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OPTIMISATION DES BANDES DE FREQUENCE EN DESSOUS
DES 1GHZ(700MHz) EN VUE DE GARANTIR LA QOS DANS
LES RESEAUX 4G:LTE
Martial Konan Koffi
6 novembre 2015
Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
R´epublique D´emocratique de Cote D’Ivoire
Minist`ere de l’Enseignement Sup´erieur et de la Recherche Scientifique
UNIVERSITE NANGUI ABROGOUA
UNITE DE FORMATION ET DE RECHERCHES DES SCIENCES
FONDAMENTALES ET APPLIQUEES
DEPARTEMENT GENIE INFORMATIQUE
M´emoire
Pour l’obtention du diplˆome de
MASTER en Genie Informatique
Presente par :
M Martial Konan Koffi
THEME :
optimsation des bandes de fr´equences en dessous des 1GHZ(700MHz)en vue de garantir la
QoS dans les r´eseaux 4G :LTE
Memoire de fin d’etude de Master page I GI
REMERCIEMENT
Mon M´emoire de Master est le r´esultat de mon premier travail de recherche et n’aurait pu
aboutir sans le soutien d’un certain nombre de personnalit´es. Je tiens donc commencer par
remercier chaleureusement :
En premier lieu,DIEU, qui sans sa grˆace ce m´emoire n’aurait jamais ´et´e r´ealis´e.
je remercie mon encadreur, M traore soungalo assistant a l’UNA, pour son aide consistante,
son ´etat d’ouverture, ses conseils judicieux, son temps, sa patience et pour ses remarques ob-
jectives. Nos discussions et nos partages d’id´ees me permettent d’envisager sereinement mon
avenir dans le monde de la recherche.
Je remercie les membres du jury, M Oumtagana S. de l’INPHB d’avoir l’amabilit´e de pr´esider
le jury, M Eddy H. M Tchimou N’tapke d’avoir accept´e d’examiner notre travail. Tous ensei-
gnants au D´epartement de G´enie Informatique de l’UFR-SFA de l’Universit´e Nangui Abrogoua.
Je profite de cette opportunit´e pour exprimer ma gratitude `a tous ces enseignants qui ont
contribu´e par leur collaboration, sens d’ouverture, disponibilit´e et sympathie, `a ma formation.
Je tiens aussi a remercier ma m`ere qui n’a jamais cess´e de croire en moi et mon d´efunt p`ere
pour son sens de rigueur et dynamisme. Merci a mon grand fr`ere judicael koaussi qui a toujours
´et´e pour moi un mod`ele. Merci a tous les membres de ma famille qui m’ont ´et´e d’un soutien
fort appr´eciable.
Durant mon programme d’´etude de master, j’ai eu le plaisir de rencontrer des personnes
merveilleuses au sein du D´epartement G´enie Informatique, qui se reconnaitront.
Je pense plus particuli`erement aux coll`egues du LAST “Laboratoire Science et Technologie”&
du <LESN/IREN & GSIT >. L’ambiance y ´etait convivial, propice au partage d’id´ees et a
l’´emulation collective.
.
A tous ses amis et camarades avec qui j’ai d´ebut´e mes ´etudes universitaires,une tr`es belle
aventure fait de haut et de bas.
Enfin, je tiens `a remercier toutes ses personnes qui de pr`es ou de loin durant mon travail n’ont
jamais cess´e croire en moi et m’accorde leur confiance.
II
DEDICACE
Ce m´emoire est d´edi´e `a
Mon p`ere feu Konan Boh Celestin,
Ma m`ere Abe ahou madeleine,
Mon grand fr`ere judicael konan K,
`A mes fr`eres,
Abe antoinette epse Sylla,
A la famille Komoe,
`A l’ensemble de tous les membres de ma famille,
Mes ami(e)s,
Tous ses lecteurs,
Tous ceux qui m’aiment et que j’aime.
Martial Konan Koffi
C’est l’habitude de douter et de consid´erer le cot´e sombre, d´eprimant, d´esesp´erer des choses
qui tue l’effort et qui paralyse l’ambition
III
AVANT PROPOS
Ce pr´esent rapport a ´et´e ´elabor´e dans le cadre de la pr´eparation du diplˆome de fin d’´etude de
Master en G´enie Informatique `a l’Universit´e Nangui Abrogoua. Ce projet est une contribution
dans la standardisation des algorithmes d’ordonnancement pour une amelioration de la QoS
lors de l’allocation des ressources radio disponibles dans les r´eseaux 4G(LTE).
IV
RESUME
Avec l’essor des services multim´edias, garantir une r´eelle qualit´e de service est devenu une
des grandes priorit´es de la nouvelle g´en´eration de r´eseaux mobiles dit 4G. Cela implique que
les algorithmes d’allocation de ressources soient capables d’assurer `a la fois une ´equit´e ´elev´ee
entre utilisateurs, quels que soient leurs types de trafic et leur mobilit´e dans la cellule, une
diff´erenciation de service efficace et la maximisation du d´ebit global du syst`eme. Dans la
litt´erature, plusieurs techniques de gestions des ressources bas´ees sur une optimisation heu-
ristique ont ´et´e propos´ees. Les ressources sont allou´ees en fonction de l’information de l’´etat du
canal radio liant l’´emetteur et le r´ecepteur. L’utilisation optimale de la puissance et de la bande
fr´equentielle par la m´ethode d’acc`es OFDMA en mode descendant donne l’acc`es `a un grand
nombre d’utilisateurs et r´eduit l’interf´erence. De plus La politique d’ordonnancement pour la
gestion de ressource radio n’est pas standardis´ee pour la technologie LTE par le consortium
3GPP. Le choix est pris par l’op´erateur et d´epend de plusieurs facteurs. Nous sommes vus, dans
ce projet de travailler sur cette nouvelle classe d’algorithmes d’ordonnancements (schedulings)
bas´e sur une meilleure approche de l’inter-couche MAC-PHY de l’eNB dit opportunistes. notre
travail a consist´e `a effectuer une s´erie de simulations sur diff´erents types de cellules en situation
de forte et faible mobilit´e avec des param`etres bien d´efinis en vue d’´evaluer les performances
de trois principaux algorithmes : PF, M-LWDF et EXPPF en terme : d´ebit , ´equit´e, efficacit´e
spectrale , d´elai, et taux de paquets perdus ,afin de mettre en exergue l’ordonnanceur ad´equat
pour chaque situation.
Mots-cl´es :
“Orthogonal Frequency Division Multiplexing”(OFDM), Ordonnancement, Diversit´e multi-
utilisateurs, Qualit´e de Service, Diff´erenciation de service,4G(LTE), simulation.
ABstract
With the flight of multimedia services, to guarantee a real quality of service became one of the
big priorities of the new generation of mobile networks said 4G. It implies that the algorithms
of allowance of resources are capable to assure a fairness raised between users at a time, wha-
tever is their types of traffic and their mobility in the cell, an efficient service differentiation
and the maximization of the global debit of the system. In the literature, several techniques
of managements of resources based on a heuristic optimization have been proposed. Resources
are allocated according to the information of radio channel state binding the emitter and the
receptor. The optimal use of the power and frequency band by the method of OFDMA access
in fashion descending gives the access to a big number of users and reduce interference. Besides
The politics of organization for the management of resource radio is not quite standardized for
the LTE technology. The choice is taken by the operator and depends on several factors. We
have seen,in this project to work on this new class of algorithms of organizations (schedulers)
basis on a better approach of the inter MAC-PHY layer of the eNB says opportunists. Our
work has consisted has do a set simulations on different types of cells in situation of weak and
strong mobility with very definite parameters in order to value the performances of three main
algorithms : PF, MLWDF and EXPPF in term : debit, fairness, spectral efficiency, delay, and
lost packet rates, in order to put in inscription the adequate schedulers for every situation.
Keyword : :
“Orthogonal Frequency Division Multiplexing ”(OFDM),scheduling, Diversity multiuser, Qua-
lity of Service, Differentiation of service,4G(LTE), simulation.
V
Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
Memoire de fin d’etude de Master page VI GI
Sommaire
REMERCIEMENT II
DEDICACE III
AVANT PROPOS IV
RESUME V
Liste des Abreviations XII
Introduction G´en´erale 1
I EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
ET QUATRIEME GENERATION 3
I.1 Evolution des r´eseaux mobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
I.2 La Quatri`eme G´en´eration :4G(LTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.2.1 LTE QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
I.2.2 Les Services Multimedias Emergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
II NECESSITE D’OBTENTION DE FREQUENCES EN DESSOUS DES 1GHZ
ET ETUDE DE LA BANDE DES 700MHZ 16
II.1 N´ecessit´e d’obtention de fr´equence en dessous des 1GHz . . . . . . . . . . . . . 16
II.2 Etude de la bande des 700MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
IIIPOLITIQUE D’ORDONNANCEMENT 20
III.1 Ordonnancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
III.2 Etat de L’Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
III.2.1 Modelisation Math´ematique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
III.2.2 Differentes classes d’Algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
III.2.3 Les Algorithmes Classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
III.2.4 Les algorithmes Equitables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
III.2.5 Les algorithmes Opportunistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
CONTRIBUTION : suggestion concernant quels types
d’ordonnanceurs implementer comme ordon-
nanceur de base du LTE pour une meilleure
gestion de la QoS ? 29
III.3 Approche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
III.3.1 presentation du simulteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
III.3.2 Contexte de notre Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
III.3.3 Scenarii `a faible mobilt´e :0km/h( cas statique) . . . . . . . . . . . . . . 33
III.3.4 Scenarii `a faible mobilt´e :3km/h( cas pi´eton) . . . . . . . . . . . . . . . . 39
III.3.5 Scenarii `a forte mobilt´e :120km/h( cas vehicule) . . . . . . . . . . . . . . 45
VII
SOMMAIRE Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
Conclusion Generale et perspective : 53
Bibliographie et reference 54
Annexe 56
Memoire de fin d’etude de Master page VIII GI
Table des figures
I.1 estimation du nombre d’abonn´es au LTE. source :http ://www.universfreebox.com/User-
Files/image/MobileLTE2019.png . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I.2 importance des services multimedias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I.3 Evolution du GSM au LTE-ADVANCED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I.4 Architecture compl`ete du LTE. source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetwork-
architecture.html . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
I.5 cat´egories des terminaux compatibles LTE. source : LTE (reseaux mobiles wiki-
pedia consulte le 19-05-15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
I.6 architecture de L’E-UTRAN .source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetwork-
architecture.html visite le 19-05-15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
I.7 architecture du r´eseau cœur.source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetworkarchi-
tecture.html visite le 19-05-15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
I.8 structure de trame en FDD et FDD half-duplex (extrait du livre LTE et les
reseaux 4G p92) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I.9 QoS au sein du r´eseau LTE (extrait du livre LTE et les reseaux 4G p92) . . . . 13
I.10 diff´erents types de bearer en LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
I.11 QCI standardis´e du r´eseau LTE .source LTE et les reseaux 4G . . . . . . . . . . 14
II.1 plan de r´epartition des fr´equences du dividende numerique1. source 052 053 UIT.pdf 16
II.2 Un plan de fr´equence harmonis´e des 2 premiers dividende num´erique selon 3GPP.
source Presentation-W-Bocquet-GSMA.pdf parue le 1er octobre 2014. source
052 053 UIT.pdf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
II.3 compl´ementarit´e fr´equence hautes et fr´equences basses. source consult-divid-
num-130707.pdf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
II.4 haut d´ebit et n´ec´essit´e de disposer fr´equence haute et fr´equence basse : source
consult-divid-num-130707.pdf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
III.1 iniquit´e des ressources en fonction de la position g´eographique. source :these-
Gueguen.pdf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
III.2 param`etre de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
III.3 courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
III.4 courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
III.5 figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 34
III.6 figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 35
III.7 courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
III.8 courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
III.9 figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 36
III.10figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 36
III.11courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
IX
TABLE DES FIGURES Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
III.12courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
III.13figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 38
III.14figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 38
III.15courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
III.16courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
III.17figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 41
III.18figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 41
III.19courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
III.20courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
III.21figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 43
III.22figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 43
III.23courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
III.24courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
III.25figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 45
III.26figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 45
III.27courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
III.28courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
III.29figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 47
III.30figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 47
III.31courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
III.32courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
III.33figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 49
III.34figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 49
III.35courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
III.36courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3
algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
III.37figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 51
III.38figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 51
Memoire de fin d’etude de Master page X GI
Liste des tableaux
II.1 avantages et Inconvenients des fr´equences en or . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
III.1 Classification qualitative des ordonnanceurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
III.2 param`etre de simulation2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
III.3 explication des elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
XI
Liste des Abreviations
1G 1 `ere G´en´eration
2G 2 `eme G´en´eration
3G 3 `eme G´en´eration
4G 4 `eme G´en´eration
5G 5 `eme G´en´eration
3GPP 3 rd Generation Partnership Project
A
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
ARCEP Autorit´e de R´egulation des Communications ´Electroniques et Postes
AUC AUthentification Center
B
BG Border Gateway
BSC Base Station Controller
BSS Base Station Sub-system
BTS Base Transceiver Station
C
CDMA2000 Code Division Multiple Access
CQI Channel Quality Indicator
E
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
EIR Equipment Identity Register
eNodeB evolved NodeB
EPS Evolved Packet System
EPC Evolved Packet Core
eUTRAN evolved UTRAN
F
FDD Frequency Division Duplexing
G
GGSN Gateway GPRS Support Node
GMSC Gateway MSC
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communication
H
HLR Home Location Register
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
HSPA High Speed Packet Access
HSS Home Suscriber Service
I
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IETF Internet Engineering Task Force
IMEI International Mobile Equipment Identity
IMS IP Multimedia Sub-system
IMSI International Mobile Subscriber Identity
IP Internet Protocol
XII
LISTE DES TABLEAUX Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
IS Interim Standard
L
LTE Long Term Evolution
M
M2M Machine To Machine
MAN Metropolitan Area Network
MCS Modulation coding scheme
MIMO Multi Input Multi Output
MME Mobility Management Entity
MMS Multimedia Messaging Service
MS Mobile Station
MSC Mobile Switching Centre
MSISDN Mobile Station
MTS Mobile TeleSystem
MWC Mobile World Congress
N
NMC Network and Management Centre
NSS Network SubSystem
NTT Nippon Telegraph & Telephone
NTR Non Temps Reel
O
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access
P
PAPR Peak-to-Average Power Ratio
PCRF Policy and Charging Rules Function
PCU Packet Control Unit
PDN GW Packet Data Network Gate-Way
PDP Packet Data Protocol
PGW Packet Switch-GetWay
PLMN Public Land Mobile Network
Q
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QdS Qualit´e de Service
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
R
RAN Radio Acces Network
RB Resource Block
RNC Radio Network Controller
RNIS R´eseau Num´erique `a Int´egration de Services
RTC R´eseau T´el´ephonique Commut´e
RTCP Real-time Transport Control Protocol
S
SAE System Architecture Evolution
SB Scheduling Block
S-GW Serving-Get Way
SC-FDMA Single Carrier-Frenquency Division Multiplexing Access
SGSN Serving GPRS Support Node
SIM Subscriber Identity Module
SINR Signal Interference Noise Ratio
SMS Short Message Service
SMSC Short Message Service Center
T
TB Transport Block
TCP Transmission Control Protocol
Memoire de fin d’etude de Master page XIII GI
LISTE DES TABLEAUX Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
TDD Time-Division Duplex
TMN Telecommunications Management Network
TRAN Terrestial RAN
TR Temps Reel
U
UDP User Datagram Protocol
UE User Equipment(Terminal Mobile)
UIT Union Internationale des T´el´ecommunications
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
UTRAN UMTS TRAN
V
VLR Visitor Location Register
VoIP Voice over IP
W
WAP Wireless Application Protocol
WCDMA Wide Coding Division Multiple Access
WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
Memoire de fin d’etude de Master page XIV GI
introduction g´en´erale
La recherche continuelle de d´ebit avec la formidable croissance des donn´ees mobiles afin
d’offrir plus de services, impliquent que des d´egagements en terme de fr´equences doivent ˆetre
faites, surtout sur celle en dessous des 1Ghz couramment destin´ees a la t´el´evision analogique,
`a cause de leurs bonnes p´en´etrations dans les materiaux et n´ecessitant peu investissement.
Ainsi, donc le passage de la t´el´evision analogique au num´erique comme c’est le cas depuis le 17
juin 2015 date butoir sur l’ensemble du globe terrestre occasionnera certainement un nouveau
d´egagement dite deuxi`eme dividende num´erique :700 mhz 694-790 qui sera d´ebattu a la pro-
chaine CMR-15(Conf´erence Mondiale sur les Radiocommunications )`a l’ordre du jour 1.2 pour
une utilisation possible a la TMI (T´el´ecommunications Mobiles Internationales).mais l’incon-
vennient est qu’il dispose d’une largeur de bande faible qui r´eduit le nombre d’operateurs pour
son acquisition et le plus important dans tous cela c’est la gestion efficace des ressources radio
disponibles surtout qu’il est destin´ee a tr`es haut d´ebit : 4G proposant des services ´emergents
strictes en termes de qos.De plus les operateurs de r´eseaux mobiles dans le monde assistent
depuis plus 4 ans a une v´eritable explosion de la consommation de donn´ees , due notamment a
la multiplication de cartes et de dongles USB 3G+ permettant une connexion pc aux r´eseaux
mobiles, l’apparition de Smartphones,de tablettes et phablettes facilitant la navigation inter-
net et l’acc`es aux sites communautaires et de partages de vid´eos. Cet engouement n’est pas
sans cons´equences sur les r´eseaux des operateurs : d’une part la capacit´e des reseaux 2G &
3G actuels risque d’ˆetre satur´ee et d’autre part les couts de fonctionnement augmentent plus
rapidement que le revenus diminuant ainsi progressivement la rentabilit´e. A moyen terme les
operateurs devront donc ´evoluer leurs r´eseaux vers une technologie offrant plus de capacit´e et
leur permettant de g´en´erer de nouveaux revenus et de diminuer leurs couts :la 4G
probl´ematique
Les operateurs mobiles sont actuellement confront´es `a une probl´ematique quant aux orientations
technologiques `a suivre pour am´eliorer les performances de leurs syst`emes i.e. du r´eseau d’acc`es.
Cette probl´ematique pourrait ˆetre formul´ee `a travers l’interrogation suivante : Comment doit-
on planifier les m´ethodes d’acc`es des futurs r´eseaux mobiles pour repondre aux besoins des
applications avanc´ees ? Les m´ethodes d’acc`es reposent sur divers ´el´ements techniques tels que
la modulation, le codage, la correction d’erreur et l’ordonnancement. La multitude des choix
de chacun de ces ´el´ements ainsi que la complexit´e due `a la combinaison de l’ensemble de ces
param`etres constituent une probl´ematique. Quelle m´ethodologie doit-on suivre en vue de sup-
porter les services qui marquent d´ej`a les g´en´erations futures des syst`emes mobiles ?
De tous ses ´el´ements techniques aussi importants les que les autres, l’Ordonnancement est
l’´el´ement fondamental qui caract´erise la m´ethode d’acc`es. Plusieurs approches et algorithmes
d’ordonnancement ont ´et´e propos´es dans la litt´erature pour r´epondre `a ce besoin : comment
allouer les ressources efficacement ?, cette diversit´e d’algorithmes est li´ee aux facteurs consid´er´es
permettant la gestion optimale de ressource radio, sp´ecifiant le type de trafic et Qos demand´ee
par l’UE.
Cette maximisation de performance,combin´ee `a la minimisation du coˆut d’exploitation, conduit
`a des objectifs conflictuels qui requi`erent un certain compromis entre la qualit´e de service `a
offrir et le coˆut de d´eploiement.
1
LISTE DES TABLEAUX Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
objectifs
L’objectif de notre travail est de proposer, `a partir d’une s´erie de simulations, des algorithmes
qui feront face aux besoins d’allocations efficientes des ressources disponibles vue l’´etroitesse des
bandes afin offrir un degr´e de satisfactions a l’ensemble des utilisateurs du r´eseau. Il ne s’agira
donc pas de r´eecrire un nouveau model math´ematique d’allocation de ressources ce qui serait
l’id´eale mais de s’appuyer sur cet mod`ele existant en proposant des algorithmes d’ordonnance-
ments dit opportunistes qui permettront une allocation ad´equate de ressources radio disponibles
garantissant la qualit´e de service(QoS). Pour cela nous avons essay´e d’explorer les diff´erentes
classes d’algorithmes d’ordonnancement existant afin de justifier le choix de cette classe d’al-
gorithme dite opportuniste, donc du type d’algorithme d’ordonnancement `a impl´ementer.
plan du memoire
La suite du m´emoire est organis´ee de la mani`ere suivante.le Chapitre I) nous presentons l’evo-
lution des r´eseaux mobiles et une description de la 4i`eme g´en´eration et les services ´emergents.
Le Chapitre II) parle de n´ec´essit´e de disposer plus bande de frequences surtout celle en dessous
des 1GHz entre autre la bande des 700mhz.
Le Chapitre III) dedi´e a notre travail personnel, nous commencons par un etat de l’art et
nous terminons par notre apport personnel qui consiste `a proposer les algoritmes d’ordonnan-
cement qui offrent une meileure Qualit´e de Service (QoS) et cela par une s´erie de simulations
de quelques algorithmes dits opportunistes.
Memoire de fin d’etude de Master page 2 GI
Chapitre I
EVOLUTION DES RESEAUX
MOBILES
ET QUATRIEME GENERATION
Afin de pouvoir b´en´eficier des mˆemes avantages : services multim´edias avanc´ees et acc`es a
internet g´en´eralis´e a haut d´ebit des r´eseaux r´esidentiels (t´el´ephonie fixe, Adsl) dans un envi-
ronnement mobile sans fil. Un ensemble de travaux vont ˆetre entrepris dans ce sens, ce qui va
engendrer par la suite les r´eseaux mobiles sans fil. On assiste d`es lors `a une prolif´eration des
r´eseaux mobiles dit syst`emes cellulaires.
I.1 Evolution des r´eseaux mobiles
La premi`ere g´en´eration(1G) de la t´el´ephonie mobile est apparue courant les ann´ees 70 et
op´erait dans la bande de fr´equence 890-915 MHz et 935-960 MHz. Cette g´en´eration compre-
nait des syst`emes et des plates-formes de communications analogiques essentiellement d´edi´es
a la transmission de la voix. Plusieurs syst`emes de communication ´etaient pr´esents. On pense
par exemple `a : AMPS (Advanced Mobile Phone System) et NMT (Nordic MobileTelecom)
respectivement d´evelopp´es par Bell Labs et les services de communication de pays nordiques
europ´eens.
Ces syst`emes ont cependant ´et´e abandonn´es il y a quelques ann´ees, d’autres r´eseaux de com-
munication ayant pris leur place, appel´e deuxi`eme g´en´eration.
Avec les progr`es dans l’informatique et les nouveaux types de codages num´eriques, une
r´evolution naquit. La t´el´ecommunication mobile allait enfin devenir un service de masse.
La deuxi`eme g´en´eration(2G) fut l’`ere de la communication num´erique avec l’apparition d’un
nouveau mode de commutation le mode paquet :qui est une technique de commutation uti-
lis´ee dans le transfert des donn´ees dans les r´eseaux informatiques, il consiste au d´ecoupage
des donn´ees afin d’acc´el´erer le transfert.conmme r´eseaux num´eriques 2G,nous pouvons citer : le
GSM(le plus repandu),PDC(Personnal Digital Cellular),le CdmaOne(IS-95),et l’US-TDMA(IS-
136).
L’ajout de couches logicielles supplementaires des syst`emes 2G cas du GSM donna naissance
en premier lieu au GPRS(General Packet Radio Service) sous le nom commercial de 2,5G
ouvrant la voie `a un acc`es plus ou moins generalis´e `a internet et enfin l’EDGE(Enhanced
Data Rates GSM Evolution) denomm´e 2,75G servit de passerelle entre la 2G et la troisi`eme
g´en´eration(3G),am´eliorant notamment la vitesse de connexion `a Internet.Les syst`emes de deuxi`eme
g´en´eration comme le GSM, ont principalement ´et´e con¸cus pour la voix et il reste maintenant
aux syst`emes de troisi`eme g´en´eration de d´evelopper toute une gamme de services donn´es, tou-
jours dans un contexte de mobilit´e.
Les syst`emes dits 3G ont ´et´e con¸cus pour les communications multim´edias. Avec ces syst`emes,
les communications furent enrichies d’images et de vid´eo de grande qualit´e. L’acc`es aux informa-
3
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
tions et aux services, que ce soit sur des r´eseaux publics ou priv´es, ont ´et´e facilit´e par des d´ebits
nettement sup´erieurs et des fonctionnalit´es avanc´ees. Cela, combin´e avec l’´evolution continuelle
des syst`emes de deuxi`eme g´en´eration, cr´ea de formidables opportunit´es ´economiques, non seule-
ment pour les constructeurs et les op´erateurs, mais aussi pour les fournisseurs de contenus et
d’applications utilisant ces r´eseaux.
Il existe plusieurs technologies 3G dans le monde. Chacune d’elles suivent les recommandations
IMT2000 (International Mobile Telephony2000)de l’UIT(Union Internationale des T´el´ecommunications).
Suivant les continents la norme utilis´ee est diff´erente :
Europe : UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
Am´erique : CDMA-2000
Japon et Cor´ee : W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access)
Chine : TD-SCDMA
La particularit´e des technologies 3G est d’avoir un r´eseau cœur IP. De toutes ses normes
l’UMTS est donc la norme de t´el´ecommunications de troisi`eme g´en´eration dominante et utilise
la technologie W-CDMA comme m´ethode d’acc`es. Elle a ´et´e d´eploi´ee `a partir de 2004(france )
et 2012 en Cote d’ivoire avec la Release 99 (R99.
Le d´eploiement des r´eseaux mobiles de troisi`eme g´en´eration 3G entre autre,la norme UMTS
est pr´esentement bien avanc´e sur l’ensemble du globe terrestre. Ces r´eseaux permettent d’offrir
un plus grand confort d’utilisation, grˆace notamment `a des d´ebits plus ´elev´es, et contribuent au
d´eploiement de nouveaux services. Les r´eseaux 3G ont ´et´e d´evelopp´es dans le but d’augmenter
la capacit´e de transmission des donn´ees et ainsi am´eliorer le confort des usagers utilisant des
services multim´edia.
Cependant, la capacit´e des ses r´eseaux mobiles est encore limit´ee par rapport `a celle des
acc`es traditionnels filaires. Leur d´eveloppement est donc toujours tr`es actif.De plus la course
vers le tr`es haut d´ebit afin d’offrir plus services multimedias , avec le nombre d’utilisteurs
qui ne cessent de croitre avec un chriffre avoisinnant les sept(7)milliards courant 2014 selon
https ://itunews.itu.int/fr/3855-Le-nombre-dabonnements-aumobile-frole-les-septmilliardsbrUn-
telephone-pour-chacun-ou-presque.note.aspx visite le 15 mars 2015.
Figure I.1 – estimation du nombre d’abonn´es au LTE. source :http ://www.universfreebox.com/User-
Files/image/MobileLTE2019.png
a cela s’ajoute la consommation exponnentielle des donn´ees avec l’apparution de nouveaux
equipements mobiles :Smartphones, tablettes , phablettes etc ; ses r´eseaux se voient incapables
de satisfaire la demande et cela conduit a une nouvelle g´en´eration r´eseau mobile.
selon les pr´evisions m´en´ees par Ericsson mobility de juin 2014 nous pouvons constater la
Memoire de fin d’etude de Master page 4 GI
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
forte demande des services multimedias d’ici 2019.
Figure I.2 – importance des services multimedias
D`es lors les r´eseaux 2G e t 3G se voient satur´es et mˆemes d´epass´es,le probl`eme de disposer
d’une nouvelle technique d’acc`es s’impose. or l’histoire r´ecente des r´eseaux mobiles montre qu’`a
une nouvelle g´en´eration est associ´ee une nouvelle m´ethode d’acc`es aux ressources radio ainsi les
r´eseaux de quatri`eme g´en´eration(4G) sont les r´eseaux de demain, ils permettent une fois de plus
d’acc´el´erer le d´ebit et d’offrir un temps de latence tr`es faible de l’ordre de 30ms contrairement
a ses pr´ed´ecesseurs( 2G,3G,3G+) .
Figure I.3 – Evolution du GSM au LTE-ADVANCED
Memoire de fin d’etude de Master page 5 GI
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
I.2 La Quatri`eme G´en´eration :4G(LTE)
Au D´ebut des ann´ees 2000 les travaux scientifiques entam´es en vue de proposer une tech-
nologie d’acc`es permettant d’atteindre des d´ebits de l’ordre 100Mb/s pour un utilisateur en
mouvement et de 1 Gbit/s en mode stationnaire ont ´et´e entrepris. ces progr`es aboutirent sur
une nouvelle technologie d’acc`es bas´e sur l’ofdm permettant de supporter ce nombre croissant
d’abonn´es et la consommation exponentielle des donn´ees , ainsi en 2005 une nouvelle g´en´eration
de r´eseaux mobiles d´enomm´ee 4G apparu :
Le wimax forum mis en œuvre le wimax mobile sous le standard IEEE 802.16e.la
r´eplique du consortium 3GPP donna naissance au LTE (Long Term Evolution).Ces 2 normes
ne satisfaisaient pas les sp´ecifications techniques impos´ees pour les normes 4G par l’Union in-
ternationale des t´el´ecommunications (UIT) de l’IMT-2000. Ce qui leur a valu de les consid´erer
comme de normes de 3i`eme g´en´eration<3.9G >. En octobre 2010 l’UIT a reconnu la technologie
LTE-Advanced (´evolution de LTE d´efinie par le 3GPP `a partir de sa release 10) comme une
technologie 4G `a part enti`ere ; puis, il a accord´e en d´ecembre 2010, aux normes LTE et WIMAX
d´efinies avant les sp´ecifications IMT-Advanced et qui ne satisfaisaient pas compl`etement `a ses
pr´e-requis, la possibilit´e commerciale d’ˆetre consid´er´ees comme des technologies 4G, du fait
d’une am´elioration sensible des performances compar´ees `a celles des premiers syst`emes 3G :
UMTS et CDMA2000 extrait de fr.wikipdedia.org/wiki/4G.
Avant que la technologie Long Term Evolution (LTE) n’arrive `a maturit´e WiMAX ´etait
vu comme le futur des r´eseaux mobiles. D´esormais LTE a pris l’avantage dans le domaine des
technologies 4G,bien qu’`a l’heure actuelle les deux technologies aient des performances compa-
rables. LTE `a l’avantage d’ˆetre un descendant direct des r´eseaux 3G courants<UMTS> . Parmi
ces normes le cas LTE du consortium 3GPP, retient notre attention et fait l’objet d’une ´etude
d´etaill´ee.
L’´emergence du LTE est li´e `a une conjonction de facteurs techniques :
Capacit´e : on peut d´efinit la capacit´e d’une cellule comme ´etant le trafic total maximal
qu’elle peut ´ecouler en situation de forte charge au cours d’une p´eriode donn´ee. La capacit´e
d’une cellule est conditionn´ee par l’efficacit´e spectrale du syst`eme et la ressource spectrale dis-
ponible.
D´ebit : l’´evolution des d´ebits suit une progression semblable a celle de la capacit´e, chaque
nouvelle technologies de r´eseaux mobiles augmentant les d´ebits et suscitant une attente de
d´ebits sup´erieurs.
La Latence : la latence d’un syst`eme d´esigne le temps de r´eponse du syst`eme `a une requˆete
utilisateur.
et facteurs industriels (fabricants de semi-conducteurs,operateurs de t´el´ephonie,fabricants
de t´el´ephones. . . ).
Actuellement disponible dans plus de 75 pays dans le monde dont 6 en Afrique ( Afrique
du sud , ile Maurice , Ouganda ,Angola, Namibie selon Global Mobile Suppliers Association
(GSA) extrait du : www.afriqueitnews.com/2013/07/22/la-lte-est-dans-6-pays-africains) visit´e
le 15-05-15.
le r´eseau LTE est en pole ´evolution surtout avec le nombre d’abonn´es mondiale estim´e `a
la fin de l’ann´ee derni`ere `a 9,3 millions d’abonn´es au tr`es haut d´ebit sur la plan`ete contre
142 000 en 2010 selon :www.zdnet.fr/actualites/4g-deja-plus-de-9-millions-d-abonnes-lte-dans-
le-monde-39773949).
M´ethode d’acc`es :Le principe de l’OFDM
La m´ethode d’acc`es : ensemble de techniques mise en oeuvre permettant de beneficier de
fa¸con optimales des ressources radio disponibles : principe de l’OFDM.
Auparavant bas´e sur une modulation mono porteuse avec ´etalement de spectre et acc`es
multiples `a r´epartitions de codes (AMRC ou CDMA en anglais), cela occasionnait un
Memoire de fin d’etude de Master page 6 GI
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
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taux d’erreur par bit(BER) ´elev´e. Pour rem´edier `a ces d´esagr´ements, l’id´ee de repartir
l’information sur un grand nombre de porteuses a ´et´e introduite. Avec l’Orthogonal Fre-
quency Division Multiplexing (OFDM), la bande passante du syst`eme est d´ecoup´ee en
un grand nombre N sous-bandes appel´ees sous- porteuses (subcarriers).
Le principe est ensuite de diviser la suite des symboles d’origine, de duree Ts , en sous-
suites de symboles de duree T = N*Ts . Chaque sous-suite est alors emise sur une sous-
bande differente.
L’information est ainsi repartie sur un grand nombre de porteuses compos´ees de sous-
canaux tr`es ´etroits de largeur inferieure `a la bande de coherence du canal (si N est suffi-
sament grand). Pour ces derniers, la reponse frequentielle du canal peut etre consideree
comme constante. Ces sous- canaux sont donc non-selectifs en frequence, ce qui evite les
distorsions du signal et reduit considerablement le risque de pertes d’information.
Pour conclure, l’OFDM est une modulation multi-porteuse qui permet d’accroitre la ca-
pacit´e du syst`eme et d’apporter une meilleure r´esistance aux perturbations dues aux
multi-trajets. Le succ`es de l’OFDM est grandissant d’autant plus qu’il offre une tr`es
grande flexibilit´e dans l’allocation des ressources. En effet, chaque sous-porteuse peut
ˆetre allou´ee `a diff´erents utilisateurs avec des d´ebits sp´ecifiques. L’acc`es multiple pour la
technologie LTE est diff´erent de celui du W-CDMA. En effet LTE utilise L’OFDMA
(Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access), comme m´ethode d’acc`es dans le sens
descendant (Downlink) (eNodeB −→ UE), Elle est d´eriv´ee du multiplexage OFDM, mais
elle permet un acc`es multiple en partageant les ressources radio entre plusieurs utilisa-
teurs).
Pour le sens ascendant (Uplink) (UE −→ eNodeB), la m´ethode utilis´ee est SC-FDMA
(Single Carrier Frequency Division Multiple Acces),une variante de l’OFDMA,elles ont
pratiquement les mˆemes performances (d´ebit, efficacit´e. . . etc.), mais SC-FDMA transmet
les sous bandes s´equentiellement pour minimiser le PAPR (Peak-to-Average Power Ratio,
OFDMA a un grand PAPR), ceci est n´ecessaire, car l ’´equipement terminal est dot´e d’une
batterie d’une dur´ee de vie limit´ee.
Il utilise les techniques de duplexage : FDD & TDD
Cette diversit´e fr´equentielle procur´ee par la subdivision de la bande passante en sous-
porteuses, ajout´ee `a la diversit´e multi-utilisateurs, peut conduire `a un syst`eme extrˆemement
efficace s’il est utilis´e avec un algorithme d’allocation de ressources ad´equat.
Le terme LTE d´esigne la technologie radio utilis´ee dans le r´eseau d’acc`es E-UTRAN(Evolved
Universal Terrestrial Radio Access Network), celui ci est pr´evu pour ˆetre attach´e au r´eseau
cœur EPC d´evelopp´e par le groupe de travail System Architecture Evolution (SAE).
E-UTRAN plus EPC constituent le r´eseau complet appel´e EPS (Evolved Packet Sys-
tem).L’architecture du r´eseau de haut niveau de LTE comporte trois composants princi-
paux :
The User Equipment (UE).
The Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN).
The Evolved Packet Core (EPC).
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CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
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Figure I.4 – Architecture compl`ete du LTE. source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetwork-
architecture.html
The User Equipment (UE)
Les terminaux LTE (appel´es User Equipment ou UE dans les sp´ecifications 3GPP) peuvent
ˆetre des t´el´ephones (Smartphones et phablettes), des cl´es-modems USB ou tout autre
type d’´equipements fixes ou mobiles (GPS, ordinateur, ´ecran vid´eo. . . ).on distingue 5
cat´egories de terminaux comme mention´e dans le tableau.
Figure I.5 – cat´egories des terminaux compatibles LTE. source : LTE (reseaux mobiles wikipedia consulte le
19-05-15
Memoire de fin d’etude de Master page 8 GI
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
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R´eseau d’acc`es(E-UTRAN)
Le r´eseau LTE offre une architecture simplifi´ee du r´eseau mobile, aussi bien au niveau
du r´eseau d’acc`es que du r´eseau cœur. En effet, le r´eseau d’acc`es E-UTRAN (evolved
UTRAN ) ne contient plus qu’un seul nœud, l’Evolved Node B (eNodeB) auquel est rat-
tache les UEs (User Equipment).
L’eNodeB d’E-UTRAN est capable de g´erer plusieurs cellules logiques. Il g`ere enti`erement
le lien radio entre autre :
– modulation, d´emodulation : il utilise, comme HSDPA et WiMAX, les modulations
QPSK, 16 QAM et 64 QAM.
– codage, d´ecodage.
– contrˆole des ressources : cr´eation, modification ou destruction de bearer (dirig´e par le
MME), allocation de nouveaux canaux, etc.
– gestion de la mobilit´e radio : d´ecision de lancer une proc´edure de handover et choix de
son type : utilisant l’interface X2, ou S1 etc.
Figure I.6 – architecture de L’E-UTRAN .source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetwork-
architecture.html visite le 19-05-15
R´eseau cœur(EPC)
Une grande ´evolution apport´ee par le r´eseau LTE est l’abandon complet de la m´ethode de
commutation de circuits utilis´ee dans les r´eseaux GSM pour acheminer la voix. Absolu-
ment toutes les donn´ees passent par le r´eseau EPC utilisant la commutation de paquets.
Ce choix d’utiliser la Voice over IP (VoIP) simplifie encore l’architecture du r´eseau mo-
bile et sa gestion, c’est pourquoi on dit qu’il est tout IP. L’EPC contient beaucoup de
fonctionnalit´es pouvant ˆetre regroup´ees en plusieurs nœuds physiques quatre nœuds voire
cinq selon certaines sources :
– PDN-GW (Packet Data Network Gateway) : Il connecte le r´eseau EPC avec le r´eseau
ext´erieur appel´e PDN. Il est responsable du routage et permet aussi de remplir la fonction
de pare-feu.
– SGW (Serving Getway) : il est en bordure du r´eseau d’acc`es, il route les paquets down-
link vers le eNodeB courant du UE .Le SGW g`ere aussi l’interfa¸cage du EPC avec les
r´eseaux d’acc`es ; en effet la technologie EUTRAN n’est pas la seule `a pouvoir se connecter
au EPC.
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CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
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Il peut ˆetre li´e `a plusieurs PGW pour permettre aux UEs d’ˆetre connect´es simultan´ement
`a diff´erents PDN. Dans le cas o`u l’UE est en mode idle le SGW peut ˆetre amen´e `a mettre
en cache les paquets downlink lui ´etant destin´es, le temps pour le MME de <r´eveiller>
le UE et de construire les bearers radio.
– MME (Mobility Management Entity) : Il incorpore certaines parties du SGSN n’ayant
pas ´et´e plac´ees dans le SGW. Il y a un MME par SGW. Il g`ere toutes les fonctions du
plan de contrˆole (il n’est d’ailleurs pas sur le plan de donn´ees) relatives aux UE (via
la couche Non- Access Stratum (NAS) dont il est le nœud terminal) et aux bearers. Il
authentifie les UEs sur le r´eseau et le r´eseau aupr`es d’eux (proc´edure Authentication and
Key Agreement (AKA)), en plus de g´erer le cryptage des communications. Il route les
demandes de cr´eation de bearer provenant du PGW ou du UE et g`ere la n´egociation
de leur QoS associ´ee. Lorsque le UE est en ´etat idle et qu’une requˆete lui est destin´ee,
c’est au MME d’indiquer au SGW o`u se trouve le UE ; il g`ere donc la mobilit´e du UE.
Il est aussi responsable du choix du SGW `a la connexion des UEs ou lors de handover
entre deux eNodeB n´ecessitant un changement de r´eseaux cœur (changement de SGW ou
PGW). Le MME est li´e au Home Subscriber Server (HSS) pour pouvoir authentifier les
UEs et enregistrer leurs ´etats et leurs localisations,il est aussi charg´e d’allouer aux UEs
un identifiant temporaire lors de leur connexion. Il g`ere au niveau du plan de contrˆole la
mobilit´e entre les diff´erents r´eseaux d’acc`es possibles.
– HSS (Home Subscriber Server) : C’est une base de donn´ees stockant les informations
sur les sessions des UEs, comme la QoS `a laquelle ils ont souscrit. Le HSS fait aussi partie
des nœuds g´erant la mobilit´e de l’UE dans le sens o`u il enregistre leur localisation pour
le MME ou d’autres nœuds de technologies diff´erentes comme le SGSN.
Figure I.7 – architecture du r´eseau cœur.source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetworkarchi-
tecture.html visite le 19-05-15
Structure d’une trame LTE
L’op´eration de l’interface radio dans le domaine temporel est d´ecoup´ee en trames radio
cons´ecutives de 10 ms. Une trame radio est divis´ee en dix sous-trames de 1 ms chacune,
num´erot´ees de 0 `a 9. La sous-trame constitue un TTI (Transmission Time Interval), c’est-
`a-dire l’intervalle de temps de transmission ´el´ementaire pouvant ˆetre allou´e `a un UE. Il
existe deux types de structures de trames :
– Le type 1 est adapt´e au FDD et au FDD half-duplex.
Memoire de fin d’etude de Master page 10 GI
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
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– Le type 2 est adapt´e au TDD.
Dans la structure de trame de type 1, chaque sous-trame est divis´ee en deux slots de 0,5
ms chacun.
Les slots d’une trame radio sont num´erot´es de 0 `a 19. En FDD, dix sous-trames sont
disponibles pour la voie montante et dix sous-trames sont disponibles pour la voie des-
cendante par p´eriode de 10 ms, puisque les voies montante et descendante op`erent sur
des fr´equences diff´erentes. En FDD half-duplex, un UE ne peut transmettre et recevoir
simultan´ement, ce qui restreint le nombre de sous-trames utilisables dans chaque direction
de transmission.
Figure I.8 – structure de trame en FDD et FDD half-duplex (extrait du livre LTE et les reseaux 4G p92)
Les performances du r´eseau LTE
– Une mobilit´e `a toute ´epreuve : L’un des grands avantages des r´eseaux mobiles est d’ˆetre
disponible partout, tout le temps , en tout lieu et toujours connect´e et `a n’omporte qui
(everywhere, anytime, anyone).Pour cela les r´eseaux 4G ont ´et´e pr´evus pour fonctionner
aussi bien dans les zones denses que dans les zones rurales.assur´ee la connexion `a des
vitesse de 120 voire 350km/h.
– Des temps de r´eponse rapides : La 4G propose pour cela une latence moyenne de 20ms
et peut descendre en dessous de 5ms. Ceci permet de supporter les services temps r´eel IP
nativement, comme la voix sur IP et le streaming sur IP.
– La voix sur IP : La 4G propose un service de voix sur IP. En effet ce standard s’appuie
sur un r´eseau de transport de paquet IP. Il n’est pas pr´evu de mode d’acheminement pour
la voix, autre la VoIP.
– D´ebit sur l’interface radio :Les performances couramment attribu´ees au r´eseau LTE sont
de 100 Mbps minimum en downlink en consid´erant une allocation de bande de fr´equence
de 20 MHz et un d´ebit maximum montant instantan´e (du terminal au r´eseau) de 50Mbit/s
en consid´erant aussi une allocation de bande de fr´equence de 20 MHz (avec un terminal
de cat´egorie 3) avec un d´elai d’aller-retour de moins de 10 ms (minimum de 1 ms) . Ces
param`etres correspondent au but que s’´etait fix´e le projet `a son lancement, soit multiplier
par trois ou quatre le d´ebit en downlink et par trois le d´ebit uplink compar´e `a HSPA.
La taille des cellules a elle aussi augment´e, pouvant aller jusqu’`a 100 Km en zone rurale ;
bien qu’il soit possible de maximiser le d´ebit en utilisant de hautes fr´equences (jusqu’`a
2,4 GHz).
Chaque cellule pouvant supporter au minium jusqu’`a 200 UE.
Memoire de fin d’etude de Master page 11 GI
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
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– Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G :Le handover entre E-UTRAN (LTE) et
UTRAN (3G) doit ˆetre r´ealis´e en moins de 300ms pour les services temps-r´eel et 500 ms
pour les services non temps-r´eel. Il est clair qu’au d´ebut du d´eploiement de la LTE peu
de zones seront couvertes. Il s’agira pour l’op´erateur de s’assurer que le handover entre
LTE et la 2G/3G est toujours possible. Le handover pourra aussi s’effectuer entre LTE et
les r´eseaux CDMA-2000. Les op´erateurs CDMA ´evolueront aussi vers la LTE qui devient
le vrai standard de communication mobile de 4i`eme g´en´eration.
– Flexibilit´e dans l’usage de la bande : Comme indiqu´e pr´ec´edemment E-UTRAN doit
pouvoir op´erer dans des allocations de bande de fr´equence de diff´erentes tailles incluant
1.4, 3, 5, 10, 15 et 20MHz.
– Connexion permanente : Garanti une connexion permanente a l’acc`es internet l’un des
principes du haut d´ebit.
– Couverture de cellule importante :La couverture de la cellule est importante dans les
zones urbaines et rurales .Une cellule 4G peut couvrir 5km de diam`etre dans les zones
fortement peupl´e et s’´etendre jusqu’`a 100 km dans les zones les plus recul´e avec l’acquisi-
tion de la bande des 700 MHz. il sera donc possible de consid´erer des cellules qui pourront
couvrir un large diam`etre. LTE supporte MIMO en uplink et downlink ce qui lui permet
de multiplier par quatre l’efficacit´e spectrale et par dix le nombre d’usagers par cellule,
compar´e aux premi`eres versions d’UMTS .
Une nouvelle version du LTE appel´ee LTE advanced correspondant `a la version 10 des
sp´ecifications est en cours d’experimentation. Cette version appartient r´eellement `a la
cat´egorie 4G et est totalement compatible avec la technologie LTE actuelle.
I.2.1 LTE QoS
La QoS est un des facteurs les plus important dans les r´eseaux informatiques plus pr´ecis´ement
dans les r´eseaux mobiles voir les r´eseaux 4G. La satisfaction d’un service demand´e requiert un
minimum de QoS `a mettre en œuvre pour un UE. La qualit´e de service (QdS) ou Quality of
service (QoS) est la capacit´e de transmission dans de bonnes conditions d’un certain nombre
de paquets dans une connexion entre un ´emetteur et un r´ecepteur, et cela peut ˆetre pr´esent´e
sous plusieurs termes tel que la disponibilit´e, d´ebit, d´elai de transmission, gigue, taux de perte
de paquets... Son but ´etant donc d’optimiser les ressources du r´eseau et de garantir de bonnes
performances aux applications. La qualit´e de service sur les r´eseaux permet d’offrir aux utilisa-
teurs des d´ebits et des temps de r´eponse diff´erenci´es par application suivant les protocoles mis
en œuvre au niveau de la couche r´eseau.
Le contrˆole de la qualit´e de service est essentiel pour l’op´erateur afin de garantir une
exp´erience satisfaisante `a l’utilisateur. La technologie LTE offre des m´ecanismes dits de qualit´e
de service diff´erenci´ee afin de faciliter la prise en compte des contraintes de services diff´erents.
Les services mobiles peuvent ˆetre distingu´es selon deux crit`eres principaux, souvent intimement
li´es.
Le service est-il temps-r´eel ou non temps-r´eel ?
Le service tol`ere-t-il des erreurs de transmission ?
Ces crit`eres de service permettent une prise en charge diff´erenci´es de la part du r´eseau.
Ce qui facilite la tache. le traitement d’un appel voix ne se verra pas imposer les mˆemes
contraintes que le t´el´echargement d’un fichier. D’une mani`ere g´en´erale, les services temps-
r´eel (par exemple, un appel voix ou un appel de streaming vid´eo) requi`erent des d´elais de
transmission courts mais peuvent tol´erer des erreurs de transmission. En revanche, les services
non temps-r´eel (par exemple, un t´el´echargement de courrier ´electronique ou de fichier) revˆetent
des contraintes de d´elais relˆach´ees mais ne tol`erent pas d’erreurs de transmission. Le r´eseau LTE
Memoire de fin d’etude de Master page 12 GI
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
utilise donc des techniques de QoS permettant de diff´erentier les services et notamment la VoIP
de mani`ere `a prioriser au maximum ses paquets et ´eviter une d´egradation des communications
t´el´ephoniques. Dans le r´eseau LTE la QoS est fournie entre l’UE and PDN (packet data network
Gateway ou internet) et est appliqu´ee au Syst`eme du Paquet ´Evolu´e (EPS) ), porteur de la
partie-radio(ERAB ), porteur S1 et porteur S5/S8 via un ensemble de porteurs : Bearers,
collectivement appel´e EPS bearer Voir figure ci-dessous.
Figure I.9 – QoS au sein du r´eseau LTE (extrait du livre LTE et les reseaux 4G p92)
A fin de repondre aux besoins sp´ecifiques de chaque types de trafic selon le mecanisme de
QoS(identifier et de traiter distinctement chaque type de flux) , le concept de bearer EPS par
d´efaut et bearer EPS d´edi´e ont ´et´e mis en œuvre :
D´efaut : est par d´efaut est ´etabli quand un UE est attach´e initialement `a LTE ´etablissant des
contacts mˆeme en mode idle.
D´edi´e : toujours ´etabli quand il y a besoin de fournir QoS sp´ecifique comme : VoIP, etc de la
vid´eo.
Certaines applications n´ecessitent un d´ebit garanti par le r´eseau, par exemple une session
de streaming vid´eo ou un appel voix. Le bearer EPS qui est associe doit alors garanti ce d´ebit.
on fait r´ef´erence a un bearer GBR (Guaranteed Bit Rate), lorsque les ressources sont allou´ees
de facon persistante au sein du r´eseau a ce bearer ou a un bearer Non-Guaranteed Bit Rate
(non-GBR) sinon. Un bearer par defaut est toujours non-GBR tandis qu’un bearer dedi´e est
soit GBR ou non- GBR. Voir figure ci-dessous.
Figure I.10 – diff´erents types de bearer en LTE
Un bearer est d´ecrit par un ensemble de param`etres qui s’appliquent `a l’interface ainsi qu’aux
´equipements qui le g`erent. Voici quelques param`etres qos class´es en fonction du QCi (´el´ement
Memoire de fin d’etude de Master page 13 GI
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
cl´e de la QoS).
QoS Class Identifier (QCI) :est le param`etre d´efini au sein du syst`eme LTE/EPC pour
diff´erencier les qualit´es de services entre les flux de services diff´erents. L’UE et les autres nœuds
du r´eseau tels que l’eNb, la S-GW,la P-GW d´eterminent le traitement `a appliquer aux paquets
de donn´ees d’un bearer EPS en fonction de valeurs de QCI d´efinie pour ce bearer. neuf QCI on
´et´e identifie par la norme 3GPP. Table de correspondance des param`etres QCI.
Figure I.11 – QCI standardis´e du r´eseau LTE .source LTE et les reseaux 4G
I.2.2 Les Services Multimedias Emergents
Il est encore tˆot pour identifier avec certitude de nouveaux services associ´es au LTE. N´ean-
moins, les caract´eristiques techniques de ce dernier permettent de d´egager quelques pistes. Le
premier changement apport´e par le LTE en termes d’exp´erience utilisateur est donc un confort
accru d’utilisation des services en ligne : les pages web et les courriers ´electroniques se chargent
rapidement grˆace au tr`es haut d´ebit, tandis que la latence r´eduite garantit une r´eponse quasi-
instantan´ee aux requˆetes, par exemple pour lancer le chargement d’une page web ou d’une
vid´eo.
Le tr`es haut d´ebit permet ´egalement l’introduction de nouveaux services mobiles tels que la
vid´eo haute d´efinition en 3D, sur des ´ecrans larges de type tablettes, phablettes.
De plus, la faible latence ouvre la porte `a de nouveaux services mobiles difficiles `a mettre
en œuvre jusque-l`a. On peut notamment citer les jeux vid´eo en r´eseau, qui devraient ainsi se
d´evelopper sur terminal mobile. La faible latence permet aussi d’accompagner sur les r´eseaux
mobiles des ´evolutions de l’Internet fixe, comme le d´eveloppement des services de type cloud
computing ou SaaS (Software as a Service), o`u l’utilisateur fait appel `a des capacit´es de calcul
et un logiciel mis en œuvre sur un serveur distant, les ressources de calcul du terminal ne servant
qu’`a l’acc`es au r´eseau et `a assurer l’interface utilisateur. La faible latence est essentielle pour
ces services afin d’assurer `a l’abonn´e une perception du service similaire `a celle qu’il aurait avec
un logiciel install´e directement sur le terminal.
Memoire de fin d’etude de Master page 14 GI
CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
La capacit´e accrue permet de d´evelopper des services qui jusque-l`a auraient pu ˆetre `a l’origine
d’une saturation du r´eseau dans le cas d’un usage simultan´e par un grand nombre d’abonn´es :
on peut citer, par exemple, l’acc`es continu `a des contenus en ligne, comme des web radio, ou des
vid´eoth`eques ou discoth`eques num´eriques, les terminaux recevant le m´edia en temps r´eel au lieu
de le lire sur leur m´emoire locale. Enfin, les d´ebits confortables combin´es `a une meilleure capa-
cit´e permettent l’introduction de modules LTE dans des ´equipements jusque-l`a non connect´es
au r´eseau.
On peut par exemple citer des appareils photo ou des cam´eras vid´eo qui enverraient leurs images
ou vid´eos directement sur un blog en ligne, ou des lecteurs multim´edias t´el´echargeant des vid´eos
et de la musique. Les communications de machine `a machine, commun´ement appel´ees M2M
(Machine- to-Machine)ou MTC (Machine-Type Communications), sont ´egalement appel´ees `a
se d´evelopper grˆace au LTE. Ces derni`eres recouvrent une large gamme de services, allant, par
exemple, de cam´eras de vid´eosurveillance transmettant continuellement vers un serveur avec un
d´ebit de l’ordre de quelques centaines de Kbit/s, `a des capteurs renseignant `a distance l’´etat de
compteurs de consommation ´electrique, qui transmettent typiquement avec un d´ebit tr`es faible
une fois par mois.
Ces derniers, toutefois, ne n´ecessitent pas les hautes performances du LTE, et ne se d´evelopperont
vraisemblablement que lorsque le coˆut des terminaux LTE sera suffisamment faible. Les ´evolutions
technologies croissantes de la LTE ouvrent la porte vers de nouveaux services tres strictes en
termes de qos et necesssit´e de disposer de bandes fr´equences hautes comme basses s’imposent.
Memoire de fin d’etude de Master page 15 GI
Chapitre II
NECESSITE D’OBTENTION DE
FREQUENCES EN DESSOUS DES
1GHZ ET ETUDE DE LA BANDE
DES 700MHZ
II.1 N´ecessit´e d’obtention de fr´equence en dessous des 1GHz
Depuis une quinzaine d’ann´ee l’on assiste au passage progressive de la t´el´evision analogie
vers num´erique sur l’ensemble du globe terrestre .cela occasionna donc le d´egagement de bandes
de fr´equences qui feront plutard l’objet de sollicitation pour le compte des communications
´electroniques. Ainsi en novembre 2007 apr`es des d´ebats tr`es difficile a la CMR -07(conf´erence
mondiale des radiocommunications 2007), la possibilit´e a ´et´e donn´ee pour les pays de la r´egion
1 d’utiliser la bande 790-862 MHz dite 800 MHz, issue du dividende num´erique1, au service
mobile. Et les autres r´egions (Amerique et Asie-Pacifique), ou les fr´equences au dessus de 806
Mhz ´etaient d´ej`a utilises la possibilit´e a ´et´e donn´e d’utiliser la bande des 700Mhz 698-806 .
extrait de 052 053 UIT.pdf.Un plan de fr´equence du dividende numerique1 .
Figure II.1 – plan de r´epartition des fr´equences du dividende numerique1. source 052 053 UIT.pdf
16
CHAPITRE II. NECESSITE D’OBTENTION DE FREQUENCES EN DESSOUS DES 1GHZ ET ETUDE
DE LA BANDE DES 700MHZ Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
Ainsi la bande 800 MHz vient compl´eter la bande 2500 – 2690 MHz dite 2,6 GHz, harmonis´ee
au niveau mondial comme bande d’extension pour les services mobiles des r´eseaux 4G.
Suite aux divergences d’harmonisations rencontr´ees lors du pr´ec´edant dividende num´erique,
en f´evrier 2012 a la CMR-12 des actions sont men´ees pour mettre un terme a cette situation.
Les pays du moyen orient et de l’Afrique se rendirent compte que disposer des 800 Mhz pour
les services mobiles actuels ne leurs permettaient pas de satisfaire la demande sans ouvrir
de nouveaux spectres de fr´equences. Un d´egagement de fr´equences est donc envisageable :
dividende numerique2.
la bande 694- 790 Mhz dite 700 MHz ou encore appel´e fr´equence d’or issue de cet
deuxi`eme dividende num´erique a ´et´e inscrit dans le cadre du point de l’ordre du jour 1.2 de
la prochaine CMR-15( pr´evue en octobre -novembre 2015).un accent a donc a ´et´e tout par-
ticuli`erement mis sur l’harmonisation des conditions techniques et r´eglementaires qui confir-
mera l’utilisation de cette bande. La bande 700 MHz compl`etera la bande 800 MHz (dividende
num´erique 1), pour le d´eploiement des r´eseaux larges bandes en dessous de 1 GHZ.
Figure II.2 – Un plan de fr´equence harmonis´e des 2 premiers dividende num´erique selon 3GPP. source
Presentation-W-Bocquet-GSMA.pdf parue le 1er octobre 2014. source 052 053 UIT.pdf
L’acc`es au spectre constitue un enjeu majeur pour satisfaire les futurs besoins des services
mobiles `a tr`es haut d´ebit. L’augmentation croissante des usages mobiles appelle en effet d`es
`a pr´esent `a l’identifitier de nouvelles bandes de fr´equences, afin de faire correspondre dans
le futur les volumes de trafic mobiles attendus avec les quantit´es de fr´equences ad´equates.
De plus la g´en´eralisation de l’Internet haut d´ebit mobile, l’´evolution vers des d´ebits encore
plus ´elev´es (et la croissance anticip´ee du trafic) n´ecessite de r´eexaminer l’ad´equation des res-
sources en fr´equences mises `a disposition des op´erateurs aux besoins associ´es `a la poursuite du
d´eveloppement des services de communications mobiles. Des ´etudes men´ees ces derni`eres ann´ees
ont r´ev´el´es une saturation au d´ebut de la prochaine d´ecennie des bandes de fr´equences actuel-
lement utilis´ees par les services mobiles, notamment dans les zones urbaines (agglom´erations `a
forte densit´e d’utilisateurs).La croissance des d´ebits et du trafic conduit in´evitablement `a un
besoin suppl´ementaire en ressources hertziennes, et ce malgr´e la meilleure efficacit´e spectrale
des futurs syst`emes mobiles. Ainsi, l’Union Internationale des T´el´ecommunications (UIT) es-
time dans un rapport publi´e en 2006 que les besoins en fr´equences `a l’horizon 2020 - incluant
les bandes de fr´equences d´ej`a identifi´ees - seront compris entre 1280 et 1720 MHz extrait du
Rapport UIT-R M.2078 – “Estimated spectrum bandwidth requirements for the future de-
velopment of IMT-2000 and IMT- Advanced”).En attendant la reconversion de la bande 700
MHz en vue de son utilisation pour les services mobiles , une ´etude sur cette derni`ere serait la
bienvenue. L’une des particularit´es de cette bande est qu’elle est utilis´ee en grande partie par la
t´el´evision avec des puissances d’´emissions importantes ce qui favorisera un d´eploiement rapide
des r´eseaux a large bande.
Memoire de fin d’etude de Master page 17 GI
CHAPITRE II. NECESSITE D’OBTENTION DE FREQUENCES EN DESSOUS DES 1GHZ ET ETUDE
DE LA BANDE DES 700MHZ Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
II.2 Etude de la bande des 700MHz
Avant tout propos il est bon de savoir que, toutes les fr´equences ne sont pas ´egales : une
distinction doit ˆetre faite entre les fr´equences basses, situ´ees en dessous de 1 GHz (1000 MHz),
et les fr´equences hautes, situ´ees au dessus de 1 GHz, dont les caract´eristiques physiques de
propagation radio´electrique sont tr`es diff´erentes.
Les bandes en dessous des 1 GHz commun´ement appel´e fr´equence d’or1 comme c’est le cas
des 700MHz issue du prochain dividende num´erique2 ont des caract´eristiques intrins`eques
qui leur sont propres . En effet les bandes de fr´equences situ´ees au dessus de 1 GHz permettent
de faire face `a l’augmentation des d´ebits et du trafic, la r´ealisation d’une couverture efficiente,
notamment en zone rurale, et l’am´elioration de la qualit´e de r´eception des r´eseaux n´ecessite
la mise `a disposition de fr´equences en dessous de 1 GHz. Ces fr´equences disposent en effet
de meilleures qualit´es physiques `a l’int´erieur des bˆatiments. Elles sont adapt´ees `a la r´ealisation
d’une couverture ´etendue du territoire par les services mobiles dans des conditions ´economiques
raisonnables, ainsi qu’ une p´en´etration `a l’int´erieur des bˆatiments(p´en´etration de 0.50m dans
les mat´eriaux) ´equivalente `a celle des r´eseaux existants,d’ou le surnom de fr´equences en or .
Figure II.3 – compl´ementarit´e fr´equence hautes et fr´equences basses. source consult-divid-num-130707.pdf
Comme nous pouvons le constater( figure ci-dessous) les fr´equences basses a elles seules ne
suffisent pas pour satisfaire les besoins des services mobiles. Il est donc naturel de disposer
de davantage de fr´equences hautes et basses pour r´epondre aux besoins de d´eveloppement sur
l’ensemble du territoire de l’acc`es Internet mobile vers des d´ebits plus ´elev´es.
Memoire de fin d’etude de Master page 18 GI
CHAPITRE II. NECESSITE D’OBTENTION DE FREQUENCES EN DESSOUS DES 1GHZ ET ETUDE
DE LA BANDE DES 700MHZ Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
Figure II.4 – haut d´ebit et n´ec´essit´e de disposer fr´equence haute et fr´equence basse : source consult-divid-
num-130707.pdf
Table II.1 – avantages et Inconvenients des fr´equences en or
AVANTAGES INCONVENIENTS
Meilleure couverture (
propagation physique plus
robuste)
Faible largeur bande
Meilleure p´en´etration al-
lant 420 a 500 mm soit
0.50m dans l’ensemble des
mat´eriaux de construc-
tions
Faible capacit´e
Faible att´enuation Historiquement occupe
pour la t´el´evision analogie
avantage non n´egligeable
en termes de coˆuts de
construction des r´eseaux
lesquels n´ecessitent
un nombre plus faible
d’´emetteurs
Tr`es couteux : la vente
du droit `a l’utilisation de
ces fr´equences aux princi-
paux op´erateurs est d’un
grand rapport financier
pour l’´etat
[1] :700 MHz nomm´ees fr´equences en or en raison de leur extrˆeme pouvoir de p´en´etration
-allant de 420 `a plus de 500 mm - soit environ 0,50 m dans l’ensemble des mat´eriaux de
construction extrait du site :www.alternativesante.fr/onde-electromagnetique/les-frequences-
en-or-arme-de-destructions-massives).
Dans le premier chapitre nous avons pr´esent´e l’evolution des r´eseaux mobiles et d´ecrire le
r´eseau LTE , ses performances, la QoS qu’il met en place et les services ´emergents possible `a
offrir. ensuite le deuxi`eme chapitre nous avons parl´e de l’importance des bandes de frequences
en dessous des 1GHz (700 MHz) et inconvennients.
. Ce qui va nous int´eresser par la suite et fait l’objet de ce m´emoire est la suggestion d’algo-
rithmes d’ordonnancement qui tiennent compte des contraintes et exigences en vue de garantir
une meilleure gestion de la QoS sous la 4G.
L’etroitesse de la largeur de bande disponible sous ses bandes avec les services emergents
possibles un compromis doit etre trouver afin de garantir la QoS de ses services.
Memoire de fin d’etude de Master page 19 GI
Chapitre III
POLITIQUE
D’ORDONNANCEMENT
III.1 Ordonnancement
Dans un souci de performances du syst`eme en particulier du r´eseau d’acc`es, il est important
de se doter d’outils techniques ad´equates en vue de satisfaire la demande des services propos´es
et sollicit´es dans de meilleurs conditions : de nombreuses techniques ont ´et´e mise en œuvre au
sein de la m´ethode d’acc`es dont l’ordonnancement.
L’ordonnancement est l’un des plus importants m´ecanismes de gestion de ressources dans
les r´eseaux informatiques en particulier dans les r´eseaux mobiles sans fil tel est le cas : LTE, il
permet de d´eterminer `a quel utilisateur il convient de transmettre dans un intervalle de temps
donn´e le ou les ressources n´ecessaire tout en procurant une ´equit´e ´elev´ee. C’est un ´el´ement
d´eterminant dans la conception puisqu’il r´epartit l’allocation du canal entre les utilisateurs et
ainsi, d’une mani`ere g´en´erale, d´etermine le comportement global du syst`eme. Un d´ebit optimal
du syst`eme peut ˆetre obtenu en affectant toutes les ressources radio `a l’utilisateur avec les
meilleures conditions radio du canal, n´eanmoins un Ordonnanceur, en pratique, devrait avoir
plusieurs niveaux d’´equit´e. La pr´ediction de la qualit´e du canal, la capacit´e de la cellule, ainsi
que des classes diff´erentes de priorit´es de trafic sont des exemples d’informations sur lesquels
l’Ordonnanceur se base pour ses prises de d´ecisions.
Le LTE d`es son d´eploiement reposait sur des techniques d’ordonnancement de type classique
qui maximisaient le d´ebit comme crit`ere de QoS sans trop tenir compte de la QoS des services,
du canal, et la diff´erenciation des services .or avec le nombre croissant des utilisateurs , l’ap-
parition de nouveaux ´equipements : Smartphones ,tablettes et phablettes etc, permettent de
applications multim´edias ´evolu´ees : vid´eo a la demande ,vid´eoconf´erence , jeu en ligne . . . .etc.,
gourmandes en ressources et strictes en termes de QoS. Il est opportun de disposer des tech-
niques d’ordonnancement qui r´epondent `a ses besoins pour une meilleure ´equit´e des ressources
disponibles et une diff´erenciation de services. De plus, il n’existe pas d’algorithmes standards,
le choix est propre `a chaque operateur en fonctions de certains facteurs qu’il d´efinit.
Pour cela nous allons nous int´eresser `a une tˆache importante de l’eNodeB pr´esente dans la partie
LTE(reseau d’acc`es), c’est le RRM (Radio Resource Management) son objectif est d’accepter
ou de rejeter les demandes de connexion au r´eseau, en assurant une distribution optimale des
ressources radio entre les UEs (Users Equipements). Il est constitu´e principalement de deux
´el´ements AC (Admission Control) est responsable de l’acceptation et du r´ejet des nouvelles
requˆetes et PS (Packet Scheduling) r´ealise l’allocation des ressources, efficacement aux diff´erents
utilisateurs d´ej`a accept´es par l’AC. Dans ce travail on se focalisera sur le PS ou ordonnanceur,
qui r´ealise une allocation efficace des ressources radio dans les deux sens c’est-`a-dire Uplink et
Downlink (consid´er´e dans notre cas) en tenant compte des param`etres tels que :
⊕ les conditions de propagation radio sp´ecifiques dont ils b´en´eficient sur chaque unit´e de res-
source.
⊕ les volumes de donn´ees qu’ils ont `a transf´erer/recevoir,
20
CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
⊕ les contraintes de qualit´e de service `a respecter (PLR, d´elai)...
Ainsi, en faisant le meilleur tri donc un choix parmi ses diff´erents algorithmes d’ordonnance-
ment, les op´erateurs peuvent adapter sur mesure le comportement du syst`eme `a leurs besoins.
III.2 Etat de L’Art
Avant d’aborder ces differentes classes d’algorithmes qui existent, voyons `a present le mod`ele
math´ematique sur lequel s’appuie ces algorithmes.
III.2.1 Modelisation Math´ematique
Les algorithmes que nous verrons par la suite sont inspir´es de ce mod`ele present´e par Haider
Safa and Kamal Tohme `a l’ International Conference on Telecommunications (ICT), 2012.il
permet de calculer le d´ebit(represent´e par r) atteint par l’utilisateur k sur une seule sous
trame(TTI).
r k =
N
N=1
ρk,n *
qk,max(gk,∗
n)
j=1
bk,j ∗rj
[1]
Avec :
ρk,n : indicateur du nombre de SB(scheduling blocks) allou´e `a un utilisateur.
q k, maxg k, n *
:la plus grande valeur de MCS obtenue sur le n-i`eme SB pour la valeur
de CQI,
g k, n : indicateur de la qualit´e du canal (CQI) et n* :valeur max de CQI dans tous les SBs.
b k, j : est le MCS choisi pour l’utilisateur k sur tous les SBs qui lui sont allou´es.
rj
: le d´ebit atteignable par un seul SB.
Donc, le probl`eme d’allocation de ressources radio `a pour but de maximiser le d´ebit des
utilisateurs sous les contraintes suivantes :
max
N
k=1
rk [2] sous contrainte que :
r k≥ R k ∀k [3]
ρk,n = 1, ρk ,n = 0, k =k’ [4](un SB est allou´e `a un et un seul utilisateur )
qk,max(gk,∗
n)
j=1
bk,j=1 [5] tous les SBs d’un utilisateur emploient un seul MCS
: veut dire en indice.
[2] :la fonction objectif qui vise `a maximiser le d´ebit,
[3] :la fonction visant a assur´e un d´ebit minimal pour tous les utilisateurs (c.-`a.-d. assur´e
une certaine QoS)
Memoire de fin d’etude de Master page 21 GI
CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
[4] :assure qu’un SB peut ˆetre attribu´e `a un seul utilisateur,
[5] :tous les SBs d’un utilisateur emploient un seul MCS (contrainte sur les r´eseaux LTE)
NB :SB (scheduling block) minimale de ressources allou´ees a un utilisateur qui est constitu´e
deux 2 Ressources blocks(RB) cons´ecutif =une sous-trame (1ms)=1 TTI .
RB = 1 Slot
III.2.2 Differentes classes d’Algorithmes
L’objectif des ordonnanceurs est en priorit´e de r´eussir `a acheminer un maximum d’informa-
tions vers la/les destination(s). Pour ce faire, il leur faut optimiser l’efficacit´e spectrale afin de
maximiser le d´ebit global. Ensuite, ils doivent assurer ´equit´e et diff´erenciation de service entre
les diff´erents mobiles afin de garantir la meilleure QoS possible. Plusieurs approches et algo-
rithmes ont ´et´e propos´es dans la litt´erature pour r´epondre `a ce besoin (allouer les ressources
efficacement), cette diversit´e et multitude d’algorithmes est li´ee aux facteurs consid´er´es per-
mettant la gestion optimale de ressources radio, sp´ecifiant le type de trafic donc du type de
QoS demand´ee par l’UE.
Algorithmes d’ordonnancement utilis´es en Downlink
Compte l’etroitesse de la largeur de bande disponibles en dessous des 1GHz ( 700 MHz) et les
services emergents possibles tr`es strictes en terme de bandes. faille donc trouver un compromis
entre largeur de bande et QoS `a garantir c’est `a dire trouver quelle classe d’algorithmes qui
arrivent satisfaire au mieux les contraintes et exigences de ses applications multimedias .
Il existe plusieurs familles d’algorithmes dans la litt´erature ,ici nous sommes inspir´es de ceux
cit´es dans la :theseguegen.pdf et de l’article 1405.3869.pdf...) , chaque famille contient un en-
semble d’algorithmes qui ont des caract´eristiques communes propres. Nous pr´esenterons ici
une liste non exhaustive de ses algorithmes existants. On peut les regrouper en trois grandes
cat´egories : les algorithmes simples et anciens d´eriv´es du filaire que l’on d´enommera par le
terme classiques , les algorithmes plus complexes qui introduisent plus d’ ´equit´e et les
algorithmes opportunistes qui surclassent les deux premi`eres cat´egories.
III.2.3 Les Algorithmes Classiques
Les r´eseaux mobiles sans fil ´etant une r´eplique des r´eseaux filaires, embarquent les mˆemes les
algorithmes d’allocation de ressources en effectuant quelques r´eglages. Parmi ces algorithmes
classiques nous pouvons citer : l’allocation al´eatoire et l’algorithme Round Robin sont les deux
les plus connus et facile a impl´ementer.
Round Robin (RR)[6]
C’est une strat´egie classique d’allocation des ressources radio, l’algorithme alloue la mˆeme
quantit´e de ressource aux utilisateurs en partageant le temps, par cons´equent, le d´ebit diminue
consid´erablement vue, que tous les utilisateurs du syst`eme utilisent les ressources radio suivant
un quantum de temps cela pour deux raisons :
⊕ L’affaiblissement de propagation : qui d´epend essentiellement de la distance entre l’UE et la
station de base (plus l’utilisateur est proche de la station de base plus il aurat un d´ebit sup´erieur
par rapport `a l’autre qui est distant malgr´e que chacun dispose des mˆemes Urs (unit´es de res-
sources ).
⊕ Les contraintes de qualit´e de service : les mobiles ayant une QoS plus faibles auront d´ebit
sup´erieur a ceux qui ont des contraintes plus strictes.
Avec le Round Robin, les mobiles qui utilisent des applications de type best effort peuvent
Memoire de fin d’etude de Master page 22 GI
CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
b´en´eficier d’un d´ebit et d’une qualit´e de service exceptionnelle par rapport `a leurs besoins au
d´etriment d’autres utilisateurs ayant des applications n´ecessitant un d´ebit ´elev´e et un niveau
de qualit´e de service similaire aux applications temps r´eel.
En un mot RR permet une ´equit´e des unit´es ressources(URs) sans pour autant garantit une
´equit´e des d´ebits entre UEs. Il alloue les Urs sans tenir compte de la position, la capacit´e et les
besoins de chaque utilisateur. L’allocation est aveuglement faite ce qui ne permet pas d’assurer
une quelconque qualit´e de service.
Allocation al´eatoire(RA)[7]
Allocation al´eatoire en anglais RA (Random Acces) est technique d’ordonnancement simple
`a mettre en œuvre et donc largement impl´ement´ee. Il s’agit tout simplement d’allouer la res-
source radio de fa¸con al´eatoire entre les utilisateurs. Tous les utilisateurs ayant statistiquement
la mˆeme chance d’acc´eder au canal, ils recevront sur le moyen et long terme un mˆeme nombre
d’unit´es de ressource quels que soient leurs besoins. Allouer ainsi la ressource conduit donc sur
le moyen et long terme `a la distribuer d’une mani`ere homog`ene et revient `a procurer les mˆemes
performances r´eseau que le Round Robin.
Bilan
Les m´ethodes conventionnelles telles que le Round Robin ou l’Allocation Aleatoire sont par
leur simplicit´e de mise en œuvre ,des standards de l’ordonnancement. Cependant, bien qu’en
apparence ´equitables, leurs incapacit´es `a prendre en compte les particularit´es des flux des uti-
lisateurs conduit in´evitablement `a une incapacit´e `a diff´erencier les services. Par cons´equent,
satisfaire d’une mani`ere ´equitable les utilisateurs et assurer une quelconque qualit´e de service
est impossible. De plus, ces ordonnanceurs sont plus adapt´es `a l’origine pour les r´eseaux filaires
que les r´eseaux mobiles sans fil. Avec la mont´ee en puissance du nombre d’utilisateurs et les
avanc´ees technologiques, il est imp´eratif aujourd’hui, d’apprendre `a mieux utiliser la ressource
radio.
III.2.4 Les algorithmes Equitables
Ces algorithmes visent `a repondre aux besoins d’´equit´es dont n’offraient pas les premiers al-
gorithmes apparus dit classiques. Ainsi plusieurs travaux de recherches seront entrepris en vue
de proposer des algorithmes d’ordonnancement plus complexe, visant une meilleure ´equit´e et
diff´erentiation de service entre les utilisateurs dans les r´eseaux LTE : les algorithmes ´equitables.
il faut noter que l’´equit´e ne veut pas dire l’´egalit´e.
Fair Queuing (FQ) :[8]
Le principe de fonctionnement de l’algorithme :
Fair Queuing consiste en une distribution ´egale du d´ebit entre tous les utilisateurs, en effet pour
un lien qui supporte un d´ebit D, chaque utilisateur est servi avec un d´ebit D/K. Le Fair Queuing
assure une meilleure ´equit´e d’allocation al´eatoire que le Round Robin. Cependant, il pr´esente
les mˆemes inconv´enients que les algorithmes classiques vu que les besoins des utilisateurs sont
toujours n´eglig´es, les utilisateurs qui ont besoin d’un haut d´ebit restent toujours p´enalis´es face
aux autres. La qualit´e de service reste inexistante.
Le Weighted Fair Queuing (WFQ) :[9]
Le Weighted Fair Queuing (WFQ) est une am´elioration de l’algorithme Fair Queuing (FQ).Cet
algorithme prend en compte une diff´erentiation entre les services en donnant la priorit´e aux
utilisateurs qui ont besoin d’un d´ebit plus ´elev´e. L’algorithme utilise un syst`eme de marquage
(poids) qui permet de privil´egier certains flux en leur accordant davantage de bande passante.
Memoire de fin d’etude de Master page 23 GI
CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
Ce principe permet de contrˆoler la qualit´e de service. Ainsi, le WFQ peut garantir diff´erents
d´ebits entre les utilisateurs et assurer une potentielle ´equit´e en termes de satisfaction des
contraintes de qualit´e de service.
Max-Min Fair (MMF) :[10]
Le principe de fonctionnement de l’algorithme :
L’algorithme distribue les ressources entre les utilisateurs successivement en vue d’augmen-
ter le d´ebit de chaque utilisateur. Une fois que l’utilisateur alloue les ressources demand´ees
pour atteindre son d´ebit, on passe `a l’utilisateur suivant. L’algorithme s’arrˆete par ´epuisement
des ressources ou que les utilisateurs soient satisfaits. Le MMF est un crit`ere de choix dans un
environnement multiutilisateurs des syst`emes OFDM. Cependant il alloue les ressources sans
se soucier que les utilisateurs peuvent avoir des exigences diff´erents ou pas. La notion d’´equit´e
r´ealis´ee par cet algorithme n’est pas optimale car elle ne prend pas en consid´eration le niveau
d’exigence de chaque UEs, en plus de cela il ne tire pas meilleure profit de la bande passante
un des crit`eres essentielle de performances des r´eseaux d’acc`es. Par cons´equent cet algorithme
pourrait ˆetre `a peine un choix efficace pour l’allocation des ressources en LTE.
Bilan
Comme nous pouvons le constater avec Max-Min Fair et le Fair Queuing, l’´equit´e entre mo-
biles est am´elior´ee par rapport aux ordonnanceurs classiques. Le Weighted Fair Queing, quant
`a lui, permet de diff´erencier les flux et donc, en les priorisant de mani`ere ad´equate d’atteindre
une satisfaction globale plus ´elev´ee. A cot´e de ses avantages dont jouissent ses algorithmes un
inconv´enient majeur est `a souligner : la non prise en charge des ´etats des liens qui s´eparent
la station de base des utilisateurs. Par cons´equent, certaines URs(unite de ressources= TTI)
sont r´eguli`erement allou´ees `a des utilisateurs qui ne peuvent pas bien les exploiter `a cause de
mauvaises conditions physiques (li´ees entre autres aux att´enuations multi-trajets). Cela conduit
´eventuellement `a un gˆachis de bande passante et donc `a une perte significative de d´ebit pour
le syst`eme, crit`ere de performance pourtant essentiel dans les reseaux d’acc`es.
III.2.5 Les algorithmes Opportunistes
Ces algorithmes viennent pour pallier au d´eficit rencontrer par leurs pr´ed´ecesseurs en termes
d’´equit´e des ressources radios, de gestion de bande passante, prise en compte des diff´erenciations
de services etc.
Des travaux scientifiques ont ´et´e entrepris pour corriger cet ´etat de fait qui aboutirent a
cette conclusion que une nouvelle approche inter-couches MAC/PHY est une solution par-
ticuli`erement adapt´ee pour r´ealiser un usage optimal des ressources radio. Les r´esultats de
cette approche vont s’av´er´es efficaces et ont donn´e naissance : aux ordonnanceurs opportu-
nistes plus robustes. Deux classes d’algorithmes ont ´emerg´ees : le Maximum Signal-to-Noise
Ratio(MaxSNR) et le Proportional Fair(PF, EXP-PF (Exponential Proportional Fair)etc... Ti-
rant profit de la diversit´ee fr´equentielle et multiutilisateurs pour allouer prioritairement les
ressources aux mobiles qui ont les conditions de transmission/r´eception les plus favorables (le
meilleur rapport signal/bruit).
Ce type d’algorithme utilise des files d’attentes infinies, ces files d’attente sont utilis´ees dans
le cas de trafic non temps r´eel. L’objectif principal de ce type d’algorithmes est de maximiser
le d´ebit global du syst`eme.
Maximum Signal-to-Noise Ratio (MaxSNR) :[11]
Memoire de fin d’etude de Master page 24 GI
CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
MaxSNR (´egalement connu sous le nom de Maximum Carrier to Interf´erence ratio (MaxC/I)),
la priorit´e est donn´ee `a l’utilisateur actif qui a le plus grand rapport signal sur bruit (signal-to-
noise ratio (SNR)).
Si l’on d´esigne par m (k,n)le nombre maximum de bits qui peut ˆetre transmis durant un in-
tervalle de temps sur la sous-porteuse n si on l’alloue au mobile k, l’allocation MaxSNR consiste
`a allouer l’unit´e de ressource intervalle de temps pour la sous-porteuse n `a l’utilisateur j
qui a le plus grand m (k,n) avec : j = argmax (m (k,n)) , k = 1,..., K, o‘u K d´esigne le nombre
total d’utilisateurs actifs.
Profitant de la diversit´e multiutilisateurs et fr´equentielle, l’ordonnancement MaxSNR al-
loue constamment la ressource radio `a l’utilisateur qui a la meilleure efficacit´e spectrale et par
cons´equent qui permettra d’obtenir le meilleur d´ebit sur chaque UR. En adaptant dynami-
quement la modulation, il permet ainsi de faire un usage extrˆemement efficace de la ressource
radio et de se rapprocher de la limite de capacit´e de Shannon1 ce qui lui permet d’accroˆıtre
tr`es fortement le d´ebit du syst`eme. Cependant, un effet n´egatif de cette allocation est que les
utilisateurs proches du point d’acc`es ont toujours une priorit´e disproportionn´ee sur les utilisa-
teurs plus ´eloign´es. B´en´eficient d’une att´enuation de propagation plus faible et donc d’un SNR
plus grand, les mobiles proches seront souvent, voire toujours, s´electionn´es avant les mobiles
´eloign´es qui ne se verront alors allouer que les r´esidus. Comme l’illustre la figure ci-contre.
[1] :c=log2(1 + S/B).
Figure III.1 – iniquit´e des ressources en fonction de la position g´eographique. source :theseGueguen.pdf
On s’aper¸coit que les utilisateurs dans la zone verte acc`edent `a la ressource radio en priorit´e
et voient leurs besoins combles, dans la zone rouge en revanche les mobiles sont p´enalis´es et ne se
voient attribuer que la bande passante r´esiduelle une fois les mobiles de la zone prioritaire servis.
Dans une situation de congestion du r´eseau, il est fr´equent de constater que les mobiles
´eloign´es n’acc`edent plus du tout `a la ressource radio. Ainsi avec MaxSNR la garantie de
la qualit´e de service est pratiquement inexistant puisque cette derni`ere va exclusivement ou
presque d´ependre de la position relative des mobiles. De plus, le MaxSNR pr´esente un autre
inconv´enient : il ne tient pas compte des besoins des utilisateurs lors de l’attribution des prio-
rit´es, se trouvant dans l’incapacit´e d’assurer une quelconque diff´erentiation de service. L’int´erˆet
de son utilisation dans les contextes multim´edia reste donc limit´e. Pour ces raisons, le MaxSNR
est actuellement consid´er´e comme l’ordonnanceur le plus efficace du point de vue de la maxi-
misation du d´ebit mais ´egalement le moins ´equitable.
Proportional Fair (PF) :[12]
Memoire de fin d’etude de Master page 25 GI
CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
Son but est d’essayer de maximiser le d´ebit global du syst`eme en augmentant le d´ebit de chaque
utilisateur en mˆeme temps, il essaye de garantir l’´equit´e entre les utilisateurs. Le principe du
proportional Fair est d’allouer un intervalle de temps de la sous-porteuse `a l’utilisateur qui
a les conditions de transmission les plus favorables par rapport `a sa moyenne via sa fonction
objective suivante :
a=
di(t)
di
-
d i(t) :D´ebit correspondant au CQI de l’utilisateur i.
d i-
:D´ebit maximum support´e par le canal.
Grˆace a cette strat´egie d’allocation, les mobiles ne sont s´electionn´es que lorsqu’ils b´en´eficient
de conditions radio exceptionnellement bonnes et qu’ils sont par cons´equent les plus aptes `a
tirer le meilleur profit des URs en terme de d´ebit. Cependant, un inconv´enient majeur demeure,
´etant donn´e que les utilisateurs ´eloign´es du point d’acc`es ont en moyenne une plus faible effi-
cacit´e spectrale que les utilisateurs plus proches, tous les mobiles ne b´en´eficient pas du mˆeme
d´ebit. L’´equit´e n’est donc pas atteinte de plus, le Proportional Fair ne prend pas en compte
les contraintes de retard maximum `a ne pas d´epasser pour les applications, les d´ebits sou-
hait´es,. . . etc. Ne g´erant pas la diff´erentiation de service, il est impossible de traiter les mobiles
ayant des trafics h´et´erog`enes, comportant des d´ebits variables et des contraintes de qualit´e de
services sp´ecifiques. Le PF n’est donc pas bien adapt´e `a la gestion des services multim´edia.
En conclusion, malgr´e ces limites, le PF apporte une r´eelle am´elioration en termes d’´equit´e en
r´eduisant l’ampleur du probl`eme par rapport au MaxSNR.
Grace `a l’utilisation de l’approche opportuniste, le haut d´ebit obtenu dans le syst`eme est compa-
rable au MaxSNR et l’´equit´e ´equivalente `a celle procur´ee par le RR. Combinant les avantages des
algorithmes classiques et du MaxSNR ,le Proportional Fair apparait donc comme la meilleure
strat´egie d’allocation de ressource actuelle pour les r´eseaux sans fil.
Exponential Proportional Fair (EXP-PF) :
C’est une am´elioration de l’algorithme PF qui supporte les flux temps r´eel (multim´edia), au
fait, il priorise les flux temps r´eel en gardant un minimum de garantie pour l’autre type de
trafic( non temps r´eelle(NRT)).Pour le trafic TR(temps reel) la priorit´e est d´etermin´ee de la
fa¸con suivante, pour utilisateur k d´esign´e pour l’ordonnancement :
k=max αi
di(t)
di
-
exp(
αiwi(t) − x
1 +
√
x
) [13]
x=
1
NRT
NRT
i=1
αiwi(t) [14]
w i(t) :D´elai tol´er´e par le flux et αi : param`etre positif pour tout i (utilisateur).
NB : un mˆeme utilisateur peut solliciter plusieurs service RT et NRT .
Algorithmes consid´erant les d´elais
Ce type d’algorithme traite les d´elais d’arriver et de d´elivrance des paquets. Con¸cue principale-
ment pour traiter les flux temps r´eel (multim´edia et VoIP). Si un paquet d´epasse ces valeurs de
retard tol´er´e, il sera supprim´e de liste des flux `a ordonnancer ce qui d´egrade consid´erablement
la QoS. M- LWDF (Maximum-Largest Weighted Delay First) est un exemple d’implantation
de cette famille.
M-LWDF :
Memoire de fin d’etude de Master page 26 GI
CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
Cet algorithme prend en charge des flux ayant des exigences de QoS diff´erentes, il essaye de
pond´erer les retards des paquets en utilisant la connaissance de l’´etat de canal, `a un instant t,
l’algorithme choisi un utilisateur k pour l’ordonnancement via la formule ci-dessous.
k=max αi
di(t)
d−
i
wi(t) [15]
C’est pratiquement la mˆeme formule de l’algorithme EXP-PF, sauf que : αi=log(δi)Ti
δi : probabilit´e avec laquelle l’exigence du d´elai peut ˆetre viol´ee.
T i : le d´elai que l’utilisateur i peut tol´erer.
Cet algorithme s’adresse principalement au flux temps r´eel qui exige le respect des d´elais
en garantissant une certaine ´equit´e entres les utilisateurs, il donne de bons r´esultats dans ce
contexte, par contre pour les flux non temps r´eel, ce n’est vraiment pas un bon choix vu que le
d´elai n’est vraiment pas un param`etre important. La priorit´e de ces derniers est calcul´ee de la
mˆeme fa¸con que pour le Proportional Fair.
Algorithmes optimisant le d´ebit
Ce type d’algorithme essaye de maximiser la fonction objective qui repr´esente le d´ebit, cette
approche traite les flux temps r´eel et non temps r´eel, l’allocation de ressources d´epend de la
taille de la file de chaque utilisateur. Exemple d’algorithme de cette famille EXP Rule, Max-
Weight etc.
Les algorithmes multi-classe
Cette approche consid`ere les classes de flux ou le traitement est diff´erent pour chaque classe RT
et NRT. Ce type d’algorithme privil´egie les flux temps r´eel par rapport aux non temps r´eel, ce
qui le rend les plus ad´equats et plus efficace pour l’ordonnancement en LTE, par contre l’´equit´e
n’est vraiment pas consid´erer.
Bilan et discussion
Les algorithmes classiques con¸cus g´en´eralement pour les r´eseaux filaires ne prennent pas
en compte les contraintes des transmissions sans fil et sont orient´es vers la maximisation du
d´ebit, par contre pour les algorithmes ´evolu´es surtout celle dite opportunistes tiennent compte
de l’´etat de canal et sont beaucoup plus efficaces parce qu’ils permettent de bien adapter les
besoins aux conditions de propagation. L’utilisation de la modulation adaptative est possible.
Ils offrent de meilleurs performances dans un environnement multi-utilisateurs, par contre, sans
cette diversit´e multi-utilisateurs, les ordonnanceurs opportunistes sont priv´es de choix et offre
le mˆeme d´ebit que tout autre ordonnanceur classique. Ce dernier point explique pourquoi les
ordonnanceurs opportunistes sont toujours utilis´es dans un contexte multi-utilisateurs. Avec
toutes ses qualit´es ind´eniables dont disposent les algorithmes ´evolu´es,il serait int´eressant de les
impl´ementer sur Les r´eseaux apr`es la 3G, sp´ecifiquement sur les reseaux 4G(LTE) qui se focalise
sur la Qos des flux temps r´eel. De plus avec l’arriv´ee sur le march´e de nouveaux ´equipements
mobiles tels que les phablettes supportent des applications multim´edias ´emergents tr`es strictes
en termes de qos. Il va sans dire que ces algorithmes seront d’un atout majeur dans la quˆete de
satisfaction des besoins utilisateurs en termes services demand´es et propos´es, gain en nombres
d’abonn´es et revenus.
Au vue de ses diff´erents classes d’algorithmes que nous venons de mentionner ci-dessus
une comparaison serait envisageable mais compte tenu des caract´eristiques intrins`eques dont
chacun dispose, il serait plus ou moins difficile. Notamment le d´ebit offert, la qualit´e de service
(diff´erentiation de service), l’´equit´e qu’il offre entre les diff´erents utilisateurs et enfin la simplicit´e
Memoire de fin d’etude de Master page 27 GI
CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire
de son impl´ementation. Le tableau ci-dessous tente de r´esumer le niveau de performance des
ordonnanceurs pr´esent´es dans cette partie. Les crit`eres de performance sont repr´esent´es dans
le tableau comme suit :
En se mettant sur une ´echelle de 0 a 2 avec 0 : repr´esentant le plus faible niveau et 2
repr´esentant l’objectif maximal atteindre vers lequel il est souhaitable de tendre. De tous ce qui
pr´ec`edent on peut se permettre d’´etablir ce tableau ci-dessous. Il est a noter que ces donn´ees
sont a titre indicatif.leur objet n’est pas de comparer les algorithmes mais de se faire id´ee sur
les ordonnanceurs a mettre en œuvre plus rapidement.
Diff´erenciation service : selon son service oui/non
Table III.1 – Classification qualitative des ordonnanceurs
Ordonnanceur RR RA FQ WF MMF MaxSNR PF EXP-PF M-LDWF
D´ebit 0 0 0 0 0 2 2 2 2
Equit´e 1 1 2 2 2 0 1 1 1
Diff´erentiation de service non non Non Non Oui Non Non oui oui
Simplicit´e 2 2 1 1 2 1 1 1 1
Algorithmes d’ordonnancement utilis´es en Uplink
Contrairement `a l’ordonnancement en downlink, l’ordonnancement en uplink est bien plus
compliqu´e pour plusieurs raisons, premi`erement, c’est l’UE qui envoie les donn´ees et nous sa-
vons tr`es bien que l’UE est dot´e d’une source d’´energie limit´ee, deuxi`emement, c’est tr`es difficile
de pr´evoir le nombre de ressources radio n´ecessaires `a un UE pour qu’il puisse ´echanger ces
donn´ees avec la station de base. Suivant la fonction objectif prise en consid´eration et suivant
les classes de trafic qui passe par-dessus les canaux radio, nous avons trois grandes cat´egories
d’ordonnanceurs : ceux traitant les flux best-effort, ceux qui prennent en consid´eration la QoS
et ceux optimisant la puissance d’´emission.
Conclusion Partielle
En conclusion le LTE ´etant orient´e vers des services multim´edias ´emergents tr`es consomma-
trices en ressources il est important de faire une diff´erenciation des services ce qui permettra
de supporter les besoins de trafic temps r´eel `a haut d´ebit, offrir une ´equit´e entre les utilisateurs
et garantir un taux de rejet de donn´ees tr`es faible. Donc disposer d’algorithmes ´evolu´es qui
permettent l’allocation ad´equate des ressources est fort remarquable. Cependant la diversit´e
des flux (QoS) et les conditions radio affectent les performances de l’algorithme et font de
l’allocation de ressource un probl`eme difficile a combler. De plus chaque algorithme essaye de
maximiser et/ou minimiser plusieurs param`etres en mˆeme temps. Pour cette raison, chaque
approche ou algorithme essaye d’optimiser le maximum des param`etres qu’il pourra.
Concernant le cˆot´e uplink, il est beaucoup plus compliqu´e vue les nouvelles contraintes im-
pos´ees, comme, les RBs allou´es `a un seul utilisateur doivent ˆetres continues, plus la contrainte
sur la puissance du signal ´emis. Les algorithmes traitant la Qos sont les plus adapt´es et les
plus sond´es, car ils traitent le facteur le plus important dans les r´eseaux LTE, qui est la Qos
des flux. Faille donc trouver un compromis entres ces crit`eres selon le besoin en terme de type
trafic et qualit´e de service et degr´e de satisfaction des utilisateurs.
Au vue de cet etat de l’art nous avons identifier une classe d’algorithme dite opportuniste
qui permettent une meilleure prise en compte des contraintes et exigences donc une meilleure
gestion de la QoS . la question suivante se pose : pourqoui ne pas les( les algorithmes de cette
famille) proposer comme ordonnanceur de base du LTE ?
Memoire de fin d’etude de Master page 28 GI
Radio Mobile -Technologie sans fil
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  • 1. OPTIMISATION DES BANDES DE FREQUENCE EN DESSOUS DES 1GHZ(700MHz) EN VUE DE GARANTIR LA QOS DANS LES RESEAUX 4G:LTE Martial Konan Koffi 6 novembre 2015
  • 2. Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire R´epublique D´emocratique de Cote D’Ivoire Minist`ere de l’Enseignement Sup´erieur et de la Recherche Scientifique UNIVERSITE NANGUI ABROGOUA UNITE DE FORMATION ET DE RECHERCHES DES SCIENCES FONDAMENTALES ET APPLIQUEES DEPARTEMENT GENIE INFORMATIQUE M´emoire Pour l’obtention du diplˆome de MASTER en Genie Informatique Presente par : M Martial Konan Koffi THEME : optimsation des bandes de fr´equences en dessous des 1GHZ(700MHz)en vue de garantir la QoS dans les r´eseaux 4G :LTE Memoire de fin d’etude de Master page I GI
  • 3. REMERCIEMENT Mon M´emoire de Master est le r´esultat de mon premier travail de recherche et n’aurait pu aboutir sans le soutien d’un certain nombre de personnalit´es. Je tiens donc commencer par remercier chaleureusement : En premier lieu,DIEU, qui sans sa grˆace ce m´emoire n’aurait jamais ´et´e r´ealis´e. je remercie mon encadreur, M traore soungalo assistant a l’UNA, pour son aide consistante, son ´etat d’ouverture, ses conseils judicieux, son temps, sa patience et pour ses remarques ob- jectives. Nos discussions et nos partages d’id´ees me permettent d’envisager sereinement mon avenir dans le monde de la recherche. Je remercie les membres du jury, M Oumtagana S. de l’INPHB d’avoir l’amabilit´e de pr´esider le jury, M Eddy H. M Tchimou N’tapke d’avoir accept´e d’examiner notre travail. Tous ensei- gnants au D´epartement de G´enie Informatique de l’UFR-SFA de l’Universit´e Nangui Abrogoua. Je profite de cette opportunit´e pour exprimer ma gratitude `a tous ces enseignants qui ont contribu´e par leur collaboration, sens d’ouverture, disponibilit´e et sympathie, `a ma formation. Je tiens aussi a remercier ma m`ere qui n’a jamais cess´e de croire en moi et mon d´efunt p`ere pour son sens de rigueur et dynamisme. Merci a mon grand fr`ere judicael koaussi qui a toujours ´et´e pour moi un mod`ele. Merci a tous les membres de ma famille qui m’ont ´et´e d’un soutien fort appr´eciable. Durant mon programme d’´etude de master, j’ai eu le plaisir de rencontrer des personnes merveilleuses au sein du D´epartement G´enie Informatique, qui se reconnaitront. Je pense plus particuli`erement aux coll`egues du LAST “Laboratoire Science et Technologie”& du <LESN/IREN & GSIT >. L’ambiance y ´etait convivial, propice au partage d’id´ees et a l’´emulation collective. . A tous ses amis et camarades avec qui j’ai d´ebut´e mes ´etudes universitaires,une tr`es belle aventure fait de haut et de bas. Enfin, je tiens `a remercier toutes ses personnes qui de pr`es ou de loin durant mon travail n’ont jamais cess´e croire en moi et m’accorde leur confiance. II
  • 4. DEDICACE Ce m´emoire est d´edi´e `a Mon p`ere feu Konan Boh Celestin, Ma m`ere Abe ahou madeleine, Mon grand fr`ere judicael konan K, `A mes fr`eres, Abe antoinette epse Sylla, A la famille Komoe, `A l’ensemble de tous les membres de ma famille, Mes ami(e)s, Tous ses lecteurs, Tous ceux qui m’aiment et que j’aime. Martial Konan Koffi C’est l’habitude de douter et de consid´erer le cot´e sombre, d´eprimant, d´esesp´erer des choses qui tue l’effort et qui paralyse l’ambition III
  • 5. AVANT PROPOS Ce pr´esent rapport a ´et´e ´elabor´e dans le cadre de la pr´eparation du diplˆome de fin d’´etude de Master en G´enie Informatique `a l’Universit´e Nangui Abrogoua. Ce projet est une contribution dans la standardisation des algorithmes d’ordonnancement pour une amelioration de la QoS lors de l’allocation des ressources radio disponibles dans les r´eseaux 4G(LTE). IV
  • 6. RESUME Avec l’essor des services multim´edias, garantir une r´eelle qualit´e de service est devenu une des grandes priorit´es de la nouvelle g´en´eration de r´eseaux mobiles dit 4G. Cela implique que les algorithmes d’allocation de ressources soient capables d’assurer `a la fois une ´equit´e ´elev´ee entre utilisateurs, quels que soient leurs types de trafic et leur mobilit´e dans la cellule, une diff´erenciation de service efficace et la maximisation du d´ebit global du syst`eme. Dans la litt´erature, plusieurs techniques de gestions des ressources bas´ees sur une optimisation heu- ristique ont ´et´e propos´ees. Les ressources sont allou´ees en fonction de l’information de l’´etat du canal radio liant l’´emetteur et le r´ecepteur. L’utilisation optimale de la puissance et de la bande fr´equentielle par la m´ethode d’acc`es OFDMA en mode descendant donne l’acc`es `a un grand nombre d’utilisateurs et r´eduit l’interf´erence. De plus La politique d’ordonnancement pour la gestion de ressource radio n’est pas standardis´ee pour la technologie LTE par le consortium 3GPP. Le choix est pris par l’op´erateur et d´epend de plusieurs facteurs. Nous sommes vus, dans ce projet de travailler sur cette nouvelle classe d’algorithmes d’ordonnancements (schedulings) bas´e sur une meilleure approche de l’inter-couche MAC-PHY de l’eNB dit opportunistes. notre travail a consist´e `a effectuer une s´erie de simulations sur diff´erents types de cellules en situation de forte et faible mobilit´e avec des param`etres bien d´efinis en vue d’´evaluer les performances de trois principaux algorithmes : PF, M-LWDF et EXPPF en terme : d´ebit , ´equit´e, efficacit´e spectrale , d´elai, et taux de paquets perdus ,afin de mettre en exergue l’ordonnanceur ad´equat pour chaque situation. Mots-cl´es : “Orthogonal Frequency Division Multiplexing”(OFDM), Ordonnancement, Diversit´e multi- utilisateurs, Qualit´e de Service, Diff´erenciation de service,4G(LTE), simulation. ABstract With the flight of multimedia services, to guarantee a real quality of service became one of the big priorities of the new generation of mobile networks said 4G. It implies that the algorithms of allowance of resources are capable to assure a fairness raised between users at a time, wha- tever is their types of traffic and their mobility in the cell, an efficient service differentiation and the maximization of the global debit of the system. In the literature, several techniques of managements of resources based on a heuristic optimization have been proposed. Resources are allocated according to the information of radio channel state binding the emitter and the receptor. The optimal use of the power and frequency band by the method of OFDMA access in fashion descending gives the access to a big number of users and reduce interference. Besides The politics of organization for the management of resource radio is not quite standardized for the LTE technology. The choice is taken by the operator and depends on several factors. We have seen,in this project to work on this new class of algorithms of organizations (schedulers) basis on a better approach of the inter MAC-PHY layer of the eNB says opportunists. Our work has consisted has do a set simulations on different types of cells in situation of weak and strong mobility with very definite parameters in order to value the performances of three main algorithms : PF, MLWDF and EXPPF in term : debit, fairness, spectral efficiency, delay, and lost packet rates, in order to put in inscription the adequate schedulers for every situation. Keyword : : “Orthogonal Frequency Division Multiplexing ”(OFDM),scheduling, Diversity multiuser, Qua- lity of Service, Differentiation of service,4G(LTE), simulation. V
  • 7. Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire Memoire de fin d’etude de Master page VI GI
  • 8. Sommaire REMERCIEMENT II DEDICACE III AVANT PROPOS IV RESUME V Liste des Abreviations XII Introduction G´en´erale 1 I EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION 3 I.1 Evolution des r´eseaux mobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 I.2 La Quatri`eme G´en´eration :4G(LTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 I.2.1 LTE QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 I.2.2 Les Services Multimedias Emergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 II NECESSITE D’OBTENTION DE FREQUENCES EN DESSOUS DES 1GHZ ET ETUDE DE LA BANDE DES 700MHZ 16 II.1 N´ecessit´e d’obtention de fr´equence en dessous des 1GHz . . . . . . . . . . . . . 16 II.2 Etude de la bande des 700MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 IIIPOLITIQUE D’ORDONNANCEMENT 20 III.1 Ordonnancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 III.2 Etat de L’Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 III.2.1 Modelisation Math´ematique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 III.2.2 Differentes classes d’Algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 III.2.3 Les Algorithmes Classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 III.2.4 Les algorithmes Equitables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 III.2.5 Les algorithmes Opportunistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 CONTRIBUTION : suggestion concernant quels types d’ordonnanceurs implementer comme ordon- nanceur de base du LTE pour une meilleure gestion de la QoS ? 29 III.3 Approche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 III.3.1 presentation du simulteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 III.3.2 Contexte de notre Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 III.3.3 Scenarii `a faible mobilt´e :0km/h( cas statique) . . . . . . . . . . . . . . 33 III.3.4 Scenarii `a faible mobilt´e :3km/h( cas pi´eton) . . . . . . . . . . . . . . . . 39 III.3.5 Scenarii `a forte mobilt´e :120km/h( cas vehicule) . . . . . . . . . . . . . . 45 VII
  • 9. SOMMAIRE Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire Conclusion Generale et perspective : 53 Bibliographie et reference 54 Annexe 56 Memoire de fin d’etude de Master page VIII GI
  • 10. Table des figures I.1 estimation du nombre d’abonn´es au LTE. source :http ://www.universfreebox.com/User- Files/image/MobileLTE2019.png . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 I.2 importance des services multimedias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 I.3 Evolution du GSM au LTE-ADVANCED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 I.4 Architecture compl`ete du LTE. source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetwork- architecture.html . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 I.5 cat´egories des terminaux compatibles LTE. source : LTE (reseaux mobiles wiki- pedia consulte le 19-05-15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 I.6 architecture de L’E-UTRAN .source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetwork- architecture.html visite le 19-05-15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 I.7 architecture du r´eseau cœur.source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetworkarchi- tecture.html visite le 19-05-15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 I.8 structure de trame en FDD et FDD half-duplex (extrait du livre LTE et les reseaux 4G p92) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 I.9 QoS au sein du r´eseau LTE (extrait du livre LTE et les reseaux 4G p92) . . . . 13 I.10 diff´erents types de bearer en LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 I.11 QCI standardis´e du r´eseau LTE .source LTE et les reseaux 4G . . . . . . . . . . 14 II.1 plan de r´epartition des fr´equences du dividende numerique1. source 052 053 UIT.pdf 16 II.2 Un plan de fr´equence harmonis´e des 2 premiers dividende num´erique selon 3GPP. source Presentation-W-Bocquet-GSMA.pdf parue le 1er octobre 2014. source 052 053 UIT.pdf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 II.3 compl´ementarit´e fr´equence hautes et fr´equences basses. source consult-divid- num-130707.pdf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 II.4 haut d´ebit et n´ec´essit´e de disposer fr´equence haute et fr´equence basse : source consult-divid-num-130707.pdf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 III.1 iniquit´e des ressources en fonction de la position g´eographique. source :these- Gueguen.pdf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 III.2 param`etre de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 III.3 courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 III.4 courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 III.5 figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 34 III.6 figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 35 III.7 courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 III.8 courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 III.9 figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 36 III.10figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 36 III.11courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 IX
  • 11. TABLE DES FIGURES Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire III.12courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 III.13figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 38 III.14figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 38 III.15courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 III.16courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 III.17figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 41 III.18figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 41 III.19courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 III.20courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 III.21figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 43 III.22figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus via ses courbes de ses 3 Algorithmes 43 III.23courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 III.24courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 III.25figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 45 III.26figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 45 III.27courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 III.28courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 III.29figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 47 III.30figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 47 III.31courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 III.32courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 III.33figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 49 III.34figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 49 III.35courbe d´ebit du trafic Video en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 III.36courbe d´elai du trafic Vid´eo en fonction du nombre des utilisateurs de ses 3 algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 III.37figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 51 III.38figure r´ecapulative de tous les resultats obtenus de ses 3 Algorithmes . . . . . . 51 Memoire de fin d’etude de Master page X GI
  • 12. Liste des tableaux II.1 avantages et Inconvenients des fr´equences en or . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 III.1 Classification qualitative des ordonnanceurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 III.2 param`etre de simulation2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 III.3 explication des elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 XI
  • 13. Liste des Abreviations 1G 1 `ere G´en´eration 2G 2 `eme G´en´eration 3G 3 `eme G´en´eration 4G 4 `eme G´en´eration 5G 5 `eme G´en´eration 3GPP 3 rd Generation Partnership Project A ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line ARCEP Autorit´e de R´egulation des Communications ´Electroniques et Postes AUC AUthentification Center B BG Border Gateway BSC Base Station Controller BSS Base Station Sub-system BTS Base Transceiver Station C CDMA2000 Code Division Multiple Access CQI Channel Quality Indicator E EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution EIR Equipment Identity Register eNodeB evolved NodeB EPS Evolved Packet System EPC Evolved Packet Core eUTRAN evolved UTRAN F FDD Frequency Division Duplexing G GGSN Gateway GPRS Support Node GMSC Gateway MSC GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communication H HLR Home Location Register HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSPA High Speed Packet Access HSS Home Suscriber Service I IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force IMEI International Mobile Equipment Identity IMS IP Multimedia Sub-system IMSI International Mobile Subscriber Identity IP Internet Protocol XII
  • 14. LISTE DES TABLEAUX Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire IS Interim Standard L LTE Long Term Evolution M M2M Machine To Machine MAN Metropolitan Area Network MCS Modulation coding scheme MIMO Multi Input Multi Output MME Mobility Management Entity MMS Multimedia Messaging Service MS Mobile Station MSC Mobile Switching Centre MSISDN Mobile Station MTS Mobile TeleSystem MWC Mobile World Congress N NMC Network and Management Centre NSS Network SubSystem NTT Nippon Telegraph & Telephone NTR Non Temps Reel O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access P PAPR Peak-to-Average Power Ratio PCRF Policy and Charging Rules Function PCU Packet Control Unit PDN GW Packet Data Network Gate-Way PDP Packet Data Protocol PGW Packet Switch-GetWay PLMN Public Land Mobile Network Q QAM Quadrature Amplitude Modulation QdS Qualit´e de Service QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying R RAN Radio Acces Network RB Resource Block RNC Radio Network Controller RNIS R´eseau Num´erique `a Int´egration de Services RTC R´eseau T´el´ephonique Commut´e RTCP Real-time Transport Control Protocol S SAE System Architecture Evolution SB Scheduling Block S-GW Serving-Get Way SC-FDMA Single Carrier-Frenquency Division Multiplexing Access SGSN Serving GPRS Support Node SIM Subscriber Identity Module SINR Signal Interference Noise Ratio SMS Short Message Service SMSC Short Message Service Center T TB Transport Block TCP Transmission Control Protocol Memoire de fin d’etude de Master page XIII GI
  • 15. LISTE DES TABLEAUX Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire TDD Time-Division Duplex TMN Telecommunications Management Network TRAN Terrestial RAN TR Temps Reel U UDP User Datagram Protocol UE User Equipment(Terminal Mobile) UIT Union Internationale des T´el´ecommunications UMTS Universal Mobile Telecommunications System UTRAN UMTS TRAN V VLR Visitor Location Register VoIP Voice over IP W WAP Wireless Application Protocol WCDMA Wide Coding Division Multiple Access WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Memoire de fin d’etude de Master page XIV GI
  • 16. introduction g´en´erale La recherche continuelle de d´ebit avec la formidable croissance des donn´ees mobiles afin d’offrir plus de services, impliquent que des d´egagements en terme de fr´equences doivent ˆetre faites, surtout sur celle en dessous des 1Ghz couramment destin´ees a la t´el´evision analogique, `a cause de leurs bonnes p´en´etrations dans les materiaux et n´ecessitant peu investissement. Ainsi, donc le passage de la t´el´evision analogique au num´erique comme c’est le cas depuis le 17 juin 2015 date butoir sur l’ensemble du globe terrestre occasionnera certainement un nouveau d´egagement dite deuxi`eme dividende num´erique :700 mhz 694-790 qui sera d´ebattu a la pro- chaine CMR-15(Conf´erence Mondiale sur les Radiocommunications )`a l’ordre du jour 1.2 pour une utilisation possible a la TMI (T´el´ecommunications Mobiles Internationales).mais l’incon- vennient est qu’il dispose d’une largeur de bande faible qui r´eduit le nombre d’operateurs pour son acquisition et le plus important dans tous cela c’est la gestion efficace des ressources radio disponibles surtout qu’il est destin´ee a tr`es haut d´ebit : 4G proposant des services ´emergents strictes en termes de qos.De plus les operateurs de r´eseaux mobiles dans le monde assistent depuis plus 4 ans a une v´eritable explosion de la consommation de donn´ees , due notamment a la multiplication de cartes et de dongles USB 3G+ permettant une connexion pc aux r´eseaux mobiles, l’apparition de Smartphones,de tablettes et phablettes facilitant la navigation inter- net et l’acc`es aux sites communautaires et de partages de vid´eos. Cet engouement n’est pas sans cons´equences sur les r´eseaux des operateurs : d’une part la capacit´e des reseaux 2G & 3G actuels risque d’ˆetre satur´ee et d’autre part les couts de fonctionnement augmentent plus rapidement que le revenus diminuant ainsi progressivement la rentabilit´e. A moyen terme les operateurs devront donc ´evoluer leurs r´eseaux vers une technologie offrant plus de capacit´e et leur permettant de g´en´erer de nouveaux revenus et de diminuer leurs couts :la 4G probl´ematique Les operateurs mobiles sont actuellement confront´es `a une probl´ematique quant aux orientations technologiques `a suivre pour am´eliorer les performances de leurs syst`emes i.e. du r´eseau d’acc`es. Cette probl´ematique pourrait ˆetre formul´ee `a travers l’interrogation suivante : Comment doit- on planifier les m´ethodes d’acc`es des futurs r´eseaux mobiles pour repondre aux besoins des applications avanc´ees ? Les m´ethodes d’acc`es reposent sur divers ´el´ements techniques tels que la modulation, le codage, la correction d’erreur et l’ordonnancement. La multitude des choix de chacun de ces ´el´ements ainsi que la complexit´e due `a la combinaison de l’ensemble de ces param`etres constituent une probl´ematique. Quelle m´ethodologie doit-on suivre en vue de sup- porter les services qui marquent d´ej`a les g´en´erations futures des syst`emes mobiles ? De tous ses ´el´ements techniques aussi importants les que les autres, l’Ordonnancement est l’´el´ement fondamental qui caract´erise la m´ethode d’acc`es. Plusieurs approches et algorithmes d’ordonnancement ont ´et´e propos´es dans la litt´erature pour r´epondre `a ce besoin : comment allouer les ressources efficacement ?, cette diversit´e d’algorithmes est li´ee aux facteurs consid´er´es permettant la gestion optimale de ressource radio, sp´ecifiant le type de trafic et Qos demand´ee par l’UE. Cette maximisation de performance,combin´ee `a la minimisation du coˆut d’exploitation, conduit `a des objectifs conflictuels qui requi`erent un certain compromis entre la qualit´e de service `a offrir et le coˆut de d´eploiement. 1
  • 17. LISTE DES TABLEAUX Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire objectifs L’objectif de notre travail est de proposer, `a partir d’une s´erie de simulations, des algorithmes qui feront face aux besoins d’allocations efficientes des ressources disponibles vue l’´etroitesse des bandes afin offrir un degr´e de satisfactions a l’ensemble des utilisateurs du r´eseau. Il ne s’agira donc pas de r´eecrire un nouveau model math´ematique d’allocation de ressources ce qui serait l’id´eale mais de s’appuyer sur cet mod`ele existant en proposant des algorithmes d’ordonnance- ments dit opportunistes qui permettront une allocation ad´equate de ressources radio disponibles garantissant la qualit´e de service(QoS). Pour cela nous avons essay´e d’explorer les diff´erentes classes d’algorithmes d’ordonnancement existant afin de justifier le choix de cette classe d’al- gorithme dite opportuniste, donc du type d’algorithme d’ordonnancement `a impl´ementer. plan du memoire La suite du m´emoire est organis´ee de la mani`ere suivante.le Chapitre I) nous presentons l’evo- lution des r´eseaux mobiles et une description de la 4i`eme g´en´eration et les services ´emergents. Le Chapitre II) parle de n´ec´essit´e de disposer plus bande de frequences surtout celle en dessous des 1GHz entre autre la bande des 700mhz. Le Chapitre III) dedi´e a notre travail personnel, nous commencons par un etat de l’art et nous terminons par notre apport personnel qui consiste `a proposer les algoritmes d’ordonnan- cement qui offrent une meileure Qualit´e de Service (QoS) et cela par une s´erie de simulations de quelques algorithmes dits opportunistes. Memoire de fin d’etude de Master page 2 GI
  • 18. Chapitre I EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Afin de pouvoir b´en´eficier des mˆemes avantages : services multim´edias avanc´ees et acc`es a internet g´en´eralis´e a haut d´ebit des r´eseaux r´esidentiels (t´el´ephonie fixe, Adsl) dans un envi- ronnement mobile sans fil. Un ensemble de travaux vont ˆetre entrepris dans ce sens, ce qui va engendrer par la suite les r´eseaux mobiles sans fil. On assiste d`es lors `a une prolif´eration des r´eseaux mobiles dit syst`emes cellulaires. I.1 Evolution des r´eseaux mobiles La premi`ere g´en´eration(1G) de la t´el´ephonie mobile est apparue courant les ann´ees 70 et op´erait dans la bande de fr´equence 890-915 MHz et 935-960 MHz. Cette g´en´eration compre- nait des syst`emes et des plates-formes de communications analogiques essentiellement d´edi´es a la transmission de la voix. Plusieurs syst`emes de communication ´etaient pr´esents. On pense par exemple `a : AMPS (Advanced Mobile Phone System) et NMT (Nordic MobileTelecom) respectivement d´evelopp´es par Bell Labs et les services de communication de pays nordiques europ´eens. Ces syst`emes ont cependant ´et´e abandonn´es il y a quelques ann´ees, d’autres r´eseaux de com- munication ayant pris leur place, appel´e deuxi`eme g´en´eration. Avec les progr`es dans l’informatique et les nouveaux types de codages num´eriques, une r´evolution naquit. La t´el´ecommunication mobile allait enfin devenir un service de masse. La deuxi`eme g´en´eration(2G) fut l’`ere de la communication num´erique avec l’apparition d’un nouveau mode de commutation le mode paquet :qui est une technique de commutation uti- lis´ee dans le transfert des donn´ees dans les r´eseaux informatiques, il consiste au d´ecoupage des donn´ees afin d’acc´el´erer le transfert.conmme r´eseaux num´eriques 2G,nous pouvons citer : le GSM(le plus repandu),PDC(Personnal Digital Cellular),le CdmaOne(IS-95),et l’US-TDMA(IS- 136). L’ajout de couches logicielles supplementaires des syst`emes 2G cas du GSM donna naissance en premier lieu au GPRS(General Packet Radio Service) sous le nom commercial de 2,5G ouvrant la voie `a un acc`es plus ou moins generalis´e `a internet et enfin l’EDGE(Enhanced Data Rates GSM Evolution) denomm´e 2,75G servit de passerelle entre la 2G et la troisi`eme g´en´eration(3G),am´eliorant notamment la vitesse de connexion `a Internet.Les syst`emes de deuxi`eme g´en´eration comme le GSM, ont principalement ´et´e con¸cus pour la voix et il reste maintenant aux syst`emes de troisi`eme g´en´eration de d´evelopper toute une gamme de services donn´es, tou- jours dans un contexte de mobilit´e. Les syst`emes dits 3G ont ´et´e con¸cus pour les communications multim´edias. Avec ces syst`emes, les communications furent enrichies d’images et de vid´eo de grande qualit´e. L’acc`es aux informa- 3
  • 19. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire tions et aux services, que ce soit sur des r´eseaux publics ou priv´es, ont ´et´e facilit´e par des d´ebits nettement sup´erieurs et des fonctionnalit´es avanc´ees. Cela, combin´e avec l’´evolution continuelle des syst`emes de deuxi`eme g´en´eration, cr´ea de formidables opportunit´es ´economiques, non seule- ment pour les constructeurs et les op´erateurs, mais aussi pour les fournisseurs de contenus et d’applications utilisant ces r´eseaux. Il existe plusieurs technologies 3G dans le monde. Chacune d’elles suivent les recommandations IMT2000 (International Mobile Telephony2000)de l’UIT(Union Internationale des T´el´ecommunications). Suivant les continents la norme utilis´ee est diff´erente : Europe : UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Am´erique : CDMA-2000 Japon et Cor´ee : W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) Chine : TD-SCDMA La particularit´e des technologies 3G est d’avoir un r´eseau cœur IP. De toutes ses normes l’UMTS est donc la norme de t´el´ecommunications de troisi`eme g´en´eration dominante et utilise la technologie W-CDMA comme m´ethode d’acc`es. Elle a ´et´e d´eploi´ee `a partir de 2004(france ) et 2012 en Cote d’ivoire avec la Release 99 (R99. Le d´eploiement des r´eseaux mobiles de troisi`eme g´en´eration 3G entre autre,la norme UMTS est pr´esentement bien avanc´e sur l’ensemble du globe terrestre. Ces r´eseaux permettent d’offrir un plus grand confort d’utilisation, grˆace notamment `a des d´ebits plus ´elev´es, et contribuent au d´eploiement de nouveaux services. Les r´eseaux 3G ont ´et´e d´evelopp´es dans le but d’augmenter la capacit´e de transmission des donn´ees et ainsi am´eliorer le confort des usagers utilisant des services multim´edia. Cependant, la capacit´e des ses r´eseaux mobiles est encore limit´ee par rapport `a celle des acc`es traditionnels filaires. Leur d´eveloppement est donc toujours tr`es actif.De plus la course vers le tr`es haut d´ebit afin d’offrir plus services multimedias , avec le nombre d’utilisteurs qui ne cessent de croitre avec un chriffre avoisinnant les sept(7)milliards courant 2014 selon https ://itunews.itu.int/fr/3855-Le-nombre-dabonnements-aumobile-frole-les-septmilliardsbrUn- telephone-pour-chacun-ou-presque.note.aspx visite le 15 mars 2015. Figure I.1 – estimation du nombre d’abonn´es au LTE. source :http ://www.universfreebox.com/User- Files/image/MobileLTE2019.png a cela s’ajoute la consommation exponnentielle des donn´ees avec l’apparution de nouveaux equipements mobiles :Smartphones, tablettes , phablettes etc ; ses r´eseaux se voient incapables de satisfaire la demande et cela conduit a une nouvelle g´en´eration r´eseau mobile. selon les pr´evisions m´en´ees par Ericsson mobility de juin 2014 nous pouvons constater la Memoire de fin d’etude de Master page 4 GI
  • 20. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire forte demande des services multimedias d’ici 2019. Figure I.2 – importance des services multimedias D`es lors les r´eseaux 2G e t 3G se voient satur´es et mˆemes d´epass´es,le probl`eme de disposer d’une nouvelle technique d’acc`es s’impose. or l’histoire r´ecente des r´eseaux mobiles montre qu’`a une nouvelle g´en´eration est associ´ee une nouvelle m´ethode d’acc`es aux ressources radio ainsi les r´eseaux de quatri`eme g´en´eration(4G) sont les r´eseaux de demain, ils permettent une fois de plus d’acc´el´erer le d´ebit et d’offrir un temps de latence tr`es faible de l’ordre de 30ms contrairement a ses pr´ed´ecesseurs( 2G,3G,3G+) . Figure I.3 – Evolution du GSM au LTE-ADVANCED Memoire de fin d’etude de Master page 5 GI
  • 21. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire I.2 La Quatri`eme G´en´eration :4G(LTE) Au D´ebut des ann´ees 2000 les travaux scientifiques entam´es en vue de proposer une tech- nologie d’acc`es permettant d’atteindre des d´ebits de l’ordre 100Mb/s pour un utilisateur en mouvement et de 1 Gbit/s en mode stationnaire ont ´et´e entrepris. ces progr`es aboutirent sur une nouvelle technologie d’acc`es bas´e sur l’ofdm permettant de supporter ce nombre croissant d’abonn´es et la consommation exponentielle des donn´ees , ainsi en 2005 une nouvelle g´en´eration de r´eseaux mobiles d´enomm´ee 4G apparu : Le wimax forum mis en œuvre le wimax mobile sous le standard IEEE 802.16e.la r´eplique du consortium 3GPP donna naissance au LTE (Long Term Evolution).Ces 2 normes ne satisfaisaient pas les sp´ecifications techniques impos´ees pour les normes 4G par l’Union in- ternationale des t´el´ecommunications (UIT) de l’IMT-2000. Ce qui leur a valu de les consid´erer comme de normes de 3i`eme g´en´eration<3.9G >. En octobre 2010 l’UIT a reconnu la technologie LTE-Advanced (´evolution de LTE d´efinie par le 3GPP `a partir de sa release 10) comme une technologie 4G `a part enti`ere ; puis, il a accord´e en d´ecembre 2010, aux normes LTE et WIMAX d´efinies avant les sp´ecifications IMT-Advanced et qui ne satisfaisaient pas compl`etement `a ses pr´e-requis, la possibilit´e commerciale d’ˆetre consid´er´ees comme des technologies 4G, du fait d’une am´elioration sensible des performances compar´ees `a celles des premiers syst`emes 3G : UMTS et CDMA2000 extrait de fr.wikipdedia.org/wiki/4G. Avant que la technologie Long Term Evolution (LTE) n’arrive `a maturit´e WiMAX ´etait vu comme le futur des r´eseaux mobiles. D´esormais LTE a pris l’avantage dans le domaine des technologies 4G,bien qu’`a l’heure actuelle les deux technologies aient des performances compa- rables. LTE `a l’avantage d’ˆetre un descendant direct des r´eseaux 3G courants<UMTS> . Parmi ces normes le cas LTE du consortium 3GPP, retient notre attention et fait l’objet d’une ´etude d´etaill´ee. L’´emergence du LTE est li´e `a une conjonction de facteurs techniques : Capacit´e : on peut d´efinit la capacit´e d’une cellule comme ´etant le trafic total maximal qu’elle peut ´ecouler en situation de forte charge au cours d’une p´eriode donn´ee. La capacit´e d’une cellule est conditionn´ee par l’efficacit´e spectrale du syst`eme et la ressource spectrale dis- ponible. D´ebit : l’´evolution des d´ebits suit une progression semblable a celle de la capacit´e, chaque nouvelle technologies de r´eseaux mobiles augmentant les d´ebits et suscitant une attente de d´ebits sup´erieurs. La Latence : la latence d’un syst`eme d´esigne le temps de r´eponse du syst`eme `a une requˆete utilisateur. et facteurs industriels (fabricants de semi-conducteurs,operateurs de t´el´ephonie,fabricants de t´el´ephones. . . ). Actuellement disponible dans plus de 75 pays dans le monde dont 6 en Afrique ( Afrique du sud , ile Maurice , Ouganda ,Angola, Namibie selon Global Mobile Suppliers Association (GSA) extrait du : www.afriqueitnews.com/2013/07/22/la-lte-est-dans-6-pays-africains) visit´e le 15-05-15. le r´eseau LTE est en pole ´evolution surtout avec le nombre d’abonn´es mondiale estim´e `a la fin de l’ann´ee derni`ere `a 9,3 millions d’abonn´es au tr`es haut d´ebit sur la plan`ete contre 142 000 en 2010 selon :www.zdnet.fr/actualites/4g-deja-plus-de-9-millions-d-abonnes-lte-dans- le-monde-39773949). M´ethode d’acc`es :Le principe de l’OFDM La m´ethode d’acc`es : ensemble de techniques mise en oeuvre permettant de beneficier de fa¸con optimales des ressources radio disponibles : principe de l’OFDM. Auparavant bas´e sur une modulation mono porteuse avec ´etalement de spectre et acc`es multiples `a r´epartitions de codes (AMRC ou CDMA en anglais), cela occasionnait un Memoire de fin d’etude de Master page 6 GI
  • 22. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire taux d’erreur par bit(BER) ´elev´e. Pour rem´edier `a ces d´esagr´ements, l’id´ee de repartir l’information sur un grand nombre de porteuses a ´et´e introduite. Avec l’Orthogonal Fre- quency Division Multiplexing (OFDM), la bande passante du syst`eme est d´ecoup´ee en un grand nombre N sous-bandes appel´ees sous- porteuses (subcarriers). Le principe est ensuite de diviser la suite des symboles d’origine, de duree Ts , en sous- suites de symboles de duree T = N*Ts . Chaque sous-suite est alors emise sur une sous- bande differente. L’information est ainsi repartie sur un grand nombre de porteuses compos´ees de sous- canaux tr`es ´etroits de largeur inferieure `a la bande de coherence du canal (si N est suffi- sament grand). Pour ces derniers, la reponse frequentielle du canal peut etre consideree comme constante. Ces sous- canaux sont donc non-selectifs en frequence, ce qui evite les distorsions du signal et reduit considerablement le risque de pertes d’information. Pour conclure, l’OFDM est une modulation multi-porteuse qui permet d’accroitre la ca- pacit´e du syst`eme et d’apporter une meilleure r´esistance aux perturbations dues aux multi-trajets. Le succ`es de l’OFDM est grandissant d’autant plus qu’il offre une tr`es grande flexibilit´e dans l’allocation des ressources. En effet, chaque sous-porteuse peut ˆetre allou´ee `a diff´erents utilisateurs avec des d´ebits sp´ecifiques. L’acc`es multiple pour la technologie LTE est diff´erent de celui du W-CDMA. En effet LTE utilise L’OFDMA (Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access), comme m´ethode d’acc`es dans le sens descendant (Downlink) (eNodeB −→ UE), Elle est d´eriv´ee du multiplexage OFDM, mais elle permet un acc`es multiple en partageant les ressources radio entre plusieurs utilisa- teurs). Pour le sens ascendant (Uplink) (UE −→ eNodeB), la m´ethode utilis´ee est SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Acces),une variante de l’OFDMA,elles ont pratiquement les mˆemes performances (d´ebit, efficacit´e. . . etc.), mais SC-FDMA transmet les sous bandes s´equentiellement pour minimiser le PAPR (Peak-to-Average Power Ratio, OFDMA a un grand PAPR), ceci est n´ecessaire, car l ’´equipement terminal est dot´e d’une batterie d’une dur´ee de vie limit´ee. Il utilise les techniques de duplexage : FDD & TDD Cette diversit´e fr´equentielle procur´ee par la subdivision de la bande passante en sous- porteuses, ajout´ee `a la diversit´e multi-utilisateurs, peut conduire `a un syst`eme extrˆemement efficace s’il est utilis´e avec un algorithme d’allocation de ressources ad´equat. Le terme LTE d´esigne la technologie radio utilis´ee dans le r´eseau d’acc`es E-UTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network), celui ci est pr´evu pour ˆetre attach´e au r´eseau cœur EPC d´evelopp´e par le groupe de travail System Architecture Evolution (SAE). E-UTRAN plus EPC constituent le r´eseau complet appel´e EPS (Evolved Packet Sys- tem).L’architecture du r´eseau de haut niveau de LTE comporte trois composants princi- paux : The User Equipment (UE). The Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). The Evolved Packet Core (EPC). Memoire de fin d’etude de Master page 7 GI
  • 23. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire Figure I.4 – Architecture compl`ete du LTE. source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetwork- architecture.html The User Equipment (UE) Les terminaux LTE (appel´es User Equipment ou UE dans les sp´ecifications 3GPP) peuvent ˆetre des t´el´ephones (Smartphones et phablettes), des cl´es-modems USB ou tout autre type d’´equipements fixes ou mobiles (GPS, ordinateur, ´ecran vid´eo. . . ).on distingue 5 cat´egories de terminaux comme mention´e dans le tableau. Figure I.5 – cat´egories des terminaux compatibles LTE. source : LTE (reseaux mobiles wikipedia consulte le 19-05-15 Memoire de fin d’etude de Master page 8 GI
  • 24. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire R´eseau d’acc`es(E-UTRAN) Le r´eseau LTE offre une architecture simplifi´ee du r´eseau mobile, aussi bien au niveau du r´eseau d’acc`es que du r´eseau cœur. En effet, le r´eseau d’acc`es E-UTRAN (evolved UTRAN ) ne contient plus qu’un seul nœud, l’Evolved Node B (eNodeB) auquel est rat- tache les UEs (User Equipment). L’eNodeB d’E-UTRAN est capable de g´erer plusieurs cellules logiques. Il g`ere enti`erement le lien radio entre autre : – modulation, d´emodulation : il utilise, comme HSDPA et WiMAX, les modulations QPSK, 16 QAM et 64 QAM. – codage, d´ecodage. – contrˆole des ressources : cr´eation, modification ou destruction de bearer (dirig´e par le MME), allocation de nouveaux canaux, etc. – gestion de la mobilit´e radio : d´ecision de lancer une proc´edure de handover et choix de son type : utilisant l’interface X2, ou S1 etc. Figure I.6 – architecture de L’E-UTRAN .source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetwork- architecture.html visite le 19-05-15 R´eseau cœur(EPC) Une grande ´evolution apport´ee par le r´eseau LTE est l’abandon complet de la m´ethode de commutation de circuits utilis´ee dans les r´eseaux GSM pour acheminer la voix. Absolu- ment toutes les donn´ees passent par le r´eseau EPC utilisant la commutation de paquets. Ce choix d’utiliser la Voice over IP (VoIP) simplifie encore l’architecture du r´eseau mo- bile et sa gestion, c’est pourquoi on dit qu’il est tout IP. L’EPC contient beaucoup de fonctionnalit´es pouvant ˆetre regroup´ees en plusieurs nœuds physiques quatre nœuds voire cinq selon certaines sources : – PDN-GW (Packet Data Network Gateway) : Il connecte le r´eseau EPC avec le r´eseau ext´erieur appel´e PDN. Il est responsable du routage et permet aussi de remplir la fonction de pare-feu. – SGW (Serving Getway) : il est en bordure du r´eseau d’acc`es, il route les paquets down- link vers le eNodeB courant du UE .Le SGW g`ere aussi l’interfa¸cage du EPC avec les r´eseaux d’acc`es ; en effet la technologie EUTRAN n’est pas la seule `a pouvoir se connecter au EPC. Memoire de fin d’etude de Master page 9 GI
  • 25. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire Il peut ˆetre li´e `a plusieurs PGW pour permettre aux UEs d’ˆetre connect´es simultan´ement `a diff´erents PDN. Dans le cas o`u l’UE est en mode idle le SGW peut ˆetre amen´e `a mettre en cache les paquets downlink lui ´etant destin´es, le temps pour le MME de <r´eveiller> le UE et de construire les bearers radio. – MME (Mobility Management Entity) : Il incorpore certaines parties du SGSN n’ayant pas ´et´e plac´ees dans le SGW. Il y a un MME par SGW. Il g`ere toutes les fonctions du plan de contrˆole (il n’est d’ailleurs pas sur le plan de donn´ees) relatives aux UE (via la couche Non- Access Stratum (NAS) dont il est le nœud terminal) et aux bearers. Il authentifie les UEs sur le r´eseau et le r´eseau aupr`es d’eux (proc´edure Authentication and Key Agreement (AKA)), en plus de g´erer le cryptage des communications. Il route les demandes de cr´eation de bearer provenant du PGW ou du UE et g`ere la n´egociation de leur QoS associ´ee. Lorsque le UE est en ´etat idle et qu’une requˆete lui est destin´ee, c’est au MME d’indiquer au SGW o`u se trouve le UE ; il g`ere donc la mobilit´e du UE. Il est aussi responsable du choix du SGW `a la connexion des UEs ou lors de handover entre deux eNodeB n´ecessitant un changement de r´eseaux cœur (changement de SGW ou PGW). Le MME est li´e au Home Subscriber Server (HSS) pour pouvoir authentifier les UEs et enregistrer leurs ´etats et leurs localisations,il est aussi charg´e d’allouer aux UEs un identifiant temporaire lors de leur connexion. Il g`ere au niveau du plan de contrˆole la mobilit´e entre les diff´erents r´eseaux d’acc`es possibles. – HSS (Home Subscriber Server) : C’est une base de donn´ees stockant les informations sur les sessions des UEs, comme la QoS `a laquelle ils ont souscrit. Le HSS fait aussi partie des nœuds g´erant la mobilit´e de l’UE dans le sens o`u il enregistre leur localisation pour le MME ou d’autres nœuds de technologies diff´erentes comme le SGSN. Figure I.7 – architecture du r´eseau cœur.source :http ://www.techcriminals.com/lte/ltenetworkarchi- tecture.html visite le 19-05-15 Structure d’une trame LTE L’op´eration de l’interface radio dans le domaine temporel est d´ecoup´ee en trames radio cons´ecutives de 10 ms. Une trame radio est divis´ee en dix sous-trames de 1 ms chacune, num´erot´ees de 0 `a 9. La sous-trame constitue un TTI (Transmission Time Interval), c’est- `a-dire l’intervalle de temps de transmission ´el´ementaire pouvant ˆetre allou´e `a un UE. Il existe deux types de structures de trames : – Le type 1 est adapt´e au FDD et au FDD half-duplex. Memoire de fin d’etude de Master page 10 GI
  • 26. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire – Le type 2 est adapt´e au TDD. Dans la structure de trame de type 1, chaque sous-trame est divis´ee en deux slots de 0,5 ms chacun. Les slots d’une trame radio sont num´erot´es de 0 `a 19. En FDD, dix sous-trames sont disponibles pour la voie montante et dix sous-trames sont disponibles pour la voie des- cendante par p´eriode de 10 ms, puisque les voies montante et descendante op`erent sur des fr´equences diff´erentes. En FDD half-duplex, un UE ne peut transmettre et recevoir simultan´ement, ce qui restreint le nombre de sous-trames utilisables dans chaque direction de transmission. Figure I.8 – structure de trame en FDD et FDD half-duplex (extrait du livre LTE et les reseaux 4G p92) Les performances du r´eseau LTE – Une mobilit´e `a toute ´epreuve : L’un des grands avantages des r´eseaux mobiles est d’ˆetre disponible partout, tout le temps , en tout lieu et toujours connect´e et `a n’omporte qui (everywhere, anytime, anyone).Pour cela les r´eseaux 4G ont ´et´e pr´evus pour fonctionner aussi bien dans les zones denses que dans les zones rurales.assur´ee la connexion `a des vitesse de 120 voire 350km/h. – Des temps de r´eponse rapides : La 4G propose pour cela une latence moyenne de 20ms et peut descendre en dessous de 5ms. Ceci permet de supporter les services temps r´eel IP nativement, comme la voix sur IP et le streaming sur IP. – La voix sur IP : La 4G propose un service de voix sur IP. En effet ce standard s’appuie sur un r´eseau de transport de paquet IP. Il n’est pas pr´evu de mode d’acheminement pour la voix, autre la VoIP. – D´ebit sur l’interface radio :Les performances couramment attribu´ees au r´eseau LTE sont de 100 Mbps minimum en downlink en consid´erant une allocation de bande de fr´equence de 20 MHz et un d´ebit maximum montant instantan´e (du terminal au r´eseau) de 50Mbit/s en consid´erant aussi une allocation de bande de fr´equence de 20 MHz (avec un terminal de cat´egorie 3) avec un d´elai d’aller-retour de moins de 10 ms (minimum de 1 ms) . Ces param`etres correspondent au but que s’´etait fix´e le projet `a son lancement, soit multiplier par trois ou quatre le d´ebit en downlink et par trois le d´ebit uplink compar´e `a HSPA. La taille des cellules a elle aussi augment´e, pouvant aller jusqu’`a 100 Km en zone rurale ; bien qu’il soit possible de maximiser le d´ebit en utilisant de hautes fr´equences (jusqu’`a 2,4 GHz). Chaque cellule pouvant supporter au minium jusqu’`a 200 UE. Memoire de fin d’etude de Master page 11 GI
  • 27. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire – Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G :Le handover entre E-UTRAN (LTE) et UTRAN (3G) doit ˆetre r´ealis´e en moins de 300ms pour les services temps-r´eel et 500 ms pour les services non temps-r´eel. Il est clair qu’au d´ebut du d´eploiement de la LTE peu de zones seront couvertes. Il s’agira pour l’op´erateur de s’assurer que le handover entre LTE et la 2G/3G est toujours possible. Le handover pourra aussi s’effectuer entre LTE et les r´eseaux CDMA-2000. Les op´erateurs CDMA ´evolueront aussi vers la LTE qui devient le vrai standard de communication mobile de 4i`eme g´en´eration. – Flexibilit´e dans l’usage de la bande : Comme indiqu´e pr´ec´edemment E-UTRAN doit pouvoir op´erer dans des allocations de bande de fr´equence de diff´erentes tailles incluant 1.4, 3, 5, 10, 15 et 20MHz. – Connexion permanente : Garanti une connexion permanente a l’acc`es internet l’un des principes du haut d´ebit. – Couverture de cellule importante :La couverture de la cellule est importante dans les zones urbaines et rurales .Une cellule 4G peut couvrir 5km de diam`etre dans les zones fortement peupl´e et s’´etendre jusqu’`a 100 km dans les zones les plus recul´e avec l’acquisi- tion de la bande des 700 MHz. il sera donc possible de consid´erer des cellules qui pourront couvrir un large diam`etre. LTE supporte MIMO en uplink et downlink ce qui lui permet de multiplier par quatre l’efficacit´e spectrale et par dix le nombre d’usagers par cellule, compar´e aux premi`eres versions d’UMTS . Une nouvelle version du LTE appel´ee LTE advanced correspondant `a la version 10 des sp´ecifications est en cours d’experimentation. Cette version appartient r´eellement `a la cat´egorie 4G et est totalement compatible avec la technologie LTE actuelle. I.2.1 LTE QoS La QoS est un des facteurs les plus important dans les r´eseaux informatiques plus pr´ecis´ement dans les r´eseaux mobiles voir les r´eseaux 4G. La satisfaction d’un service demand´e requiert un minimum de QoS `a mettre en œuvre pour un UE. La qualit´e de service (QdS) ou Quality of service (QoS) est la capacit´e de transmission dans de bonnes conditions d’un certain nombre de paquets dans une connexion entre un ´emetteur et un r´ecepteur, et cela peut ˆetre pr´esent´e sous plusieurs termes tel que la disponibilit´e, d´ebit, d´elai de transmission, gigue, taux de perte de paquets... Son but ´etant donc d’optimiser les ressources du r´eseau et de garantir de bonnes performances aux applications. La qualit´e de service sur les r´eseaux permet d’offrir aux utilisa- teurs des d´ebits et des temps de r´eponse diff´erenci´es par application suivant les protocoles mis en œuvre au niveau de la couche r´eseau. Le contrˆole de la qualit´e de service est essentiel pour l’op´erateur afin de garantir une exp´erience satisfaisante `a l’utilisateur. La technologie LTE offre des m´ecanismes dits de qualit´e de service diff´erenci´ee afin de faciliter la prise en compte des contraintes de services diff´erents. Les services mobiles peuvent ˆetre distingu´es selon deux crit`eres principaux, souvent intimement li´es. Le service est-il temps-r´eel ou non temps-r´eel ? Le service tol`ere-t-il des erreurs de transmission ? Ces crit`eres de service permettent une prise en charge diff´erenci´es de la part du r´eseau. Ce qui facilite la tache. le traitement d’un appel voix ne se verra pas imposer les mˆemes contraintes que le t´el´echargement d’un fichier. D’une mani`ere g´en´erale, les services temps- r´eel (par exemple, un appel voix ou un appel de streaming vid´eo) requi`erent des d´elais de transmission courts mais peuvent tol´erer des erreurs de transmission. En revanche, les services non temps-r´eel (par exemple, un t´el´echargement de courrier ´electronique ou de fichier) revˆetent des contraintes de d´elais relˆach´ees mais ne tol`erent pas d’erreurs de transmission. Le r´eseau LTE Memoire de fin d’etude de Master page 12 GI
  • 28. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire utilise donc des techniques de QoS permettant de diff´erentier les services et notamment la VoIP de mani`ere `a prioriser au maximum ses paquets et ´eviter une d´egradation des communications t´el´ephoniques. Dans le r´eseau LTE la QoS est fournie entre l’UE and PDN (packet data network Gateway ou internet) et est appliqu´ee au Syst`eme du Paquet ´Evolu´e (EPS) ), porteur de la partie-radio(ERAB ), porteur S1 et porteur S5/S8 via un ensemble de porteurs : Bearers, collectivement appel´e EPS bearer Voir figure ci-dessous. Figure I.9 – QoS au sein du r´eseau LTE (extrait du livre LTE et les reseaux 4G p92) A fin de repondre aux besoins sp´ecifiques de chaque types de trafic selon le mecanisme de QoS(identifier et de traiter distinctement chaque type de flux) , le concept de bearer EPS par d´efaut et bearer EPS d´edi´e ont ´et´e mis en œuvre : D´efaut : est par d´efaut est ´etabli quand un UE est attach´e initialement `a LTE ´etablissant des contacts mˆeme en mode idle. D´edi´e : toujours ´etabli quand il y a besoin de fournir QoS sp´ecifique comme : VoIP, etc de la vid´eo. Certaines applications n´ecessitent un d´ebit garanti par le r´eseau, par exemple une session de streaming vid´eo ou un appel voix. Le bearer EPS qui est associe doit alors garanti ce d´ebit. on fait r´ef´erence a un bearer GBR (Guaranteed Bit Rate), lorsque les ressources sont allou´ees de facon persistante au sein du r´eseau a ce bearer ou a un bearer Non-Guaranteed Bit Rate (non-GBR) sinon. Un bearer par defaut est toujours non-GBR tandis qu’un bearer dedi´e est soit GBR ou non- GBR. Voir figure ci-dessous. Figure I.10 – diff´erents types de bearer en LTE Un bearer est d´ecrit par un ensemble de param`etres qui s’appliquent `a l’interface ainsi qu’aux ´equipements qui le g`erent. Voici quelques param`etres qos class´es en fonction du QCi (´el´ement Memoire de fin d’etude de Master page 13 GI
  • 29. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire cl´e de la QoS). QoS Class Identifier (QCI) :est le param`etre d´efini au sein du syst`eme LTE/EPC pour diff´erencier les qualit´es de services entre les flux de services diff´erents. L’UE et les autres nœuds du r´eseau tels que l’eNb, la S-GW,la P-GW d´eterminent le traitement `a appliquer aux paquets de donn´ees d’un bearer EPS en fonction de valeurs de QCI d´efinie pour ce bearer. neuf QCI on ´et´e identifie par la norme 3GPP. Table de correspondance des param`etres QCI. Figure I.11 – QCI standardis´e du r´eseau LTE .source LTE et les reseaux 4G I.2.2 Les Services Multimedias Emergents Il est encore tˆot pour identifier avec certitude de nouveaux services associ´es au LTE. N´ean- moins, les caract´eristiques techniques de ce dernier permettent de d´egager quelques pistes. Le premier changement apport´e par le LTE en termes d’exp´erience utilisateur est donc un confort accru d’utilisation des services en ligne : les pages web et les courriers ´electroniques se chargent rapidement grˆace au tr`es haut d´ebit, tandis que la latence r´eduite garantit une r´eponse quasi- instantan´ee aux requˆetes, par exemple pour lancer le chargement d’une page web ou d’une vid´eo. Le tr`es haut d´ebit permet ´egalement l’introduction de nouveaux services mobiles tels que la vid´eo haute d´efinition en 3D, sur des ´ecrans larges de type tablettes, phablettes. De plus, la faible latence ouvre la porte `a de nouveaux services mobiles difficiles `a mettre en œuvre jusque-l`a. On peut notamment citer les jeux vid´eo en r´eseau, qui devraient ainsi se d´evelopper sur terminal mobile. La faible latence permet aussi d’accompagner sur les r´eseaux mobiles des ´evolutions de l’Internet fixe, comme le d´eveloppement des services de type cloud computing ou SaaS (Software as a Service), o`u l’utilisateur fait appel `a des capacit´es de calcul et un logiciel mis en œuvre sur un serveur distant, les ressources de calcul du terminal ne servant qu’`a l’acc`es au r´eseau et `a assurer l’interface utilisateur. La faible latence est essentielle pour ces services afin d’assurer `a l’abonn´e une perception du service similaire `a celle qu’il aurait avec un logiciel install´e directement sur le terminal. Memoire de fin d’etude de Master page 14 GI
  • 30. CHAPITRE I. EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES ET QUATRIEME GENERATION Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire La capacit´e accrue permet de d´evelopper des services qui jusque-l`a auraient pu ˆetre `a l’origine d’une saturation du r´eseau dans le cas d’un usage simultan´e par un grand nombre d’abonn´es : on peut citer, par exemple, l’acc`es continu `a des contenus en ligne, comme des web radio, ou des vid´eoth`eques ou discoth`eques num´eriques, les terminaux recevant le m´edia en temps r´eel au lieu de le lire sur leur m´emoire locale. Enfin, les d´ebits confortables combin´es `a une meilleure capa- cit´e permettent l’introduction de modules LTE dans des ´equipements jusque-l`a non connect´es au r´eseau. On peut par exemple citer des appareils photo ou des cam´eras vid´eo qui enverraient leurs images ou vid´eos directement sur un blog en ligne, ou des lecteurs multim´edias t´el´echargeant des vid´eos et de la musique. Les communications de machine `a machine, commun´ement appel´ees M2M (Machine- to-Machine)ou MTC (Machine-Type Communications), sont ´egalement appel´ees `a se d´evelopper grˆace au LTE. Ces derni`eres recouvrent une large gamme de services, allant, par exemple, de cam´eras de vid´eosurveillance transmettant continuellement vers un serveur avec un d´ebit de l’ordre de quelques centaines de Kbit/s, `a des capteurs renseignant `a distance l’´etat de compteurs de consommation ´electrique, qui transmettent typiquement avec un d´ebit tr`es faible une fois par mois. Ces derniers, toutefois, ne n´ecessitent pas les hautes performances du LTE, et ne se d´evelopperont vraisemblablement que lorsque le coˆut des terminaux LTE sera suffisamment faible. Les ´evolutions technologies croissantes de la LTE ouvrent la porte vers de nouveaux services tres strictes en termes de qos et necesssit´e de disposer de bandes fr´equences hautes comme basses s’imposent. Memoire de fin d’etude de Master page 15 GI
  • 31. Chapitre II NECESSITE D’OBTENTION DE FREQUENCES EN DESSOUS DES 1GHZ ET ETUDE DE LA BANDE DES 700MHZ II.1 N´ecessit´e d’obtention de fr´equence en dessous des 1GHz Depuis une quinzaine d’ann´ee l’on assiste au passage progressive de la t´el´evision analogie vers num´erique sur l’ensemble du globe terrestre .cela occasionna donc le d´egagement de bandes de fr´equences qui feront plutard l’objet de sollicitation pour le compte des communications ´electroniques. Ainsi en novembre 2007 apr`es des d´ebats tr`es difficile a la CMR -07(conf´erence mondiale des radiocommunications 2007), la possibilit´e a ´et´e donn´ee pour les pays de la r´egion 1 d’utiliser la bande 790-862 MHz dite 800 MHz, issue du dividende num´erique1, au service mobile. Et les autres r´egions (Amerique et Asie-Pacifique), ou les fr´equences au dessus de 806 Mhz ´etaient d´ej`a utilises la possibilit´e a ´et´e donn´e d’utiliser la bande des 700Mhz 698-806 . extrait de 052 053 UIT.pdf.Un plan de fr´equence du dividende numerique1 . Figure II.1 – plan de r´epartition des fr´equences du dividende numerique1. source 052 053 UIT.pdf 16
  • 32. CHAPITRE II. NECESSITE D’OBTENTION DE FREQUENCES EN DESSOUS DES 1GHZ ET ETUDE DE LA BANDE DES 700MHZ Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire Ainsi la bande 800 MHz vient compl´eter la bande 2500 – 2690 MHz dite 2,6 GHz, harmonis´ee au niveau mondial comme bande d’extension pour les services mobiles des r´eseaux 4G. Suite aux divergences d’harmonisations rencontr´ees lors du pr´ec´edant dividende num´erique, en f´evrier 2012 a la CMR-12 des actions sont men´ees pour mettre un terme a cette situation. Les pays du moyen orient et de l’Afrique se rendirent compte que disposer des 800 Mhz pour les services mobiles actuels ne leurs permettaient pas de satisfaire la demande sans ouvrir de nouveaux spectres de fr´equences. Un d´egagement de fr´equences est donc envisageable : dividende numerique2. la bande 694- 790 Mhz dite 700 MHz ou encore appel´e fr´equence d’or issue de cet deuxi`eme dividende num´erique a ´et´e inscrit dans le cadre du point de l’ordre du jour 1.2 de la prochaine CMR-15( pr´evue en octobre -novembre 2015).un accent a donc a ´et´e tout par- ticuli`erement mis sur l’harmonisation des conditions techniques et r´eglementaires qui confir- mera l’utilisation de cette bande. La bande 700 MHz compl`etera la bande 800 MHz (dividende num´erique 1), pour le d´eploiement des r´eseaux larges bandes en dessous de 1 GHZ. Figure II.2 – Un plan de fr´equence harmonis´e des 2 premiers dividende num´erique selon 3GPP. source Presentation-W-Bocquet-GSMA.pdf parue le 1er octobre 2014. source 052 053 UIT.pdf L’acc`es au spectre constitue un enjeu majeur pour satisfaire les futurs besoins des services mobiles `a tr`es haut d´ebit. L’augmentation croissante des usages mobiles appelle en effet d`es `a pr´esent `a l’identifitier de nouvelles bandes de fr´equences, afin de faire correspondre dans le futur les volumes de trafic mobiles attendus avec les quantit´es de fr´equences ad´equates. De plus la g´en´eralisation de l’Internet haut d´ebit mobile, l’´evolution vers des d´ebits encore plus ´elev´es (et la croissance anticip´ee du trafic) n´ecessite de r´eexaminer l’ad´equation des res- sources en fr´equences mises `a disposition des op´erateurs aux besoins associ´es `a la poursuite du d´eveloppement des services de communications mobiles. Des ´etudes men´ees ces derni`eres ann´ees ont r´ev´el´es une saturation au d´ebut de la prochaine d´ecennie des bandes de fr´equences actuel- lement utilis´ees par les services mobiles, notamment dans les zones urbaines (agglom´erations `a forte densit´e d’utilisateurs).La croissance des d´ebits et du trafic conduit in´evitablement `a un besoin suppl´ementaire en ressources hertziennes, et ce malgr´e la meilleure efficacit´e spectrale des futurs syst`emes mobiles. Ainsi, l’Union Internationale des T´el´ecommunications (UIT) es- time dans un rapport publi´e en 2006 que les besoins en fr´equences `a l’horizon 2020 - incluant les bandes de fr´equences d´ej`a identifi´ees - seront compris entre 1280 et 1720 MHz extrait du Rapport UIT-R M.2078 – “Estimated spectrum bandwidth requirements for the future de- velopment of IMT-2000 and IMT- Advanced”).En attendant la reconversion de la bande 700 MHz en vue de son utilisation pour les services mobiles , une ´etude sur cette derni`ere serait la bienvenue. L’une des particularit´es de cette bande est qu’elle est utilis´ee en grande partie par la t´el´evision avec des puissances d’´emissions importantes ce qui favorisera un d´eploiement rapide des r´eseaux a large bande. Memoire de fin d’etude de Master page 17 GI
  • 33. CHAPITRE II. NECESSITE D’OBTENTION DE FREQUENCES EN DESSOUS DES 1GHZ ET ETUDE DE LA BANDE DES 700MHZ Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire II.2 Etude de la bande des 700MHz Avant tout propos il est bon de savoir que, toutes les fr´equences ne sont pas ´egales : une distinction doit ˆetre faite entre les fr´equences basses, situ´ees en dessous de 1 GHz (1000 MHz), et les fr´equences hautes, situ´ees au dessus de 1 GHz, dont les caract´eristiques physiques de propagation radio´electrique sont tr`es diff´erentes. Les bandes en dessous des 1 GHz commun´ement appel´e fr´equence d’or1 comme c’est le cas des 700MHz issue du prochain dividende num´erique2 ont des caract´eristiques intrins`eques qui leur sont propres . En effet les bandes de fr´equences situ´ees au dessus de 1 GHz permettent de faire face `a l’augmentation des d´ebits et du trafic, la r´ealisation d’une couverture efficiente, notamment en zone rurale, et l’am´elioration de la qualit´e de r´eception des r´eseaux n´ecessite la mise `a disposition de fr´equences en dessous de 1 GHz. Ces fr´equences disposent en effet de meilleures qualit´es physiques `a l’int´erieur des bˆatiments. Elles sont adapt´ees `a la r´ealisation d’une couverture ´etendue du territoire par les services mobiles dans des conditions ´economiques raisonnables, ainsi qu’ une p´en´etration `a l’int´erieur des bˆatiments(p´en´etration de 0.50m dans les mat´eriaux) ´equivalente `a celle des r´eseaux existants,d’ou le surnom de fr´equences en or . Figure II.3 – compl´ementarit´e fr´equence hautes et fr´equences basses. source consult-divid-num-130707.pdf Comme nous pouvons le constater( figure ci-dessous) les fr´equences basses a elles seules ne suffisent pas pour satisfaire les besoins des services mobiles. Il est donc naturel de disposer de davantage de fr´equences hautes et basses pour r´epondre aux besoins de d´eveloppement sur l’ensemble du territoire de l’acc`es Internet mobile vers des d´ebits plus ´elev´es. Memoire de fin d’etude de Master page 18 GI
  • 34. CHAPITRE II. NECESSITE D’OBTENTION DE FREQUENCES EN DESSOUS DES 1GHZ ET ETUDE DE LA BANDE DES 700MHZ Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire Figure II.4 – haut d´ebit et n´ec´essit´e de disposer fr´equence haute et fr´equence basse : source consult-divid- num-130707.pdf Table II.1 – avantages et Inconvenients des fr´equences en or AVANTAGES INCONVENIENTS Meilleure couverture ( propagation physique plus robuste) Faible largeur bande Meilleure p´en´etration al- lant 420 a 500 mm soit 0.50m dans l’ensemble des mat´eriaux de construc- tions Faible capacit´e Faible att´enuation Historiquement occupe pour la t´el´evision analogie avantage non n´egligeable en termes de coˆuts de construction des r´eseaux lesquels n´ecessitent un nombre plus faible d’´emetteurs Tr`es couteux : la vente du droit `a l’utilisation de ces fr´equences aux princi- paux op´erateurs est d’un grand rapport financier pour l’´etat [1] :700 MHz nomm´ees fr´equences en or en raison de leur extrˆeme pouvoir de p´en´etration -allant de 420 `a plus de 500 mm - soit environ 0,50 m dans l’ensemble des mat´eriaux de construction extrait du site :www.alternativesante.fr/onde-electromagnetique/les-frequences- en-or-arme-de-destructions-massives). Dans le premier chapitre nous avons pr´esent´e l’evolution des r´eseaux mobiles et d´ecrire le r´eseau LTE , ses performances, la QoS qu’il met en place et les services ´emergents possible `a offrir. ensuite le deuxi`eme chapitre nous avons parl´e de l’importance des bandes de frequences en dessous des 1GHz (700 MHz) et inconvennients. . Ce qui va nous int´eresser par la suite et fait l’objet de ce m´emoire est la suggestion d’algo- rithmes d’ordonnancement qui tiennent compte des contraintes et exigences en vue de garantir une meilleure gestion de la QoS sous la 4G. L’etroitesse de la largeur de bande disponible sous ses bandes avec les services emergents possibles un compromis doit etre trouver afin de garantir la QoS de ses services. Memoire de fin d’etude de Master page 19 GI
  • 35. Chapitre III POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT III.1 Ordonnancement Dans un souci de performances du syst`eme en particulier du r´eseau d’acc`es, il est important de se doter d’outils techniques ad´equates en vue de satisfaire la demande des services propos´es et sollicit´es dans de meilleurs conditions : de nombreuses techniques ont ´et´e mise en œuvre au sein de la m´ethode d’acc`es dont l’ordonnancement. L’ordonnancement est l’un des plus importants m´ecanismes de gestion de ressources dans les r´eseaux informatiques en particulier dans les r´eseaux mobiles sans fil tel est le cas : LTE, il permet de d´eterminer `a quel utilisateur il convient de transmettre dans un intervalle de temps donn´e le ou les ressources n´ecessaire tout en procurant une ´equit´e ´elev´ee. C’est un ´el´ement d´eterminant dans la conception puisqu’il r´epartit l’allocation du canal entre les utilisateurs et ainsi, d’une mani`ere g´en´erale, d´etermine le comportement global du syst`eme. Un d´ebit optimal du syst`eme peut ˆetre obtenu en affectant toutes les ressources radio `a l’utilisateur avec les meilleures conditions radio du canal, n´eanmoins un Ordonnanceur, en pratique, devrait avoir plusieurs niveaux d’´equit´e. La pr´ediction de la qualit´e du canal, la capacit´e de la cellule, ainsi que des classes diff´erentes de priorit´es de trafic sont des exemples d’informations sur lesquels l’Ordonnanceur se base pour ses prises de d´ecisions. Le LTE d`es son d´eploiement reposait sur des techniques d’ordonnancement de type classique qui maximisaient le d´ebit comme crit`ere de QoS sans trop tenir compte de la QoS des services, du canal, et la diff´erenciation des services .or avec le nombre croissant des utilisateurs , l’ap- parition de nouveaux ´equipements : Smartphones ,tablettes et phablettes etc, permettent de applications multim´edias ´evolu´ees : vid´eo a la demande ,vid´eoconf´erence , jeu en ligne . . . .etc., gourmandes en ressources et strictes en termes de QoS. Il est opportun de disposer des tech- niques d’ordonnancement qui r´epondent `a ses besoins pour une meilleure ´equit´e des ressources disponibles et une diff´erenciation de services. De plus, il n’existe pas d’algorithmes standards, le choix est propre `a chaque operateur en fonctions de certains facteurs qu’il d´efinit. Pour cela nous allons nous int´eresser `a une tˆache importante de l’eNodeB pr´esente dans la partie LTE(reseau d’acc`es), c’est le RRM (Radio Resource Management) son objectif est d’accepter ou de rejeter les demandes de connexion au r´eseau, en assurant une distribution optimale des ressources radio entre les UEs (Users Equipements). Il est constitu´e principalement de deux ´el´ements AC (Admission Control) est responsable de l’acceptation et du r´ejet des nouvelles requˆetes et PS (Packet Scheduling) r´ealise l’allocation des ressources, efficacement aux diff´erents utilisateurs d´ej`a accept´es par l’AC. Dans ce travail on se focalisera sur le PS ou ordonnanceur, qui r´ealise une allocation efficace des ressources radio dans les deux sens c’est-`a-dire Uplink et Downlink (consid´er´e dans notre cas) en tenant compte des param`etres tels que : ⊕ les conditions de propagation radio sp´ecifiques dont ils b´en´eficient sur chaque unit´e de res- source. ⊕ les volumes de donn´ees qu’ils ont `a transf´erer/recevoir, 20
  • 36. CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire ⊕ les contraintes de qualit´e de service `a respecter (PLR, d´elai)... Ainsi, en faisant le meilleur tri donc un choix parmi ses diff´erents algorithmes d’ordonnance- ment, les op´erateurs peuvent adapter sur mesure le comportement du syst`eme `a leurs besoins. III.2 Etat de L’Art Avant d’aborder ces differentes classes d’algorithmes qui existent, voyons `a present le mod`ele math´ematique sur lequel s’appuie ces algorithmes. III.2.1 Modelisation Math´ematique Les algorithmes que nous verrons par la suite sont inspir´es de ce mod`ele present´e par Haider Safa and Kamal Tohme `a l’ International Conference on Telecommunications (ICT), 2012.il permet de calculer le d´ebit(represent´e par r) atteint par l’utilisateur k sur une seule sous trame(TTI). r k = N N=1 ρk,n * qk,max(gk,∗ n) j=1 bk,j ∗rj [1] Avec : ρk,n : indicateur du nombre de SB(scheduling blocks) allou´e `a un utilisateur. q k, maxg k, n * :la plus grande valeur de MCS obtenue sur le n-i`eme SB pour la valeur de CQI, g k, n : indicateur de la qualit´e du canal (CQI) et n* :valeur max de CQI dans tous les SBs. b k, j : est le MCS choisi pour l’utilisateur k sur tous les SBs qui lui sont allou´es. rj : le d´ebit atteignable par un seul SB. Donc, le probl`eme d’allocation de ressources radio `a pour but de maximiser le d´ebit des utilisateurs sous les contraintes suivantes : max N k=1 rk [2] sous contrainte que : r k≥ R k ∀k [3] ρk,n = 1, ρk ,n = 0, k =k’ [4](un SB est allou´e `a un et un seul utilisateur ) qk,max(gk,∗ n) j=1 bk,j=1 [5] tous les SBs d’un utilisateur emploient un seul MCS : veut dire en indice. [2] :la fonction objectif qui vise `a maximiser le d´ebit, [3] :la fonction visant a assur´e un d´ebit minimal pour tous les utilisateurs (c.-`a.-d. assur´e une certaine QoS) Memoire de fin d’etude de Master page 21 GI
  • 37. CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire [4] :assure qu’un SB peut ˆetre attribu´e `a un seul utilisateur, [5] :tous les SBs d’un utilisateur emploient un seul MCS (contrainte sur les r´eseaux LTE) NB :SB (scheduling block) minimale de ressources allou´ees a un utilisateur qui est constitu´e deux 2 Ressources blocks(RB) cons´ecutif =une sous-trame (1ms)=1 TTI . RB = 1 Slot III.2.2 Differentes classes d’Algorithmes L’objectif des ordonnanceurs est en priorit´e de r´eussir `a acheminer un maximum d’informa- tions vers la/les destination(s). Pour ce faire, il leur faut optimiser l’efficacit´e spectrale afin de maximiser le d´ebit global. Ensuite, ils doivent assurer ´equit´e et diff´erenciation de service entre les diff´erents mobiles afin de garantir la meilleure QoS possible. Plusieurs approches et algo- rithmes ont ´et´e propos´es dans la litt´erature pour r´epondre `a ce besoin (allouer les ressources efficacement), cette diversit´e et multitude d’algorithmes est li´ee aux facteurs consid´er´es per- mettant la gestion optimale de ressources radio, sp´ecifiant le type de trafic donc du type de QoS demand´ee par l’UE. Algorithmes d’ordonnancement utilis´es en Downlink Compte l’etroitesse de la largeur de bande disponibles en dessous des 1GHz ( 700 MHz) et les services emergents possibles tr`es strictes en terme de bandes. faille donc trouver un compromis entre largeur de bande et QoS `a garantir c’est `a dire trouver quelle classe d’algorithmes qui arrivent satisfaire au mieux les contraintes et exigences de ses applications multimedias . Il existe plusieurs familles d’algorithmes dans la litt´erature ,ici nous sommes inspir´es de ceux cit´es dans la :theseguegen.pdf et de l’article 1405.3869.pdf...) , chaque famille contient un en- semble d’algorithmes qui ont des caract´eristiques communes propres. Nous pr´esenterons ici une liste non exhaustive de ses algorithmes existants. On peut les regrouper en trois grandes cat´egories : les algorithmes simples et anciens d´eriv´es du filaire que l’on d´enommera par le terme classiques , les algorithmes plus complexes qui introduisent plus d’ ´equit´e et les algorithmes opportunistes qui surclassent les deux premi`eres cat´egories. III.2.3 Les Algorithmes Classiques Les r´eseaux mobiles sans fil ´etant une r´eplique des r´eseaux filaires, embarquent les mˆemes les algorithmes d’allocation de ressources en effectuant quelques r´eglages. Parmi ces algorithmes classiques nous pouvons citer : l’allocation al´eatoire et l’algorithme Round Robin sont les deux les plus connus et facile a impl´ementer. Round Robin (RR)[6] C’est une strat´egie classique d’allocation des ressources radio, l’algorithme alloue la mˆeme quantit´e de ressource aux utilisateurs en partageant le temps, par cons´equent, le d´ebit diminue consid´erablement vue, que tous les utilisateurs du syst`eme utilisent les ressources radio suivant un quantum de temps cela pour deux raisons : ⊕ L’affaiblissement de propagation : qui d´epend essentiellement de la distance entre l’UE et la station de base (plus l’utilisateur est proche de la station de base plus il aurat un d´ebit sup´erieur par rapport `a l’autre qui est distant malgr´e que chacun dispose des mˆemes Urs (unit´es de res- sources ). ⊕ Les contraintes de qualit´e de service : les mobiles ayant une QoS plus faibles auront d´ebit sup´erieur a ceux qui ont des contraintes plus strictes. Avec le Round Robin, les mobiles qui utilisent des applications de type best effort peuvent Memoire de fin d’etude de Master page 22 GI
  • 38. CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire b´en´eficier d’un d´ebit et d’une qualit´e de service exceptionnelle par rapport `a leurs besoins au d´etriment d’autres utilisateurs ayant des applications n´ecessitant un d´ebit ´elev´e et un niveau de qualit´e de service similaire aux applications temps r´eel. En un mot RR permet une ´equit´e des unit´es ressources(URs) sans pour autant garantit une ´equit´e des d´ebits entre UEs. Il alloue les Urs sans tenir compte de la position, la capacit´e et les besoins de chaque utilisateur. L’allocation est aveuglement faite ce qui ne permet pas d’assurer une quelconque qualit´e de service. Allocation al´eatoire(RA)[7] Allocation al´eatoire en anglais RA (Random Acces) est technique d’ordonnancement simple `a mettre en œuvre et donc largement impl´ement´ee. Il s’agit tout simplement d’allouer la res- source radio de fa¸con al´eatoire entre les utilisateurs. Tous les utilisateurs ayant statistiquement la mˆeme chance d’acc´eder au canal, ils recevront sur le moyen et long terme un mˆeme nombre d’unit´es de ressource quels que soient leurs besoins. Allouer ainsi la ressource conduit donc sur le moyen et long terme `a la distribuer d’une mani`ere homog`ene et revient `a procurer les mˆemes performances r´eseau que le Round Robin. Bilan Les m´ethodes conventionnelles telles que le Round Robin ou l’Allocation Aleatoire sont par leur simplicit´e de mise en œuvre ,des standards de l’ordonnancement. Cependant, bien qu’en apparence ´equitables, leurs incapacit´es `a prendre en compte les particularit´es des flux des uti- lisateurs conduit in´evitablement `a une incapacit´e `a diff´erencier les services. Par cons´equent, satisfaire d’une mani`ere ´equitable les utilisateurs et assurer une quelconque qualit´e de service est impossible. De plus, ces ordonnanceurs sont plus adapt´es `a l’origine pour les r´eseaux filaires que les r´eseaux mobiles sans fil. Avec la mont´ee en puissance du nombre d’utilisateurs et les avanc´ees technologiques, il est imp´eratif aujourd’hui, d’apprendre `a mieux utiliser la ressource radio. III.2.4 Les algorithmes Equitables Ces algorithmes visent `a repondre aux besoins d’´equit´es dont n’offraient pas les premiers al- gorithmes apparus dit classiques. Ainsi plusieurs travaux de recherches seront entrepris en vue de proposer des algorithmes d’ordonnancement plus complexe, visant une meilleure ´equit´e et diff´erentiation de service entre les utilisateurs dans les r´eseaux LTE : les algorithmes ´equitables. il faut noter que l’´equit´e ne veut pas dire l’´egalit´e. Fair Queuing (FQ) :[8] Le principe de fonctionnement de l’algorithme : Fair Queuing consiste en une distribution ´egale du d´ebit entre tous les utilisateurs, en effet pour un lien qui supporte un d´ebit D, chaque utilisateur est servi avec un d´ebit D/K. Le Fair Queuing assure une meilleure ´equit´e d’allocation al´eatoire que le Round Robin. Cependant, il pr´esente les mˆemes inconv´enients que les algorithmes classiques vu que les besoins des utilisateurs sont toujours n´eglig´es, les utilisateurs qui ont besoin d’un haut d´ebit restent toujours p´enalis´es face aux autres. La qualit´e de service reste inexistante. Le Weighted Fair Queuing (WFQ) :[9] Le Weighted Fair Queuing (WFQ) est une am´elioration de l’algorithme Fair Queuing (FQ).Cet algorithme prend en compte une diff´erentiation entre les services en donnant la priorit´e aux utilisateurs qui ont besoin d’un d´ebit plus ´elev´e. L’algorithme utilise un syst`eme de marquage (poids) qui permet de privil´egier certains flux en leur accordant davantage de bande passante. Memoire de fin d’etude de Master page 23 GI
  • 39. CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire Ce principe permet de contrˆoler la qualit´e de service. Ainsi, le WFQ peut garantir diff´erents d´ebits entre les utilisateurs et assurer une potentielle ´equit´e en termes de satisfaction des contraintes de qualit´e de service. Max-Min Fair (MMF) :[10] Le principe de fonctionnement de l’algorithme : L’algorithme distribue les ressources entre les utilisateurs successivement en vue d’augmen- ter le d´ebit de chaque utilisateur. Une fois que l’utilisateur alloue les ressources demand´ees pour atteindre son d´ebit, on passe `a l’utilisateur suivant. L’algorithme s’arrˆete par ´epuisement des ressources ou que les utilisateurs soient satisfaits. Le MMF est un crit`ere de choix dans un environnement multiutilisateurs des syst`emes OFDM. Cependant il alloue les ressources sans se soucier que les utilisateurs peuvent avoir des exigences diff´erents ou pas. La notion d’´equit´e r´ealis´ee par cet algorithme n’est pas optimale car elle ne prend pas en consid´eration le niveau d’exigence de chaque UEs, en plus de cela il ne tire pas meilleure profit de la bande passante un des crit`eres essentielle de performances des r´eseaux d’acc`es. Par cons´equent cet algorithme pourrait ˆetre `a peine un choix efficace pour l’allocation des ressources en LTE. Bilan Comme nous pouvons le constater avec Max-Min Fair et le Fair Queuing, l’´equit´e entre mo- biles est am´elior´ee par rapport aux ordonnanceurs classiques. Le Weighted Fair Queing, quant `a lui, permet de diff´erencier les flux et donc, en les priorisant de mani`ere ad´equate d’atteindre une satisfaction globale plus ´elev´ee. A cot´e de ses avantages dont jouissent ses algorithmes un inconv´enient majeur est `a souligner : la non prise en charge des ´etats des liens qui s´eparent la station de base des utilisateurs. Par cons´equent, certaines URs(unite de ressources= TTI) sont r´eguli`erement allou´ees `a des utilisateurs qui ne peuvent pas bien les exploiter `a cause de mauvaises conditions physiques (li´ees entre autres aux att´enuations multi-trajets). Cela conduit ´eventuellement `a un gˆachis de bande passante et donc `a une perte significative de d´ebit pour le syst`eme, crit`ere de performance pourtant essentiel dans les reseaux d’acc`es. III.2.5 Les algorithmes Opportunistes Ces algorithmes viennent pour pallier au d´eficit rencontrer par leurs pr´ed´ecesseurs en termes d’´equit´e des ressources radios, de gestion de bande passante, prise en compte des diff´erenciations de services etc. Des travaux scientifiques ont ´et´e entrepris pour corriger cet ´etat de fait qui aboutirent a cette conclusion que une nouvelle approche inter-couches MAC/PHY est une solution par- ticuli`erement adapt´ee pour r´ealiser un usage optimal des ressources radio. Les r´esultats de cette approche vont s’av´er´es efficaces et ont donn´e naissance : aux ordonnanceurs opportu- nistes plus robustes. Deux classes d’algorithmes ont ´emerg´ees : le Maximum Signal-to-Noise Ratio(MaxSNR) et le Proportional Fair(PF, EXP-PF (Exponential Proportional Fair)etc... Ti- rant profit de la diversit´ee fr´equentielle et multiutilisateurs pour allouer prioritairement les ressources aux mobiles qui ont les conditions de transmission/r´eception les plus favorables (le meilleur rapport signal/bruit). Ce type d’algorithme utilise des files d’attentes infinies, ces files d’attente sont utilis´ees dans le cas de trafic non temps r´eel. L’objectif principal de ce type d’algorithmes est de maximiser le d´ebit global du syst`eme. Maximum Signal-to-Noise Ratio (MaxSNR) :[11] Memoire de fin d’etude de Master page 24 GI
  • 40. CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire MaxSNR (´egalement connu sous le nom de Maximum Carrier to Interf´erence ratio (MaxC/I)), la priorit´e est donn´ee `a l’utilisateur actif qui a le plus grand rapport signal sur bruit (signal-to- noise ratio (SNR)). Si l’on d´esigne par m (k,n)le nombre maximum de bits qui peut ˆetre transmis durant un in- tervalle de temps sur la sous-porteuse n si on l’alloue au mobile k, l’allocation MaxSNR consiste `a allouer l’unit´e de ressource intervalle de temps pour la sous-porteuse n `a l’utilisateur j qui a le plus grand m (k,n) avec : j = argmax (m (k,n)) , k = 1,..., K, o‘u K d´esigne le nombre total d’utilisateurs actifs. Profitant de la diversit´e multiutilisateurs et fr´equentielle, l’ordonnancement MaxSNR al- loue constamment la ressource radio `a l’utilisateur qui a la meilleure efficacit´e spectrale et par cons´equent qui permettra d’obtenir le meilleur d´ebit sur chaque UR. En adaptant dynami- quement la modulation, il permet ainsi de faire un usage extrˆemement efficace de la ressource radio et de se rapprocher de la limite de capacit´e de Shannon1 ce qui lui permet d’accroˆıtre tr`es fortement le d´ebit du syst`eme. Cependant, un effet n´egatif de cette allocation est que les utilisateurs proches du point d’acc`es ont toujours une priorit´e disproportionn´ee sur les utilisa- teurs plus ´eloign´es. B´en´eficient d’une att´enuation de propagation plus faible et donc d’un SNR plus grand, les mobiles proches seront souvent, voire toujours, s´electionn´es avant les mobiles ´eloign´es qui ne se verront alors allouer que les r´esidus. Comme l’illustre la figure ci-contre. [1] :c=log2(1 + S/B). Figure III.1 – iniquit´e des ressources en fonction de la position g´eographique. source :theseGueguen.pdf On s’aper¸coit que les utilisateurs dans la zone verte acc`edent `a la ressource radio en priorit´e et voient leurs besoins combles, dans la zone rouge en revanche les mobiles sont p´enalis´es et ne se voient attribuer que la bande passante r´esiduelle une fois les mobiles de la zone prioritaire servis. Dans une situation de congestion du r´eseau, il est fr´equent de constater que les mobiles ´eloign´es n’acc`edent plus du tout `a la ressource radio. Ainsi avec MaxSNR la garantie de la qualit´e de service est pratiquement inexistant puisque cette derni`ere va exclusivement ou presque d´ependre de la position relative des mobiles. De plus, le MaxSNR pr´esente un autre inconv´enient : il ne tient pas compte des besoins des utilisateurs lors de l’attribution des prio- rit´es, se trouvant dans l’incapacit´e d’assurer une quelconque diff´erentiation de service. L’int´erˆet de son utilisation dans les contextes multim´edia reste donc limit´e. Pour ces raisons, le MaxSNR est actuellement consid´er´e comme l’ordonnanceur le plus efficace du point de vue de la maxi- misation du d´ebit mais ´egalement le moins ´equitable. Proportional Fair (PF) :[12] Memoire de fin d’etude de Master page 25 GI
  • 41. CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire Son but est d’essayer de maximiser le d´ebit global du syst`eme en augmentant le d´ebit de chaque utilisateur en mˆeme temps, il essaye de garantir l’´equit´e entre les utilisateurs. Le principe du proportional Fair est d’allouer un intervalle de temps de la sous-porteuse `a l’utilisateur qui a les conditions de transmission les plus favorables par rapport `a sa moyenne via sa fonction objective suivante : a= di(t) di - d i(t) :D´ebit correspondant au CQI de l’utilisateur i. d i- :D´ebit maximum support´e par le canal. Grˆace a cette strat´egie d’allocation, les mobiles ne sont s´electionn´es que lorsqu’ils b´en´eficient de conditions radio exceptionnellement bonnes et qu’ils sont par cons´equent les plus aptes `a tirer le meilleur profit des URs en terme de d´ebit. Cependant, un inconv´enient majeur demeure, ´etant donn´e que les utilisateurs ´eloign´es du point d’acc`es ont en moyenne une plus faible effi- cacit´e spectrale que les utilisateurs plus proches, tous les mobiles ne b´en´eficient pas du mˆeme d´ebit. L’´equit´e n’est donc pas atteinte de plus, le Proportional Fair ne prend pas en compte les contraintes de retard maximum `a ne pas d´epasser pour les applications, les d´ebits sou- hait´es,. . . etc. Ne g´erant pas la diff´erentiation de service, il est impossible de traiter les mobiles ayant des trafics h´et´erog`enes, comportant des d´ebits variables et des contraintes de qualit´e de services sp´ecifiques. Le PF n’est donc pas bien adapt´e `a la gestion des services multim´edia. En conclusion, malgr´e ces limites, le PF apporte une r´eelle am´elioration en termes d’´equit´e en r´eduisant l’ampleur du probl`eme par rapport au MaxSNR. Grace `a l’utilisation de l’approche opportuniste, le haut d´ebit obtenu dans le syst`eme est compa- rable au MaxSNR et l’´equit´e ´equivalente `a celle procur´ee par le RR. Combinant les avantages des algorithmes classiques et du MaxSNR ,le Proportional Fair apparait donc comme la meilleure strat´egie d’allocation de ressource actuelle pour les r´eseaux sans fil. Exponential Proportional Fair (EXP-PF) : C’est une am´elioration de l’algorithme PF qui supporte les flux temps r´eel (multim´edia), au fait, il priorise les flux temps r´eel en gardant un minimum de garantie pour l’autre type de trafic( non temps r´eelle(NRT)).Pour le trafic TR(temps reel) la priorit´e est d´etermin´ee de la fa¸con suivante, pour utilisateur k d´esign´e pour l’ordonnancement : k=max αi di(t) di - exp( αiwi(t) − x 1 + √ x ) [13] x= 1 NRT NRT i=1 αiwi(t) [14] w i(t) :D´elai tol´er´e par le flux et αi : param`etre positif pour tout i (utilisateur). NB : un mˆeme utilisateur peut solliciter plusieurs service RT et NRT . Algorithmes consid´erant les d´elais Ce type d’algorithme traite les d´elais d’arriver et de d´elivrance des paquets. Con¸cue principale- ment pour traiter les flux temps r´eel (multim´edia et VoIP). Si un paquet d´epasse ces valeurs de retard tol´er´e, il sera supprim´e de liste des flux `a ordonnancer ce qui d´egrade consid´erablement la QoS. M- LWDF (Maximum-Largest Weighted Delay First) est un exemple d’implantation de cette famille. M-LWDF : Memoire de fin d’etude de Master page 26 GI
  • 42. CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire Cet algorithme prend en charge des flux ayant des exigences de QoS diff´erentes, il essaye de pond´erer les retards des paquets en utilisant la connaissance de l’´etat de canal, `a un instant t, l’algorithme choisi un utilisateur k pour l’ordonnancement via la formule ci-dessous. k=max αi di(t) d− i wi(t) [15] C’est pratiquement la mˆeme formule de l’algorithme EXP-PF, sauf que : αi=log(δi)Ti δi : probabilit´e avec laquelle l’exigence du d´elai peut ˆetre viol´ee. T i : le d´elai que l’utilisateur i peut tol´erer. Cet algorithme s’adresse principalement au flux temps r´eel qui exige le respect des d´elais en garantissant une certaine ´equit´e entres les utilisateurs, il donne de bons r´esultats dans ce contexte, par contre pour les flux non temps r´eel, ce n’est vraiment pas un bon choix vu que le d´elai n’est vraiment pas un param`etre important. La priorit´e de ces derniers est calcul´ee de la mˆeme fa¸con que pour le Proportional Fair. Algorithmes optimisant le d´ebit Ce type d’algorithme essaye de maximiser la fonction objective qui repr´esente le d´ebit, cette approche traite les flux temps r´eel et non temps r´eel, l’allocation de ressources d´epend de la taille de la file de chaque utilisateur. Exemple d’algorithme de cette famille EXP Rule, Max- Weight etc. Les algorithmes multi-classe Cette approche consid`ere les classes de flux ou le traitement est diff´erent pour chaque classe RT et NRT. Ce type d’algorithme privil´egie les flux temps r´eel par rapport aux non temps r´eel, ce qui le rend les plus ad´equats et plus efficace pour l’ordonnancement en LTE, par contre l’´equit´e n’est vraiment pas consid´erer. Bilan et discussion Les algorithmes classiques con¸cus g´en´eralement pour les r´eseaux filaires ne prennent pas en compte les contraintes des transmissions sans fil et sont orient´es vers la maximisation du d´ebit, par contre pour les algorithmes ´evolu´es surtout celle dite opportunistes tiennent compte de l’´etat de canal et sont beaucoup plus efficaces parce qu’ils permettent de bien adapter les besoins aux conditions de propagation. L’utilisation de la modulation adaptative est possible. Ils offrent de meilleurs performances dans un environnement multi-utilisateurs, par contre, sans cette diversit´e multi-utilisateurs, les ordonnanceurs opportunistes sont priv´es de choix et offre le mˆeme d´ebit que tout autre ordonnanceur classique. Ce dernier point explique pourquoi les ordonnanceurs opportunistes sont toujours utilis´es dans un contexte multi-utilisateurs. Avec toutes ses qualit´es ind´eniables dont disposent les algorithmes ´evolu´es,il serait int´eressant de les impl´ementer sur Les r´eseaux apr`es la 3G, sp´ecifiquement sur les reseaux 4G(LTE) qui se focalise sur la Qos des flux temps r´eel. De plus avec l’arriv´ee sur le march´e de nouveaux ´equipements mobiles tels que les phablettes supportent des applications multim´edias ´emergents tr`es strictes en termes de qos. Il va sans dire que ces algorithmes seront d’un atout majeur dans la quˆete de satisfaction des besoins utilisateurs en termes services demand´es et propos´es, gain en nombres d’abonn´es et revenus. Au vue de ses diff´erents classes d’algorithmes que nous venons de mentionner ci-dessus une comparaison serait envisageable mais compte tenu des caract´eristiques intrins`eques dont chacun dispose, il serait plus ou moins difficile. Notamment le d´ebit offert, la qualit´e de service (diff´erentiation de service), l’´equit´e qu’il offre entre les diff´erents utilisateurs et enfin la simplicit´e Memoire de fin d’etude de Master page 27 GI
  • 43. CHAPITRE III. POLITIQUE D’ORDONNANCEMENT Universit´e Nangui Abrogoua Cote D’ivoire de son impl´ementation. Le tableau ci-dessous tente de r´esumer le niveau de performance des ordonnanceurs pr´esent´es dans cette partie. Les crit`eres de performance sont repr´esent´es dans le tableau comme suit : En se mettant sur une ´echelle de 0 a 2 avec 0 : repr´esentant le plus faible niveau et 2 repr´esentant l’objectif maximal atteindre vers lequel il est souhaitable de tendre. De tous ce qui pr´ec`edent on peut se permettre d’´etablir ce tableau ci-dessous. Il est a noter que ces donn´ees sont a titre indicatif.leur objet n’est pas de comparer les algorithmes mais de se faire id´ee sur les ordonnanceurs a mettre en œuvre plus rapidement. Diff´erenciation service : selon son service oui/non Table III.1 – Classification qualitative des ordonnanceurs Ordonnanceur RR RA FQ WF MMF MaxSNR PF EXP-PF M-LDWF D´ebit 0 0 0 0 0 2 2 2 2 Equit´e 1 1 2 2 2 0 1 1 1 Diff´erentiation de service non non Non Non Oui Non Non oui oui Simplicit´e 2 2 1 1 2 1 1 1 1 Algorithmes d’ordonnancement utilis´es en Uplink Contrairement `a l’ordonnancement en downlink, l’ordonnancement en uplink est bien plus compliqu´e pour plusieurs raisons, premi`erement, c’est l’UE qui envoie les donn´ees et nous sa- vons tr`es bien que l’UE est dot´e d’une source d’´energie limit´ee, deuxi`emement, c’est tr`es difficile de pr´evoir le nombre de ressources radio n´ecessaires `a un UE pour qu’il puisse ´echanger ces donn´ees avec la station de base. Suivant la fonction objectif prise en consid´eration et suivant les classes de trafic qui passe par-dessus les canaux radio, nous avons trois grandes cat´egories d’ordonnanceurs : ceux traitant les flux best-effort, ceux qui prennent en consid´eration la QoS et ceux optimisant la puissance d’´emission. Conclusion Partielle En conclusion le LTE ´etant orient´e vers des services multim´edias ´emergents tr`es consomma- trices en ressources il est important de faire une diff´erenciation des services ce qui permettra de supporter les besoins de trafic temps r´eel `a haut d´ebit, offrir une ´equit´e entre les utilisateurs et garantir un taux de rejet de donn´ees tr`es faible. Donc disposer d’algorithmes ´evolu´es qui permettent l’allocation ad´equate des ressources est fort remarquable. Cependant la diversit´e des flux (QoS) et les conditions radio affectent les performances de l’algorithme et font de l’allocation de ressource un probl`eme difficile a combler. De plus chaque algorithme essaye de maximiser et/ou minimiser plusieurs param`etres en mˆeme temps. Pour cette raison, chaque approche ou algorithme essaye d’optimiser le maximum des param`etres qu’il pourra. Concernant le cˆot´e uplink, il est beaucoup plus compliqu´e vue les nouvelles contraintes im- pos´ees, comme, les RBs allou´es `a un seul utilisateur doivent ˆetres continues, plus la contrainte sur la puissance du signal ´emis. Les algorithmes traitant la Qos sont les plus adapt´es et les plus sond´es, car ils traitent le facteur le plus important dans les r´eseaux LTE, qui est la Qos des flux. Faille donc trouver un compromis entres ces crit`eres selon le besoin en terme de type trafic et qualit´e de service et degr´e de satisfaction des utilisateurs. Au vue de cet etat de l’art nous avons identifier une classe d’algorithme dite opportuniste qui permettent une meilleure prise en compte des contraintes et exigences donc une meilleure gestion de la QoS . la question suivante se pose : pourqoui ne pas les( les algorithmes de cette famille) proposer comme ordonnanceur de base du LTE ? Memoire de fin d’etude de Master page 28 GI