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MEMOIRE

présenté en vue de l’obtention du

Diplôme de Mastère recherche

Spécialité: Système de communications

Présenté et soutenue par:

Alioune Laba Ndiaye

Allocations avancées des ressources dans les reseaux LTE femtocells

Encadreur: Mr Ridha Bouallegue

Laboratoire de recherche :

Co-encadrante: Mme Soumaya Bachtobji

Sommaire

1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells

2-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en downlink

3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en

downlink base sur la théorie des jeux

4-Simulation et interprétation

5-Conclusion et perspectives

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Objectifs du LTE

Débits 100

Mbps/50Mbps

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3 1-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells

Novelle

architecture

simplifié du

réseau

Efficacité

spectrale

ameliorée

Mobilité

allant

jusqu’à

500Kmh

Bande

passante

modulable

Interconnexio

n avec les

autres

reseaux 3G

Latence

réduite

RTT 10ms

Architecture du réseau lte

EPC

E-UTRAN

Architecture du réseau lte devient très simplifié

Le RNC de la 3G est éliminé et ses fonctionnalités son

affectées à l’eNB

Avantages

Distribution de la charge de traitement du RNC sur

l’eNB

Réduction de la latence

Les interfaces permettent de réduire les pertes de

paquets pendant l’intra E-UTRAN

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Faible portée de transmission (10 à 30m)

Concept de femtocell

les cellules femto sont des points d’acces sans fil de faible

puissance

Les femtocells sont des stations de bases de petites tailles

Souvent utile pour les utilisateurs indoor avec un cout réduit

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Vue générale sur le réseau HetNet

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Rayon : 2 Km

Utilisateurs : 32 – 100+

Rayon : 10 - 30 m

Utilisateurs : 4 – 8

Rayon : 2 Km

Utilisateurs : 32 – 100+

Rayon : 100 m

Utilisateurs : 8 – 32

Rayon : 5 Km

Utilisateurs : 1000+


Avantages des femtocells

Etendre la capacité et la couverture du réseau,

Abaisser les élevés de l’infrastructure de réseau,

Réduire la consommation de la batterie

Pour l’abonné :

Assurer une meilleure couverture intérieure

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Pour l’operateur:

Diminuer la charge de la macrocell,

Réduire le rayonnement du mobile,


Architecture de réseau LTE-Femtocell

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Macro UE

Femto UE

eNB

eNB

Broadband IP Access

HeNB Broadband AccessGateway

HSS

HeNB-GW /Security GW

MME/S-GWP-GW

Operator’s IP Services

E-UTRANEPC

X2

S1

SGi

S1-U / S1-MME

S6-a

La HeNB se connecte au EPC à travers les interfaces S1-U et S1-MME.

Pour soutenir un grand nombre de HeNBs, une passerelle (HeNB-GW) est utilisée entre

les HeNBs et EPC.

Uu

Uu


Défis des femtocells

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Défis de

Femtocell

Qualité de service

Gestion de l’interférence

Auto-organisation

Consommation énergétique

Mobilité

Sécurité

Le déploiement des femtocells fait face à des défis techniques

de même que économique


Algorithmes d’ordonnacement en Downlink

Amélioration des performances du système en augmentant l’efficacité spectrale et l’équité

dans le réseau

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Algorithmes utilisés pour l’allocation des ressources radio

L’algorithmes basé sur le délai à savoir M-LWDF

Les algorithmes opportunistes comme ; PF et EXP/PF


Les algorithmes opportunistes(1)

Proportional Fair (PF)

Il permet de faire le compromis entre le taux de données et le debit pour

chaque utilisateur,

C’est pour les flux Non Temps Réel(NRT)

PF alloue les ressources en tenant en compte de la nature du canal et le debit de

l’utilisateur,

Le planificateur PF est représenté comme suit: 𝒂 =𝒅𝒊 𝒕

𝒅𝒊𝒅𝒊(𝒕) : Débit correspondant au CQI de l’utilisateur i.*

𝒅𝑖:Debit maximal supporté par le RB05/10/2016

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Les algorithmes opportunistes(2)

Exponential Proportional Fairness(EXP/PF)

EXP/PF maximise le debit des systèmes en garantissant un retard borné

Il assure l’équité proportionnelle entre les utilisateurs

EXP/PF soutient les applications multimédia dans une modulation et codage adaptatif

EXP/PF choisit l’utilisateur k pour la transmission de la manière suivante:

K=𝒎𝒂𝒙𝒊𝒂𝒊𝒅𝒊 𝒕

𝒅𝒊𝒆𝒙𝒑 𝒂𝒊𝑾𝒊 𝒕 −𝑿

𝟏+ 𝑿

X=1

𝑁 𝐼 𝑎𝑖𝑊𝑖(t)

𝑾𝒊 𝒕 : 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑖 𝑡𝑜𝑙𝑒𝑟é 𝑝𝑎𝑟 𝑙𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑥05/10/2016

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L’algorithme basé sur le délai

Il supporte plusieurs données en temps réel

Il essaie d’équilibrer les retards paquets pondéré et utilise la reconnaissance sur l’état

efficace du canal

Il choisit l’utilisateur k pour la transmission de façon suivante:

K=𝑚𝑎𝑥𝑖𝑎𝑖𝑑𝑖 𝑡

𝑑𝑖𝑊𝑖 𝑡

𝑎𝑖 =−log(𝛿𝑖)𝑇𝑖

Maximum-Largest Weighted Delay First (M-LWDF)

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Comparaison entre les algorithmes

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algorithmes références Statut du

buffer

Condition

du canal

Équité

partielle

Équité

generale

complexité

PF [26] v v v

EXP/PF [25] v v v v

M-LWDF [27] v v v v


Solution d’ordonnacement dans les reseaux LTE femtocells

Le but est d’adapté un jeu de négociation basé sur la théorie des jeux en utilisant

la valeur de Shapley et les jeux de faillites,

Distribution de la bande passante entre les classes de services,

Améliorer la planification de l’allocation en liaison descendante en utilisant EXP-

RULE modifié avec le mécanisme de jeton virtuel,

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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base

sur la théorie des jeux

Présentation de la solution

Utilisateurs

Distributions des ressources en utilisant la théorie

des jeux

Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur

modifié basé sur le mécanisme des jeton virtuels

P1,N1 P3,N3P2,N2

B3B2B1

1er niveau

2eme niveau

Classe P1Classe P3Classe P2

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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base

sur la théorie des jeux

Les étapes de l’algorithme

Les utilisateurs sont divisés en trois(3) classes P1,P2 et P3

Classification des utilisateurs par priorité(1)

La classe P1 représente les utilisateurs femtocells

La classe P3 concerne les autres

La classe P2 représente les utilisateurs de même operateur

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3-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base sur

la théorie des jeux


Distribution de la bande passante par jeux de faillite(2)

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Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)

Cette allocation se fera en deux(2) phases:

1ère phase: utilisation de la valeur de Shapley pour assurer l’équité entre les différents utilisateurs,

Cette valeur est définie comme suit: ∅𝒊 𝐯 = 𝑺𝝐𝑵 𝑺 −𝟏 !(𝒏− 𝑺 )!

𝒏!(V(s) –V(S\{i})

V est le gain moyen pour chaque joueur

Ou:

∅𝑖 v :est la fonction du joueur i

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1ère phase: utilisation de la valeur de Shapley pour assurer l’équité entre les différents utilisateurs,

Nous définissons le scenario suivant:

La bande passante par flux est donnée comme suit={242,8,4,2}

La bande passante C=c1,c2,c3=32Mbps (50RBs par TTI)

N=A,B,C les acteurs de notre scenario

Les classes suivantes : vidéo=A, VoIP=B et CBR=C Le jeux de la bande passante est modélisé comme (N;𝒗𝒄𝒈) ou |N|=3𝒗𝒄𝒈 𝑺 =max{ 𝑪𝒋 − 𝑰𝝐𝑵\𝑺 𝒈𝒊, 𝟎 }v(N)=𝑪𝒋Notre fonction caractéristique est défini comme suit V(1)=max{ 𝑪𝒋 −(8,4𝒌𝑩 +2𝒌𝑫),0}V(2)=max{ 𝑪𝒋 −(2𝟒𝟐𝒌𝑩 +2𝒌𝑫),0}V(3)=max{ 𝑪𝒋 −(242𝒌𝑨 + 𝟖, 𝟒𝒌𝑩),0}V(1,2)=max{ 𝑪𝒋 −2𝒌𝑪,0}V(1,3)=max{ 𝑪𝒋 −(8,4𝒌𝑩,0}V(2,3)=max{ 𝑪𝒋 −(242𝒌𝑨,0}V(1,2,3)= 𝑪𝒋 −

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2eme phase: allocation des ressources liées à chaque catégorie de flux

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Ordonnancement des paquets niveau file d’attente

On se base sur l’algorithme EXP-RULE modifié ou l’utilisateur peut appartenir à un fluxTemps reel(RT) ou un flux Non Temps Reel(NRT)

EXP-RULE choisit l’utilisateur j comme suit:

• 𝜇𝑖(t) est le débit de données de l’utilisateur i à l’instant t

• 𝑊𝑖(t) est le retard du paquet HOL

• 𝜇𝑖(t): Est le debit moyenne supporté par le canal

𝑻𝒊 ∶le plus grand retard que l’utilisateur peut tolérer

𝛿𝑖 : Probabilité de retard violé 05/10/2016

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J= 𝒎𝒂𝒙𝒊𝜶𝒊𝝁𝒊(𝒕)

𝝁𝒊Exp (

𝒂𝒊𝑾𝒊(𝒕) − 𝒂𝑾

𝟏+ 𝒂𝑾)



Paramètres de simulation

2-Paramètres de simulation

Le debit

1-Les indicateurs de performances à étudier:

Le taux de perte de paquets (PLR)

Le délai de transite

l’indice de l’équité,

Vidéo bitrate :242 kbps

Scheduling time(TTI) :1 ms

Radius : 1km

Slot duration :0,5ms

Bandwidth : 10 Mhz

Frame structure :FDD

Simulation duration:120 s

VoIP bitrate :8,4 kbps

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1-taux de pertes de paquets pour les flux vidéos

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2-taux de pertes de paquets pour les flux VoIP

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3-indice de l’équité pour les flux vidéo,

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4-average throughput pour le flux vidéo,

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5-l’efficacité spectrale

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Conclusion

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Etude des algorithmes d’ordonnancement en downlink basé sur des principes

mathématiques

Evaluation des performances du système en se basant sur la théorie des jeux,

Vue générale sur les reseaux hétérogènes,

perspectives

Minimiser les contraintes sur les performances du réseau LTE femtocell

Nous essayons d’améliorer les performances dans de futur travaux

5-Conclusion et perspective

Merci pour votre attention

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Engineering