/PF soutient les applications multimédia dans une modulation et codage adaptatif
 EXP/PF choisit l’utilisateur k pour la transmission de la manière suivante:
K=𝒎𝒂𝒙𝒊
𝒂 𝒊
𝒅 𝒊 𝒕
𝒅 𝒊
𝒆𝒙𝒑 𝒂 𝒊 𝑾𝒊 𝒕 −𝑿
𝟏+ 𝑿
X=
1
𝑁 𝐼 𝑎𝑖 𝑊𝑖(t)
𝑾𝒊 𝒕 : 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑖 𝑡𝑜𝑙𝑒𝑟é 𝑝𝑎𝑟 𝑙𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑥
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2-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en downlink

13. L’algorithme basé sur le délai
 Il supporte plusieurs données en temps réel
 Il essaie d’équilibrer les retards paquets pondéré et utilise la reconnaissance sur l’état
efficace du canal
 Il choisit l’utilisateur k pour la transmission de façon suivante:
K=𝑚𝑎𝑥𝑖 𝑎𝑖
𝑑 𝑖 𝑡
𝑑 𝑖
𝑊𝑖 𝑡
𝑎𝑖 =−log(𝛿𝑖)𝑇𝑖
Maximum-Largest Weighted Delay First (M-LWDF)
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2-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en downlink

14. Comparaison entre les algorithmes
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algorithmes références Statut du
buffer
Condition
du canal
Équité
partielle
Équité
generale
complexité
PF [26] v v v
EXP/PF [25] v v v v
M-LWDF [27] v v v v
2-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en downlink

15. Solution d’ordonnacement dans les reseaux LTE femtocells
 Le but est d’adapté un jeu de négociation basé sur la théorie des jeux en utilisant
la valeur de Shapley et les jeux de faillites,
 Distribution de la bande passante entre les classes de services,
 Améliorer la planification de l’allocation en liaison descendante en utilisant EXP-
RULE modifié avec le mécanisme de jeton virtuel,
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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base
sur la théorie des jeux

16. Présentation de la solution
Utilisateurs
Distributions des ressources en utilisant la théorie
des jeux
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur
modifié basé sur le mécanisme des jeton virtuels
P1,N1 P3,N3P2,N2
B3B2B1
1er niveau
2eme niveau
Classe P1
Classe P3Classe P2
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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink bas
sur la théorie des jeux

17. Les étapes de l’algorithme
Les utilisateurs sont divisés en trois(3) classes P1,P2 et P3
Classification des utilisateurs par priorité(1)
 La classe P1 représente les utilisateurs femtocells
 La classe P3 concerne les autres
 La classe P2 représente les utilisateurs de même operateur
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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base sur
la théorie des jeux

18. Les étapes de l’algorithme
Distribution de la bande passante par jeux de faillite(2)
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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base sur
la théorie des jeux

19. Les étapes de l’algorithme
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)
Cette allocation se fera en deux(2) phases:
1ère phase: utilisation de la valeur de Shapley pour assurer l’équité entre les différents utilisateurs,
Cette valeur est définie comme suit:
∅𝒊 𝐯 = 𝑺𝝐𝑵 𝑺 −𝟏 !(𝒏− 𝑺 )!
𝒏!
(V(s) –V(S{i})
V est le gain moyen pour chaque joueur
Ou:
∅𝑖 v :est la fonction du joueur i
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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base sur
la théorie des jeux

20. Les étapes de l’algorithme
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)
1ère phase: utilisation de la valeur de Shapley pour assurer l’équité entre les différents utilisateurs,
Nous définissons le scenario suivant:
 La bande passante par flux est donnée comme suit={242,8,4,2}
 La bande passante C=c1,c2,c3=32Mbps (50RBs par TTI)
 N=A,B,C les acteurs de notre scenario
 Les classes suivantes : vidéo=A, VoIP=B et CBR=C Le jeux de la bande passante est modélisé comme
(N;𝒗𝒄 𝒈) ou |N|=3
𝒗𝒄 𝒈 𝑺 =max{ 𝑪𝒋 − 𝑰𝝐𝑵𝑺 𝒈𝒊, 𝟎 }
v(N)=𝑪𝒋
Notre fonction caractéristique est défini comme suit
V(1)=max{ 𝑪𝒋 −(8,4𝒌 𝑩 +2𝒌 𝑫),0}
V(2)=max{ 𝑪𝒋 −(2𝟒𝟐𝒌 𝑩 +2𝒌 𝑫),0}
V(3)=max{ 𝑪𝒋 −(242𝒌 𝑨 + 𝟖, 𝟒𝒌 𝑩),0}
V(1,2)=max{ 𝑪𝒋 −2𝒌 𝑪,0}
V(1,3)=max{ 𝑪𝒋 −(8,4𝒌 𝑩,0}
V(2,3)=max{ 𝑪𝒋 −(242𝒌 𝑨,0}
V(1,2,3)= 𝑪𝒋 −
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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base sur
la théorie des jeux

21. Les étapes de l’algorithme
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)
2eme phase: allocation des ressources liées à chaque catégorie de flux
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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base sur
la théorie des jeux

22. Les étapes de l’algorithme
Ordonnancement des paquets niveau file d’attente
On se base sur l’algorithme EXP-RULE modifié ou l’utilisateur peut appartenir à un flux
Temps reel(RT) ou un flux Non Temps Reel(NRT)
 EXP-RULE choisit l’utilisateur j comme suit:
• 𝜇𝑖(t) est le débit de données de l’utilisateur i à l’instant t
• 𝑊𝑖(t) est le retard du paquet HOL
• 𝜇𝑖(t): Est le debit moyenne supporté par le canal
𝑻𝒊 ∶le plus grand retard que l’utilisateur peut tolérer
𝛿𝑖 : Probabilité de retard violé 05/10/2016
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J= 𝒎𝒂𝒙𝒊 𝜶𝒊
𝝁 𝒊(𝒕)
𝝁 𝒊
Exp (
𝒂𝒊 𝑾𝒊(𝒕) − 𝒂𝑾
𝟏+ 𝒂𝑾
)
3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base sur
la théorie des jeux

23. Paramètres de simulation
2-Paramètres de simulation
 Le debit
1-Les indicateurs de performances à étudier:
 Le taux de perte de paquets (PLR)
 Le délai de transite
 l’indice de l’équité,
 Vidéo bitrate :242 kbps
 Scheduling time(TTI) :1 ms
 Radius : 1km
 Slot duration :0,5ms
 Bandwidth : 10 Mhz
 Frame structure :FDD
 Simulation duration:120 s
 VoIP bitrate :8,4 kbps
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4-Simulation et interprétation

24. 1-taux de pertes de paquets pour les flux vidéos
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24
4-Simulation et interprétation

25. 2-taux de pertes de paquets pour les flux VoIP
05/10/2016
25
4-Simulation et interprétation

26. 3-indice de l’équité pour les flux vidéo,
05/10/2016
26
4-Simulation et interprétation

27. 4-average throughput pour le flux vidéo,
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4-Simulation et interprétation

28. 5-l’efficacité spectrale
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4-Simulation et interprétation

29. Conclusion
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 Etude des algorithmes d’ordonnancement en downlink basé sur des principes
mathématiques
 Evaluation des performances du système en se basant sur la théorie des jeux,
 Vue générale sur les reseaux hétérogènes,
perspectives
Minimiser les contraintes sur les performances du réseau LTE femtocell
Nous essayons d’améliorer les performances dans de futur travaux
5-Conclusion et perspective

30. Merci pour votre attention
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