allocation des ressources radio dans les réseaux 4g-lte

Ecole Polytechnique Prive (Agrment N02-2009) Boulevard Khalifa Karoui Sahloul 4054 Sousse

Tl. : (00216) 73 277 877 / (00216) 50 995 885 Fax : (00216) 73 243 685 www.polytecsousse.tn

Rapport de Projet de Fin dEtudes

Thme :

Allocation des Ressources Radio dans les

rseaux 4G-LTE

Ralis par :

Mr. Mohamed Amine GRAMI

Encadrant:

Mr. Nabil TABBANE : Matre de Confrence (SupCom)

Mr. Kais AMEUR : Chef Service Optim Radio (Tunisie Tlcom)

Travail propos et ralis en collaboration avec :

Tunisie Tlcom

Anne Universitaire : 2011/2012

i

DEDICACES

Je ddie, ce mmoire de mon projet de fin dtude

A lme de ma chre tante Nejiba Je prie le bon Dieu pour que son me repose en paix.

A mes chers parents Abderrazek et Nabiha

Aucun hommage ne pourrait tre la hauteur de l'amour Et de l'affection dont ils ne cessent de me combler.

Qu'ils trouvent dans ce travail Un Tmoignage de mon profond amour et ternelle reconnaissance.

Que Dieu leur procure bonne sant et longue vie.

A mes surs Rawdha, Noura et Ines Pour tout lamour et laffectation que je leur porte. Je leur souhaite un

grand avenir

A mes oncles, mes tantes A mes trs chers cousins

A mes trs chres cousines Pour tout le soutien moral qui me lapportent

A tous les membres de ma grande famille.

A tous ceux qui mont aid afin de raliser ce travail,

Votre cher Mohamed Amine

ii

REMERCIEMENTS

Cest un devoir bien agrable que de venir rendre hommage, au terme de ce

travail, ceux sans lesquels il naurait pas pu tre ralis.

Il mest agrable dexprimer mes vifs et sincres remerciements Mr. Nabil TABBANE, Maitre de confrence lcole suprieure de

communication de Tunis pour ses qualits humaines, pour son encadrement, sa disponibilit et ses conseils fructueux quil ma prodigus le long de mon projet ;

je le remercie du fond du cur.

Mes vifs remerciements sadressent galement Mr. Kais Ameur Ingnieur

Tunisie tlcom pour son encadrement, sa disponibilit et son aide.

Finalement, je remercie les membres de jury :

Mr. Mr. Mr.

qui me feront lhonneur dvaluer mon travail.

iii

AVANT PROPOS

Ce prsent rapport a t labor dans le cadre de la prparation

du diplme National dingnieur en Tlcommunications et Rseaux

au sein de lEcole Polytechnique de Sousse et en collaboration avec

Tunisie Tlcom.

Ce projet consiste amliorer lallocation des ressources radio

pour les rseaux 4G-LTE.

iv

Rsum

Les rseaux mobiles et sans fil ont connu un essor sans prcdent ces dernires annes.

Ainsi, avec les avances ralises au niveau des couches MAC et physique, une nouvelle

technologie appel LTE class 4G a vu le jour.

Les rseaux radio cellulaires LTE-4G ont opt pour laccs en mode paquets et en utilisant

lOFDMA comme technique daccs multiples en sens descendant - Down Link. La gestion

des ressources a t largement traite dans la littrature ou plusieurs techniques bases sur une

optimisation heuristique ont t proposes. Les ressources sont alloues en fonction de

linformation de ltat du canal radio liant lmetteur et le rcepteur.

Lutilisation optimale de la puissance et de la bande frquentielle permet de donner

laccs un grand nombre dutilisateurs et de rduire linterfrence chez les autres rcepteurs.

La politique dordonnancement pour la gestion de ressource radio nest pas encore standardis

pour la technologie LTE. Le choix est pris par loprateur et dpend de plusieurs facteurs.

Dans notre projet, nous nous sommes intresss aux algorithmes dordonnancement. Nous

avons compar les performances de trois principaux algorithmes : PF, MLWDF et EXPPF et

nous avons mis en exergue lordonnanceur le plus adquat pour chaque situation.

Mots-cls: LTE, Couche MAC, Algorithmes dallocation de ressources, Optimisation

de Schedulers, Techniques daccs OFDMA

v

Sommaire

Introduction .............................................................................................................................. 1

Chapitre 1 : Prsentation gnrale ......................................................................................... 3

Introduction ............................................................................................................................ 3

1.1. Evolution des systmes cellulaires : .............................................................................. 3

1.2. Croissance de nombre dabonns mobiles : ................................................................... 5

1.3. Evolution des services : .................................................................................................. 6

1.4. LTE (Long Term Evolution) : ........................................................................................ 7

1.5. Le rseau EPS (Evolved Packet System) ....................................................................... 8

1.6. Laccs LTE .................................................................................................................... 9

1.6.1. Architecture ............................................................................................................... 9

1.6.2. Caractristiques ....................................................................................................... 10

1.6.3. Mthode daccs ..................................................................................................... 12

1.7. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Acces) ......................................... 12

1.7.1. Services exigeants et canal radio contraignant : ..................................................... 12

1.7.2. Principe de lOFDMA : .......................................................................................... 13

1.7.3. OFDMA dans le Systme LTE ............................................................................... 14

1.7.4. Ordonnancement en OFDMA ................................................................................. 15

1.8. Advanced LTE : ............................................................................................................. 16

1.9. Importance de lordonnancement .................................................................................. 16

Conclusion ............................................................................................................................ 17

Chapitre 2 : Les algorithmes dordonnancement ................................................................ 18

Introduction .......................................................................................................................... 18

2.1. Algorithmes classiques .................................................................................................. 19

2.1.1. Round Robin (RR) .................................................................................................. 19

2.1.2. Allocation alatoire ................................................................................................. 20

2.1.3. Bilan et discussion ................................................................................................. 20

2.2. Algorithmes quitables .................................................................................................. 21

2.2.1. Fair Queuing (FQ) : ................................................................................................ 21

2.2.2. Max-Min Fair (MMF) ............................................................................................. 21

2.2.3. Le Weighted Fair Queuing (WFQ) ......................................................................... 22

2.2.4. Bilan et discussion .................................................................................................. 22

2.3. Algorithmes opportunistes ............................................................................................. 23

vi

2.3.1 Maximum Signal-to-Noise Ratio (MaxSNR) : ........................................................ 23

2.3.2. Proportional Fair (PF) ............................................................................................. 25

2.3.3. Modied Largest Weighted Delay First (M-LWDF) .............................................. 27

2.3.4. Exponentiel Proportional Fair (EXPPF) ................................................................. 27

2.3.5. Bilan et discussion : ................................................................................................ 27

Conclusion ............................................................................................................................ 28

Chapitre3 : Analyse et Evaluation des performances ......................................................... 30

Introduction .......................................................................................................................... 30

3.1. Choix de l'outil: ............................................................................................................. 30

3.1.1. Network simulation : NS (version2 ou 3) ............................................................... 30

3.1.2. OPNET (Optimized Network Engineering Tools) ................................................. 30

3.1.3. OMNET + + ............................................................................................................ 31

3.1.4. Matlab ..................................................................................................................... 31

3.1.5. LTE-Sim ................................................................................................................. 31

3.2. Evaluation des performances. ....................................................................................... 31

3.2.1. Modle systme ...................................................................................................... 31

3.2.2. Critres de performance .......................................................................................... 34

3.2.3. Scenarios de simulation .......................................................................................... 35

Conclusion ............................................................................................................................ 47

Conclusion gnrale ............................................................................................................... 49

vii

LISTE DES FIGURES

Figure1.1 : Evolution des systmes cellulaires.

Figure 1.2 : Architecture du rseau EPS..

Figure1.3 : Architecture de lE-UTRAN..

Figure 1.4 : Coexistence et Interfonctionnement 3G 4G

Figure 1.5 : Rpartition des sous-porteuses dans lOFDMA..

Figure 1.6 : Les symboles OFDM ..

Figure 1.7 : Rpartition des ressources entre les utilisateurs en OFDMA.

Figure 1.8 : LOrganisation des Ressource Bloc dans LTE

Figure 1.9 : Principe dordonnancement des paquets.

Figure 2.1: Maximisation du dbit via lallocation MaxSNR..

Figure 2.2 : Problme diniquit due au positionnement gographique des utilisateurs..

Figure 3.1: Cellule multi utilisateur..

Figure 3.2 : Modle de mobilit alatoire.

Figure 3.3 : Gnration de flot de donns.

Figure 3.4 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre dutilisateurs.

Figure 3.5 : Evolution de dlai de bout en bout en fonction de nombre dutilisateurs

Figure 3.6 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre dutilisateurs.

Figure 3.7 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre dutilisateurs

Figure 3.8 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre dutilisateurs..

Figure 3.9 : Evolution du dbit utile en fonction de nombre dutilisateurs

Figure 3.10 : Evolution du dlai de bout en bout en fonction du nombre dutilisateurs..




Figure 3.14 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre dutilisateurs...




Figure 3.18 : Evolution du taux des paquets perdus en fonction de la vitesse.

Figure 3.19 : Evolution du dbit en fonction de la vitesse..

Figure 3.20 : Evolution du dlai de bout en bout en fonction de la vitesse..

5

8

10

12

13

14

15

15

17

24

25

32

32

33

36

37

38

38

39

40

40

41

42

42

43

44

44

45

46

47

47

viii

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1: Classification qualificative des ordonnanceurs

Tableau 3.1 : paramtres de simulation

28

34

ix

GLOSSAIRE

3GPP 3rd Generation Partnership Project

AMPS Advanced Mobile Phone System

BER Bit Error Ratio

CDMA Code Division Multiple Acces

DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial

DAB Digital Audio Broadcasting

EPS Evolved Packet System

EXPPF Exponentional Proportional Fair

FQ Fair Queuing

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile Communications

HARQ Hybrid Automatic Repeat ReQuest

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

IMT International Mobile Telecommunications

LTE Long Term Evolution

MAC Medium Access Control

MIMO Multiple-Input Multiple-Output

MMF Max-Min Fair

MLWDF Modied Largest Weighted Delay First

MCS Modulation and Coding Scheme

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PF Proportional Fair

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quaternary Phase Shift Keing

RA Random Allocation

RB Ressource Bloc

RR Round Robin

x

RNC Radio Network Controler

SNR Signal to Noise Ratio

SAE System Architecture Evolution

SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division Multiple Access

UE User Equipement

UR Unit de Ressource

VoIP Voice Over IP

WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WFQ Weighted Fair Queuing

Introduction

1

Introduction

Avec lvolution rapide des technologies rseaux et de tlcoms radios mobiles, les

chercheurs sont actuellement en train de prparer larrive dune nouvelle gnration baptise

4G. Le rseau de 4me

gnration qui est encore lobjet de travaux de recherche vise

amliorer lefficacit spectrale et augmenter la capacit du systme en terme de nombre

dabonns. Il tend offrir des dbits levs et supporter la mobilit grande vitesse. Il vise

aussi permettre et faciliter linterconnexion et linteroprabilit entre diffrentes

technologies existantes en rendant transparent lutilisateur le passage entre les

rseaux. Enfin, il vise viter linterruption des services durant le transfert intercellulaire, et

basculer lutilisation vers le tout IP.

Diffrente technologies de tlphonie mobile sont prsents pour la validation 4G, nous

citons principalement le WIMAX Mobile, DVB-S/RCS et la LTE (Long Term Evolution).

Des efforts ont notamment t dploys dans la perspective de grer au mieux la qualit de

service et galement pour diffrencier les services temps rel et best effort. Il sagit doffrir un

service ainsi quun contenu soumis des contraintes de disponibilit de ressources radio et de

charge du rseau, tout en conservant la smantique et en offrant un rendu conforme aux

attentes des utilisateurs. De nouveaux mcanismes simposent alors pour diffrencier les

services et pour fournir la qualit de service exige. Parmi ces mcanismes, on compte les

contrles dadmission, les protocoles de rservation de ressources et les politiques

dordonnancement des paquets. La difficult pour les rseaux de nouvelle gnration est de

maintenir les hauts dbits et la qualit de service sur les liens radio (montant et descendant)

qui sont peu fiables pour les transmissions. Dans ce contexte, nous nous sommes intresss

aux problmatiques de lallocation des ressources radio et son impact sur la QoS au sein dune

technologie candidate la 4G (LTE).

Pour cela, nous avons compar la performance de principaux politiques

dordonnancement de niveau 2. Nous avons pour cela configur diffrent scenario avec

diffrent algorithmes dordonnancement pour des situations de trafic varies.

Au travers de ces tudes, nous avons discut les meilleures techniques dordonnancement qui

offrent un niveau de QoS acceptable pour un trafic temps-rel dans le cadre des scnarios

envisags.

Introduction

2

Dans un premier chapitre, nous avons prsent la technologie LTE, la motivation, le besoin et

les principaux apports quoffre cette technologie considre comme la meilleure candidate

pour la 4 G. Nous allons aussi dtailler larchitecture et la technique daccs de cette

technologie.

Le deuxime chapitre est focalis sur ltude des diffrentes politiques dordonnancement

dploye dans les technologies de tlphonie mobile, plus particulirement les algorithmes

utilis par la technologie LTE.

Dans le troisime chapitre, nous avons trait plusieurs scenarios et nous avons test limpact

de chaque algorithme sur la QoS pour chaque type de trafic temps rel (VoIP et Vido) ou

best effort.

Enfin, nous dresserons une conclusion gnrale du manuscrit et proposerons des

perspectives ce travail.

Chapitre1 : Prsentation gnrale

3

Chapitre 1 : Prsentation gnrale

Introduction

De nos jours, la demande des services multimdia et l'accs linternet sans fils connaissent

un essor croissant. Le succs des rseaux de premires gnrations GSM/GPRS a montr

galement ses limitations pour faire face cette demande croissante d'change de donnes.

Offrir plus de service trs haut dbit aux usagers est un dfi permanent des acteurs de la

communication mobile. La 3G/4G a donc marqu lavnement haut dbit pour servir des

meilleures applications multimdia en mobilit.

Ainsi, les dploiements de la 3,5G (HSDPA, HSUPA) sont peine initis, que les organismes

de normalisation planchent dj sur la gnration suivante. Le 3GPP travaille sur le concept

du Long Term Evolution (LTE) afin d'offrir un systme de communication caractris par un

faible temps de latence, un dbit plus important et une meilleure qualit de service.

1.1. Evolution des systmes cellulaires :

L'essor des communications cellulaires mobiles a t spectaculaire, les 2 nouveaux marchs

du secteur des tlcommunications qui n'existaient pas encore il y a 20 ans, la Tlphonie

mobile et l'Internet, ont t instrumentaux dans la refonte et la croissance de l'industrie. Les

premiers systmes cellulaires analogiques sont ns la fin des annes 60 et au dbut des

annes 70. Les normes du cellulaire ont volu tant au niveau de la fonctionnalit qu'au

niveau de l'utilit. Deux facteurs doivent tre gards l'esprit. Premirement, les rseaux

cellulaires ont volu ce jour au titre d'un certain nombre de spcifications exclusives,

rgionales et mmes nationales. Il n'existe pas actuellement de norme mondiale unique.

Deuximement, le paysage cellulaire actuel comprend une combinaison de systmes.

La premire gnration de tlphonie cellulaire : 1G

Les systmes mobiles de premire gnration, qui font appel la transmission analogique des

communications vocales, ont t lancs au dbut des annes 80. Il s'agissait principalement

des standards suivants :

AMPS (Advanced Mobile Phone System), apparu en 1976 aux USA, constitue le premier

standard du rseau cellulaire.

TACS (Total Access Communication System) est la version europenne du modle AMPS.


4

La deuxime gnration de tlphonie cellulaire : 2G

La seconde gnration de rseaux mobiles (note 2G) a marqu une rupture avec la premire

gnration de tlphones cellulaires grce au passage de l'analogique au numrique. Les

techniques cellulaires numriques prsentent de nombreux avantages par rapport aux

techniques analogiques, le principal atout tant une capacit accrue grce une utilisation

plus efficace du spectre radiolectrique. Autre facteur positif, la transmission numrique

permet d'acheminer non seulement la voix mais aussi des donnes travers le spectre des

frquences radiolectriques, prenant en charge des applications telles que le service de mini

messagerie (SMS, Short Message Service), le courrier lectronique, etc. La tlphonie

numrique amliore galement la scurit des transmissions de la voix et des donnes.

Les principaux standards de tlphonie mobile 2G sont les suivants :

- CDMA (Code Division Multiple Access), utilisant une technique d'talement de

spectre permettant de diffuser un signal radio sur une grande gamme de frquences.

- TDMA (Time Division Multiple Access), utilisant une technique de dcoupage

temporel des canaux de communication, afin d'augmenter le volume de donnes

transmis simultanment.

- GSM (Global System for Mobile communication), a t le premier systme cellulaire

numrique commercialement exploit. Le GSM a t mis au point dans les annes 80

dans le but de promouvoir l'harmonisation rgionale des rseaux cellulaires, il a t le

systme le plus utilis en Europe la fin du 20e sicle.

La troisime gnration de tlphonie cellulaire : 3G

L'UIT (Union Internationale des Communications), dont l'un des rles est d'tablir des normes

mondiales dans le domaine des tlcommunications a commenc laborer des systmes de

troisime gnration (3G) en portant son attention sur la ncessit d'harmoniser, au plan

mondial, les normes relatives au spectre des frquences et aux interfaces radiolectriques.

L'UIT a pour objectif d'tablir une norme mondiale relative aux systmes 3G dans le cadre

d'une initiative appele IMT-2000 (International Mobile Tlcommunications for the year

2000). Les IMT-2000 prsentent trois caractristiques distinctives :

- Compatibilit mondiale, en d'autres termes une itinrance mondiale avec transfert

imperceptible, permettant aux utilisateurs de continuer lancer et recevoir des appels

avec le mme numro et le mme combin lorsqu'ils passent d'un pays l'autre.

- Dbits de transmission plus levs.


5

- Fourniture de services standard, par exemple via des rseaux fixes, mobiles ou

satellite, l'accs Internet devient plus rapide.

Laprs 3G!

La quatrime gnration de tlphonie mobile, qui permet des dbits beaucoup plus levs

qu'aujourd'hui, commence merger. Il existe deux principales technologies candidate la

validation 4G par lorganisation internationale 3GPP qui se charge de la normalisation des

systmes cellulaires des nouvelles gnrations :

IEEE 802.16e (WiMAX) volue galement vers la 4G il sagit de la norme 802.16m et la

LTE (Long Term Evolution). En thorie, ses dernires technologies doivent permettre des

dbits pouvant aller jusqu' 100 mgabits par seconde, soit pour les usagers des connexions

trois ou quatre fois plus rapides que ceux de la 3G ou 3G+.

Figure1.1 : Evolution des systmes cellulaires

1.2. Croissance de nombre dabonns mobiles :

Les abonns mobiles dans le monde dvelopp ont atteint le point de saturation avec au moins

un abonnement de tlphone portable par personne. Selon les dernires statistiques (fin

2011), le nombre d'abonnements mobiles a atteint les 6 milliards estime L'Union


6

internationale des tlcommunications (87 % de la population mondiale). Les abonnements

mobiles sont plus nombreux que les lignes fixes, en plus la pntration du mobile dans le

monde en dveloppement maintenant 79 %, lAfrique tant la rgion la plus basse dans le

monde entier 53%. Selon les estimations de lUIT(2012), il y a 1.2 milliards dabonnements

haut dbit mobile dans le monde (17 % de la population mondiale)

Les ventes de Smartphones ont montr une forte croissance dans le monde entier en 2011

491,4 millions d'units (31,8 %) de tous les combins livrs selon des statistiques faite par

Strategy Analytics et IDC (Fvrier 2012).

1.3. Evolution des services :

Grce au dbit et la qualit de service quoffre la nouvelle technologie de tlcommunication

mobile 3 G et post 3 G, les services ont connu une grande diversit et innovations continue et

elle vise tous les domaines pour rpondre aux besoins professionnels et personnels des

utilisateurs. Avec la communication de la voix qui reste toujours le service de base, la

communication mobile touche plusieurs autres services surtout avec le dveloppement

massif des applications pour les nouvelles gnrations des terminaux mobiles (smartphones et

pc tablette) qui permettent de bnficier dune diversit de services intressant pour les

utilisateurs et dune manire simple et efficace.

Le WEB Mobile : en janvier 2012, 8.49 % des sites web visits sont consult depuis

des terminaux mobiles (selon StatCounter).

Les services Multimdia : TV, Vido streaming,

Marketing et publicit : Courrier et messages SMS.

La sant : des applications mobiles permettent de suivre et contrler les soins

domicile et distance. (Electronic Health Record (EHR), Electronic Medical Record

(EMR)).

Tlmatique : Go localisation : les outils associs peuvent tre personnaliss aux

utilisateurs et permettent de bnficier de plusieurs service surtout pour le secteur de

transport (exemple : Fleet Management Gestion du parc routier avec GPS

embarqu.)

La Vido surveillance et la supervision : gestion du trafic, protection des biens et

contrle total sans fil instantan a distance. (exemple la ville de London)


7

Larchivage : la gestion des archives et la scurisation de donnes multimdia

personnelles comme le principe diCloud, ...etc.

Avec cette croissance de nombre dutilisateurs et le besoin de trs haut dbit avec une

qualit de service meilleure, la technologie ne cesse pas dvoluer et plusieurs oprateurs ont

migr vers la gnration 4G de rseaux mobile plus prcisment la technologie LTE qui

rpond leurs objectifs.

1.4. LTE (Long Term Evolution) :

La LTE (Long Term Evolution of 3G) est un projet men par l'organisme de standardisation

3GPP visant rdiger les normes techniques de la future quatrime gnration en tlphonie

mobile. Elle permet le transfert de donnes trs haut dbit, avec une porte plus importante,

un nombre dappels par cellule suprieur (zone dans laquelle un metteur de tlphonie

mobile peut entrer en relation avec des terminaux) et une latence plus faible.

En thorie, elle permet datteindre des dbits de lordre de 50 Mbit/s en lien ascendant et de

100 Mbit/s en lien descendant, partager entre les utilisateurs mobiles d'une mme cellule [5].

Pour les oprateurs, la LTE implique de modifier le cur du rseau et les metteurs radio. Il

faut galement dvelopper des terminaux mobiles adapts. En termes de vocabulaire, le futur

rseau sappelle EPS (Evolved Packet System). Il est constitu dun nouveau rseau daccs

appel LTE (Long Term Evolution) et dun nouveau rseau cur appel SAE (System

Architecture Evolution).


8

1.5. Rseau EPS (Evolved Packet System)

Figure 1.2 : Architecture du rseau EPS

LEPS (Evolved Packet System) reprsente lensemble du rseau savoir LTE et SAE. Il

possde une architecture plate et simplifie compare celle hirarchique 2G/3G puisque la

fonction de contrleur dantenne disparat. La seule entit prsente dans laccs est leNodeB

qui peut tre assimil un NodeB+RNC (pour la 3G).

Il sagit dune architecture uniquement paquet compare larchitecture 2G/3G qui prsente

les deux modes circuit et paquet. Larchitecture EPS permet une connectivit permanente

tout-IP compare des contextes temporaires ou permanents en 2G/3G dans le domaine

paquet. Son interface radio est totalement partage entre tous les usagers en mode actif

compare des ressources ddies et partages dans larchitecture 2G/3G. Les appels voix et

visiophonie requirent des ressources ddies en 3G.

Il permet des Handover vers les rseaux 2G/3G et CDMA/CDMA2000 afin dassurer des

communications sans coupure en environnement htrogne.

Les grandes fonctions assures par lEPS sont les:

Contrle daccs rseau : Elles permettent dauthentifier lusager lorsque ce dernier

sattache au rseau et demande des ressources pour tablir ses communications. Elles


9

permettent aussi de raliser la taxation de lusager en fonction de lusage des ressources et en

fonction des flux de service mis et reus. Elles permettent enfin de scuriser les flux de

signalisation et les flux mdia des usagers en les encryptant entre lUE et leNodeB.

La gestion de la mobilit : Elles permettent lUE de sattacher, de se dtacher et de

mettre jour sa localisation.

La gestion de session : Elles permettent dtablir des ressources par dfaut et des

ressources ddies afin que lUE dispose de connectivits IP pour ses communications.

Le routage et le transfert des paquets: elle assure lchange des paquets entre lUE et le

PDN GW dans les deux sens.

La gestion des ressources radio : Elle permet ltablissement et la libration de RAB

(Radio Access Bearer) entre lUE et le Serving GW chaque fois que lUE souhaite devenir

actif pour communiquer.

1.6. Accs LTE

1.6.1. Architecture

LeNodeB est responsable de la transmission et de la rception radio avec lUE.

Larchitecture E-UTRAN ne prsente que des eNodeB. Les fonctions supportes par le RNC

(architecture 3G) ont t rparties entre leNodeB et les entits du rseau cur MME/Serving

GW. LeNodeB dispose dune interface S1 avec le rseau cur. Linterface S1 consiste en

S1-C (S1-Contrle) entre leNodeB et le MME et S1-U (S1-Usager) entre leNodeB et le

Serving GW.

Une nouvelle interface X2 a t dfinie entre deux eNodeB adjacents. Son rle est de

minimiser la perte de paquets lors de la mobilit de lusager en mode ACTIF (Handover).

Lorsque lusager se dplace en mode ACTIF dun eNodeB un autre eNodeB, de nouvelles

ressources sont alloues sur le nouvel eNodeB pour lUE ; or le rseau continu transfrer les

paquets entrants vers lancien eNodeB tant que le nouvel eNodeB na pas inform le rseau

quil sagit de lui relayer les paquets entrants pour cet UE. Pendant ce temps lancien eNodeB

relaie les paquets entrants sur linterface X2 au nouvel eNodeB qui les remet lUE


10

Figure1.3 : Architecture de lE-UTRAN

1.6.2. Caractristiques

Dbit sur linterface radio :

L interface radio E-UTRAN doit pouvoir supporter un dbit maximum descendant instantan

(du rseau au terminal) de 100 Mbit/s en considrant une allocation de bande de frquence de

20 MHz pour le sens descendant et un dbit maximum montant instantan (du terminal au

rseau) de 50 Mbit/s en considrant aussi une allocation de bande de frquence de 20 MHz.

Les technologies utilises sont OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

pour le sens descendant (efficacit du spectre de 5 bit/s/Hz) et SC-FDMA (Single Carrier -

Frequency Division Multiple Access) pour le sens montant (efficacit du spectre de 2.5

bit/s/Hz. [5]

Utilisation flexible du spectre de frquence :

Avec la 3G il est ncessaire dallouer une bande de frquence de 5 MHz. Avec la LTE, il est

possible doprer avec une bande de taille diffrente avec les possibilits suivantes : 1.25, 2.5,

5, 10, 15 et 20MHz, pour les sens descendant et montant. Lintention est de permettre un

dploiement flexible en fonction des besoins des oprateurs et des services quils souhaitent

proposer.

Connexion permanente :

Le principe des accs haut dbit o la connectivit est permanente pour laccs Internet.

Mme si la connexion est permanente au niveau du rseau, il est ncessaire pour le terminal

de passer de ltat IDLE ltat ACTIF lorsquil sagira denvoyer ou recevoir du trafic. Ce


11

changement dtat sopre en moins de 100 ms. Le rseau pourra recevoir le trafic de tout

terminal rattach puisque ce dernier dispose dune adresse IP, mettre en mmoire ce trafic,

raliser lopration de paging afin de localiser le terminal et lui demander de rserver des

ressources afin de pouvoir lui relayer son trafic.

Dlai pour la transmission de donnes :

Moins de 5 ms entre lUE et lAccess Gateway, ceci dans une situation de non-charge o un

seul terminal est ACTIF sur linterface radio. La valeur moyenne du dlai devrait avoisiner les

25 ms en situation de charge moyenne de linterface radio. Ceci permet de supporter les

services temps rel IP nativement, comme la voix sur IP et le streaming sur IP.

Mobilit :

Assur des vitesses comprises entre 120 et 350 km/h. Le Handover pourra seffectuer (la

LTE ne permet que le hard Handover et non pas le soft Handover) dans des conditions o

lusager se dplace grande vitesse.

Couverture :

La couverture de la cellule est importante dans les zones urbaines et rurales : Comme la LTE

pourra oprer sur des bandes de frquences diverses et notamment basses comme celle des

700 MHz (dailleurs choisie par les oprateurs AT&T et Verizon Wireless), il sera possible de

considrer des cellules qui pourront couvrir un large diamtre).

Co-existence et Interfonctionnement avec la 3G :

Le Handover entre E-UTRAN (LTE) et UTRAN (3G) doit tre ralis en moins de 300 ms

pour les services temps-rel et 500 ms pour les services non temps-rel. Il est clair quau

dbut du dploiement de la LTE peu de zones seront couvertes. Il sagira pour loprateur de

sassurer que le Handover entre LTE et la 2G/3G est toujours possible. Le Handover pourra

aussi seffectuer entre LTE et les rseaux CDMA-2000. Les oprateurs CDMA volueront

aussi vers la LTE qui devient le vrai standard de communication mobile de 4me

gnration.


12

Figure 1.4 : Coexistence et Interfonctionnement 3G 4G

1.6.3. Mthode daccs

Laccs multiple pour la technologie LTE est diffrent de celui de WCDMA, en effet en lien

descendant, il est bas sur OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Acces) et dans

le sens montant, il est bas sur le SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple

Acces).

1.7. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Acces)

L'OFDMA est une candidate prometteuse pour les rseaux d'accs large bande post

3G : IEEE 802.16 ou WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), LTE

(Long Term Evolution)... Cette technique supporte un grand nombre d'utilisateurs aux

caractristiques variables (QoS, dbits).

1.7.1. Services exigeants et canal radio contraignant :

Les rseaux sans fils doivent s'adapter pour supporter des dbits toujours plus levs. Or

le canal de transmission radio, constitu de trajets multiples, est trs contraignant. Un dbit

lev en modulation mono-porteuse provoque une dure symbole faible. L'talement en


13

temps du canal provoque des problmes d'interfrences entre symboles. De plus, lorsque le

canal est slectif en frquence, le signal subit des attnuations qui varient avec la

frquence. Pour contourner ces difficults, les modulations multi-porteuses ont t introduites.

Il s'agit de techniques de multiplexage en frquence qui modulent le signal sur un grand

nombre de porteuses la fois. Ces techniques sont intressantes pour des transmissions haut

dbit sur un canal multi-trajet et slectif en frquence. Sur chaque sous porteuse, la

transmission est ainsi bas dbit. L'espace inter-frquence est infrieure la bande de

cohrence du canal.

1.7.2. Principe de lOFDMA :

L'OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est une modulation multi

porteuse trs utilise, on peut citer les standards DAB (Digital Audio

Broadcasting), DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial) et les versions a puis la

version g dIEEE 802.11. L'OFDM autorise un fort recouvrement spectral entre sous

porteuses.

Le canal large bande est transform en un ensemble de N canaux bande troite avec une

orthogonalit entre canaux. Les donnes sont transmises en flux parallle.

Figure 1.5 : Rpartition des sous-porteuses dans lOFDMA

Pour une sous porteuse fixe, plus le nombre d'utilisateurs est lev, plus il y a de chances

de trouver un utilisateur qui ralise un gain lev. C'est la diversit multiutilisateur

qui permet d'utiliser efficacement toutes les frquences de la bande.


14

Ladaptation de lien (ou modulation adaptative) est utilis: on adapte le MCS

(Modulation and Coding Scheme) en fonction du gain du canal. Un algorithme est charg de

dterminer modulation adquate pour minimiser la puissance transmise sur une sous

porteuse.

Chaque sous-porteuse est module laide de niveaux variables de modulation QAM.

Chaque symbole OFDMA est une combinaison linaire des signaux instantans sur chacune

des sous porteuse dans le canal.

Le dbit utile est lev sur les bons canaux et le codage correcteur d'erreurs est

robuste sur les mauvais canaux. Ce mode ncessite la connaissance de l'tat du canal.

1.7.3. OFDMA dans le Systme LTE

Cette technique daccs multiple est utilise dans le sens descendant.

Le signal OFDM utilis en LTE comporte un maximum de 2048 sous porteuse prsentant un

espacement de 15 KHZ. Au sein du signal OFDM, il est possible de choisir entre trois types

de modulation QPSK (2bits/symbole), 16QAM (4bits/symbole ou 64QAM (6bits/symbole).

Figure 1.6 : Les symboles OFDM

Un prfixe cyclique est utilis comme intervalle de garde pour liminer linterfrence inter-

symboles. La largeur de spectre tant de 1.4 20 MHZ.


15

En OFDMA, les utilisateurs se voient attribuer un nombre prcis de sous poreuses pour un

intervalle de temps prdtermin appel PRBs (Physical Resource Bloc) dont leurs rpartition

est grer par une fonction de planification dans la station de base eNodeB.

Figure 1.7 : Rpartition des ressources entre les utilisateurs en OFDMA

Figure 1.8 : LOrganisation des Ressource Bloc dans LTE

1.7.4. Ordonnancement en OFDMA

En OFDMA, l'ordonnancement de niveau MAC (Medium Access Control) est

indissociable de la couche physique. Ces problmatiques sont souvent nonces sous

l'expression cross layer . Dsormais, en plus de l'tat du trafic (considr dans

les techniques classiques), la slection des utilisateurs doit tenir compte des conditions

radio pour garantir un bon throughput (bonne utilisation des ressources). Les dcisions

doivent cependant tenir compte de l'quit. Un utilisateur pourrait tre longtemps priv de

transmissions si l'on ne considrait que les conditions radio. De nouveaux


16

mcanismes sont prsents dans le deuxime chapitre pour assurer lefficacit et lquit

de faon conjointe.

1.8. Advanced LTE :

Ce nouveau standard est une volution du LTE retenu par la plupart des oprateurs pour la

4G. Il permettrait d'atteindre un dbit descendant maximal de 1 Gb/s en situation fixe, et de

100 Mb/s en mobilit.

Cette nouvelle norme sera capable de mieux distribuer la charge sur le rseau, et pourra

supporter plus d'utilisateurs sur une mme cellule

La LTE-Advanced utilisera :

Principe de transmission multi-antennes MIMO.

Agrgation du spectre

Etalement de la bande 40 -100 MHZ

1.9. Importance de lordonnancement

L'ordonnancement est l'un des plus importants mcanismes de gestion de ressources dans les

rseaux LTE, il permet de dterminer quel utilisateur il convient de transmettre dans un

intervalle de temps donn. C'est un lment dterminant dans la conception puisqu'il rpartit

l'allocation du canal entre les utilisateurs et ainsi, d'une manire gnrale, dtermine le

comportement global du systme. Un dbit optimal du systme peut tre obtenu en affectant

toutes les ressources radio l'utilisateur avec les meilleures conditions radio du canal,

nanmoins un Ordonnanceur, en pratique, devrait avoir plusieurs niveaux d'quit. Ainsi, en

choisissant diffrents algorithmes d'ordonnancement, les oprateurs peuvent adapter sur

mesure le comportement du systme leurs besoins. Alors, il n'est pas ncessaire de

standardiser les algorithmes utiliss, au lieu de cela, les Oprateurs peuvent choisir diffrents

critres. La prdiction de la qualit du canal, la capacit de la cellule, ainsi que des classes

diffrentes de priorits de trafic sont des exemples d'informations sur lesquels l'Ordonnanceur

pourrait baser ses dcisions.


17

Figure 1.9 : Principe dordonnancement des paquets

Conclusion

En conclusion, nous avons prsent les motivations pour le dploiement de la technologie

LTE ainsi que les grandes fonctionnalits technique caractrisant cette norme considrant

comme la principale technologie des systmes post 3G. En effet la bonne exploitation des

ressources radio augmente considrablement la capacit du rseau et lui permet doffrir des

dbits norme pouvant atteindre en thorie le 1 Gbit/s. la gestion des ressources radio dpend

de plusieurs mcanisme dont la politique dordonnancement des paquets est la plus

importante. On prsente dans le chapitre suivant un tat dart sur les techniques

dordonnancement dans les rseaux radio-mobiles notamment le systme LTE.

Chapitre2 : Les algorithmes dordonnancement

18

Chapitre 2 : Les algorithmes dordonnancement

Introduction

La gestion dynamique des ressources radio permet une exploitation optimale des possibilits

de transmission offerte par lOFDM. La bande de frquence est divise en plusieurs sous

porteuses, chaque intervalle de temps sur une sous-porteuse constitue une unit de ressource

(UR). Le dbit ainsi obtenu sur une UR dpend de plusieurs paramtres (puissance de

transmission, le rapport signal/bruit SNR, le taux derreur binaire BER). Les techniques

daccs multiple (de niveau MAC) ont pour objectif doptimiser lutilisation des ressources

disponible sur linterface radio. Lallocation des units de ressources aux utilisateurs doit

permettre un dbit le plus lev possible avec une certaine quit entre les utilisateurs. Cela ne

peut tre garanti quavec une attribution efficace des units de ressources une chelle de

temps de lordre de la trame radio (quelques ms). Lordonnanceur (ou scheduler en anglais),

lorgane central dans la station de base, alloue la ressource radio aux mobiles en tenant

compte de paramtres tels que :

les conditions de propagation radio spcifiques chaque unit de ressource.

les volumes de donnes transfrer/recevoir.

les contraintes de qualit de service respecter (taux derreur binaire BER, dlai,

gigue,etc.).

Lobjectif des ordonnanceurs est en priorit de russir acheminer un maximum

dinformations vers les destinations. Pour atteindre cet objectif, il leur faut optimiser

lefficacit spectrale afin de maximiser le dbit global. Ensuite, ils doivent assurer lquit et

la diffrentiation de service entre les diffrents mobiles afin de garantir la meilleure QoS

possible.

Dans ce chapitre, nous prsentons une liste non exhaustive des algorithmes existants.

Cependant, la plupart dentre eux sont drivs dune poigne dalgorithmes souches Ils

sont repartis en trois grandes catgories : les algorithmes classiques, les algorithmes plus

complexes qui garantissent la notion dquit, et les algorithmes opportunistes qui prsente

beaucoup damlioration par rapport aux deux autres catgories.


19

2.1. Algorithmes classiques

Plusieurs algorithmes dallocation de ressource utiliss dans les rseaux filaire sont adopts en

environnement sans fil. Notamment, lallocation alatoire et lalgorithme Round Robin sont

les deux les plus connus, leur implmentation est trs facile et ils servent rgulirement de

rfrence en comparaison avec les ordonnanceurs modernes.

2.1.1. Round Robin (RR)

Lalgorithme dordonnancement le plus connu dans les rseaux sans fil est certainement le

Round Robin (RR). Lallocation de ressource se fait entre les utilisateurs tour de rle, lun

aprs lautre, une mme quantit dunits de ressource est attribu tous les utilisateurs.

Chacun deux est ainsi sr daccder rgulirement au medium, ce qui garantit un certain

niveau dquit. Cependant lquit entre utilisateurs peut tre juge de deux faons

distinctes, en terme de nombre dunits de ressource distribues, par contre cette stratgie

dordonnancement ne garantie pas une quit en terme de dbit procur chaque utilisateur

et cela pour deux raisons :

Laffaiblissement de propagation : dpend essentiellement de la distance entre

lutilisateur et la station de base. Assurer une distribution homogne des units de

ressource entre utilisateurs ne revient donc pas leur assurer un mme dbit. On peut

noter que cet cart de dbits obtenus par chaque utilisateur sera dautant plus grand

quil se trouve des distances fortement diffrentes du point daccs.

Les contraintes de qualit de service : mme dans un contexte idal ou tous les

utilisateurs se trouveraient une mme distance du point daccs, ils nobtiendraient

pas tous le mme dbit car ils nauraient pas forcement les mmes contraintes de

qualit de service. Ils peuvent par exemple avoir diffrents BER cibles. Moins les

contraintes de taux derreur par bit seront strictes, plus lutilisateur pourra

transmettre/recevoir un ordre de modulation lev pour une mme puissance de

transmission. Ainsi, pour un mobile donn qui a de faibles contraintes de QoS, le dbit

moyen possible par unit de ressource sera suprieur celui dun autre mobile aux

contraintes plus strictes.


20

De mme, nous pouvons imaginer par exemple un utilisateur capable de transmettre avec une

plus grande puissance quun autre. Dans ce cas, il pourra transmettre, sur une mme unit de

ressource et des conditions de transmission quivalentes, un dbit plus lev.

Assurer une vraie quit entres tous les utilisateurs est donc extrmement faible voir nulle

avec lutilisation de Round Robin. En effet, il ny a aucune prise en compte des besoins des

utilisateurs en termes de dbit envisag ni en terme de dlais dchange de paquets exig. Les

utilisateurs se voient donc attribuer un dbit qui est sans relation avec leurs besoins. Avec le

Round Robin, les mobiles qui utilisent des applications de type best effort peuvent

bnficier dun dbit et dune qualit de service exceptionnelle par rapport leurs besoin au

dtriment dautres utilisateurs ayant des applications ncessitant un dbit lev et un niveau

de qualit de service similaire aux applications temps rel. Cet tat de fait sera dautant plus

accentu que les utilisateurs fortes contraintes de qualit de service se situent loin du point

daccs.

En conclusion, le Round Robin alloue les units de ressource sans prendre en considration la

position, la capacit et les besoins de chaque utilisateur. Lallocation est aveuglement faite ce

qui ne permet pas dassurer une quelconque qualit de service.

2.1.2. Allocation alatoire

Une autre technique dallocation de ressources extrmement rpandue est lAllocation

alatoire : Random Access (RA). Cette technique dordonnancement est particulirement

simple mettre en uvre et donc largement implmente. Il sagit tout simplement dallouer

la ressource radio de faon alatoire entre les utilisateurs. Tous les utilisateurs ayant

statistiquement la mme chance daccder au medium, ils recevront sur le moyen et long

terme un mme nombre dunits de ressource quels que soient leurs besoins. Allouer ainsi la

ressource conduit donc sur le moyen et long terme la distribuer dune manire homogne et

revient procurer les mmes performances rseau que le Round Robin.

2.1.3. Bilan et discussion

Les mthodes conventionnelles telles que le Round Robin ou lallocation alatoire sont par

leur simplicit de mise en uvre des standards de lordonnancement. Cependant, bien quen

apparence quitables, leurs incapacits prendre en compte les particularits des flux des

utilisateurs conduit invitablement une incapacit diffrencier les services. Par consquent,

satisfaire dune manire quitable les utilisateurs et assurer une qualit de service est

impossible. De plus, ces ordonnanceurs sont conus lorigine pour les rseaux filaires et ne


21

sont donc pas bien adapts aux environnements sans fil :ils allouent rarement les URs aux

mobiles qui pourraient en tirer le meilleur profit et procurent donc de trs faibles dbits. Vu

lessor fulgurant des nouvelles technologies et le nombre toujours plus grand dutilisateurs,

apprendre mieux utiliser la ressource radio apparait aujourdhui comme un objectif crucial.

Cela rend les algorithmes classiques obsoltes.

2.2. Algorithmes quitables

Plusieurs travaux ont t effectus dans le but de concevoir des algorithmes

dordonnancement qui apportent des amliorations et tentant de corriger les dfauts des

prcdents ordonnanceurs. Plus complexes, ils permettent une meilleure efficacit en

procurant une meilleure quit et diffrentiation de service.

2.2.1. Fair Queuing (FQ) :

Le principe de fonctionnement de lalgorithme Fair Queuing consiste en une distribution

gale du dbit entre tous les utilisateurs, en effet pour K utilisateurs et pour un lien qui

supporte un dbit D, chaque utilisateur est servi avec un dbit D/K. Le Fair Queuing assure

une meilleure quit que lallocation alatoire et le Round Robin. Cependant, il prsente les

mmes inconvnients que les algorithmes classiques vu que les besoins des utilisateurs sont

toujours ngligs, les utilisateurs qui ont besoin dun haut dbit restent toujours pnaliss face

aux autres. La qualit de service reste inexistante.

2.2.2. Max-Min Fair (MMF)

La stratgie dallocation de ressources dans le Max-Min Fair permet une augmentation

progressive du dbit global ( long terme) offert chaque utilisateur. Lattribution des

ressources est faite dune manire itrative. Lutilisateur sera servi la quantit de dbit quil

demande, lexcution de lalgorithme se poursuit dune manire cyclique jusqu satisfaire

tous les utilisateurs et que les ressources sont puiss.

Cette approche est semblable la stratgie du Fair Queuing et prsente les mmes

spcificits. En effet, ici, les mobiles obtiennent des dbits gaux (mis part ceux qui sont

satisfaits rapidement et qui se contentent de moins). Les consommateurs faibles besoins sont

largement satisfaits car leur dbit souhait est pratiquement toujours fourni. En revanche, les

autres qui demandent plus se partagent, certes quitablement, les ressources restantes mais

elles sont souvent insuffisantes leur satisfaction (notons que dans le cas ou tous les

utilisateurs auraient les mmes besoins, lordonnancement Round Robin quivaudrait au Max-

Min Fair).


22

Une partie de la communaut scientifique considre quune qualit de service telle quobtenue

avec le Max-Min Fair est satisfaisante. Cependant, nous pensons que cette vision, pertinente

au dbut de linternet, est aujourdhui obsolte. Il nest en effet pas envisageable a lheure

actuelle, ou les applications multimdia sont de plus en plus rentables et plbiscites par le

public et les oprateurs, de continuer satisfaire en priorit les utilisateurs qui demandent peu,

tirant au final la QoS vers le bas. Dune part, nous pensons que ce nest pas quitable et

dautre part, nous verrons que cela ne fournit pas une utilisation efficace de la bande passante.

En effet, naccorder un utilisateur quune partie du dbit quil demande conduit

gnralement une impossibilit pour lui daccder correctement au service demande. Cela

amne sinterroger sur lintrt rel de lui attribuer des URs inutilement puisquelles seront

au final gches et ne dboucheront sur aucun service rel. Enfin, il convient dajouter que le

Max-Min Fair nest pas opportuniste et quil offre donc par nature de faibles dbits. Compte

tenu de ce qui prcde, nous ne retiendrons pas dans cet ordonnanceur comme lun des plus

efficaces malgr la rputation dont il jouit gnralement.

2.2.3. Le Weighted Fair Queuing (WFQ)

Le Weighted Fair Queuing (WFQ) est une amlioration de lalgorithme Fair Queuing (FQ).

Cet algorithme tient en compte une diffrentiation entre les services en donnant la priorit aux

utilisateurs qui ont besoin dun dbit plus lev. Lalgorithme utilise un systme de marquage

(poids) qui permet de privilgier certains flux en leur accordant davantage de bande passante.

Ce principe permet de contrler la qualit de service. Ainsi, le WFQ peut garantir diffrents

dbits entre les utilisateurs et assurer une potentielle quit en termes de satisfaction des

contraintes de qualit de service.

2.2.4. Bilan et discussion

Le Fair Queuing et le Max-Min Fair garantissent une quit entre les utilisateurs en terme de

dbit par rapport aux autres ordonnanceurs classiques. Le Weighted Fair Queing, quant lui,

permet de diffrentier les flux et donc, en les priorisant de manire adquate datteindre une

satisfaction globale plus leve. Cependant ils prsentent dventuels dfauts non ngligeable

est quils ne tiennent toujours pas compte des ltat du canal qui sparent la station de base

des utilisateurs. Les attnuations prsente dans le support radio induit une mauvaise

exploitation des ressources disponibles.de ce fait la bande passante est trs mal exploit ce

qui introduit une perte significative de dbit pour le systme, critre de performance pourtant

essentiel dans les rseaux daccs.


23

2.3. Algorithmes opportunistes

Les algorithmes prcdents ne tirent pas le meilleur parti de la bande passante et offrent un

dbit global du systme trs loign des limites thoriques. De nombreux travaux ont donc

cherche corriger ce problme crucial pour les rseaux actuels et futurs. Ces derniers ont

abouti la conclusion quune approche inter-couches MAC/PHY est une solution

particulirement adapte pour raliser un usage optimal des ressources radio. Btis sur cette

approche inter-couches, de nouveaux ordonnanceurs particulirement efficaces sont ainsi

apparus : les ordonnanceurs opportunistes.

Principalement, deux classes dalgorithmes ont merges : le Maximum Signal-to-Noise Ratio

(MaxSNR) et le Proportional Fair (PF). Tirant profit de la diversit frquentielle et

multiutilisateurs pour allouer prioritairement les ressources aux mobiles qui ont les conditions

de transmission/rception les plus favorables (le meilleur rapport signal/bruit), ils maximisent

les dbits des rseaux OFDM.

2.3.1 Maximum Signal-to-Noise Ratio (MaxSNR) :

De nombreux ordonnanceurs trs performants sont drivs du MaxSNR (galement connu

sous le nom de Maximum Carrier to Interfrence ratio (MaxC/I)). Avec le MaxSNR, la

priorit est donne lutilisateur actif qui a le plus grand rapport signal sur bruit (signal-to-

noise ratio (SNR)).

Si lon dsigne par m (k,n) le nombre maximum de bits qui peut tre transmis durant un

intervalle de temps sur la sous-porteuse n si on lalloue au mobile k, lallocation MaxSNR

consiste allouer lunit de ressource intervalle de temps pour la sous-porteuse n

lutilisateur j qui a le plus grand m (k,n) avec : j = argmax (m (k,n)) , k = 1,..., K, o`u K

dsigne le nombre total dutilisateurs actifs.

Lallocation fournie par lalgorithme MaxSNR est illustre par la gure ci dessous.


24

Figure 2.1: Maximisation du dbit via lallocation MaxSNR

Sur la figure 2.1 sont reprsentes, pour une UR donne, les variations dans le temps des

dbits possibles (m (k,n)) pour trois utilisateurs diffrents. La zone rouge de la gure

reprsente le dbit obtenu dans le pire cas. La zone bleue, additionne la zone rouge

reprsent quant elle le dbit obtenu avec une allocation MaxSNR. Profitant de la diversit

multiutilisateurs et frquentielle, lordonnancement MaxSNR alloue constamment la ressource

radio lutilisateur qui a la meilleure efficacit spectrale et par consquent qui permettra

dobtenir le meilleur dbit sur chaque UR. En adaptant dynamiquement la modulation, il

permet ainsi de faire un usage extrmement efficace de la ressource radio et de se rapprocher

de la limite de capacit de Shannon ce qui lui permet daccrotre trs fortement le dbit du

systme. Cependant, un effet ngatif de cette allocation est que les utilisateurs proches du

point daccs ont toujours une priorit disproportionne sur les utilisateurs plus loigns.

Bnficient dune attnuation de propagation plus faible et donc dun SNR plus grand, les

mobiles proches seront souvent, voire toujours, slectionns avant les mobiles loigns qui ne


25

se verront alors allouer que les rsidus. Le prix de la maximisation du dbit via le MaxSNR est

donc une accentuation de linquit du systme. La figure ci-dessous illustre ce phnomne :

Figure 2.2 : Problme diniquit due au positionnement gographique des utilisateurs.

Dans la zone verte les mobiles accdent la ressource radio en priorit et voient leurs besoins

combles, dans la zone rouge en revanche les mobiles sont pnaliss et ne se voient

attribuer que la bande passante rsiduelle une fois les mobiles de la zone prioritaire servis.

Lorsque le rseau est congestionne, il est dailleurs frquent que les mobiles loigns

naccdent plus du tout la ressource radio. Cette exemple simple met en exergue quavec le

MaxSNR il est impossible de garantir une qualit de service mme minime puisque cette

dernire va exclusivement ou presque dpendre de la position relative des mobiles. De plus, le

MaxSNR prsente un autre inconvnient : il ne tient pas compte des besoins des utilisateurs

lors de lattribution des priorits. Etant incapable dassurer une quelconque diffrentiation de

service, lintrt de son utilisation dans les contextes multimdia reste donc limit. Pour ces

raisons, le MaxSNR est actuellement considr comme lordonnanceur le plus efficace du

point de vue de la maximisation du dbit mais galement le moins quitable.

2.3.2. Proportional Fair (PF)

Lordonnancement Proportional Fair a rcemment t propos et permet dincorporer un

certain degr dquit tout en gardant les bnfices du MaxSNR en terme de maximisation du

dbit. Reconnu par la communaut scientifique pour sa simplicit et ses trs bonnes

performances, de trs nombreux travaux de recherche portent sur cet ordonnanceur, que ce

soit dans le dveloppement de nouveaux algorithmes bass sur le PF ou dans ltude de leurs

caractristiques et de leurs performances. Le principe du Proportional Fair est dallouer un


26

intervalle de temps de la sous-porteuse lutilisateur qui a les conditions de transmission les

plus favorables par rapport sa moyenne avec :

wi,j= ri,jRi [12]

ri,j est le dbit instantan pour le ime

flot de donn dans le jme

canal. Et Ri est le dbit moyen

du mme utilisateur.

Grce a cette stratgie dallocation, les mobiles ne sont slectionns que lorsquils

bnficient de conditions radio exceptionnellement bonnes et quils sont par consquent les

plus aptes tirer le meilleur profit des URs en terme de dbit. Ceci permet datteindre une trs

haute efficacit spectrale. De plus, courte chelle de temps, la variation de ltat des liens

due laffaiblissement de propagation est ngligeable puisque chaque utilisateur peut tre

considr comme statique. Lattnuation du signal et la variation des dbits sont donc

principalement causes par les perturbations multi-trajets. Comme ces dernires sont

statistiquement similaires pour tous les utilisateurs, le Proportional Fair alloue au final une

part gale de bande passante tous les mobiles comme le ferait le Round Robin, avec cette

fois-ci, un dbit bien plus lev. Ainsi, une mme quantit dunits de ressource est alloue

tous les utilisateurs quelles que soient leurs positions. Cependant, un inconvnient majeur

demeure, tant donn que les utilisateurs loignes du point daccs ont en moyenne une plus

faible efficacit spectrale que les utilisateurs plus proches, tous les mobiles ne bnficient pas

du mme dbit. Lquit nest donc pas atteinte. De plus, le Proportional Fair ne prend pas en

compte les contraintes de retard maximum ne pas dpasser pour les applications, les dbits

souhaits, etc. Ne grant pas la diffrentiation de service, il est impossible de traiter les

mobiles ayant des trafics htrognes, comportant des dbits variables et des contraintes de

qualit de services spcifiques. Le PF nest donc pas bien adapte la gestion des services

multimdia.

En conclusion, malgr ces limites, le PF apporte une relle amlioration en terme dquit en

rduisant lampleur du problme par rapport au MaxSNR. Grace lutilisation de lapproche

opportuniste, le haut dbit obtenu dans le systme est comparable au MaxSNR et lquit

quivalente celle procure par le RR. Combinant les avantages des algorithmes classiques et

du MaxSNR, le Proportional Fair apparait donc comme la meilleure stratgie dallocation de

ressource actuelle pour les rseaux sans fil.


27

2.3.3. Modied Largest Weighted Delay First (M-LWDF)

Il supporte plusieurs utilisateurs avec diffrent type de services, pour le trafic temps rel il

considre un dlai de rfrence (i). La probabilit que le dlai de transmission DHOLi du

premier paquet dans la file dpasse le dlai de rfrence i fix est not i

Wi,j = i DHOLi [ri,jRi] [12]

Avec i = -log(i) / i

Pour le trafic non temps rel la priorit est calcul de la mme faon que pour le Proportional

Fair. Cet algorithme favorise le trafic temps rel pour satisfaire un minium de qualit de

service en garantissant une certaine quit entres les utilisateurs.

2.3.4. Exponentiel Proportional Fair (EXPPF)

Cet algorithme affecte une priorit suprieure au trafic temps rel en gardant un minimum de

garantie pour lautre type de trafic.

Pour le trafic RT la priorit est dtermine de la faon suivante :

Avec,

, = ,

1 + ,

[12]

= 1

,

=1

2.3.5. Bilan et discussion :

Les algorithmes classique conus pour les rseaux filaires ne prennent pas en compte les

septicits des transmissions sans fil, par contre pour les algorithmes volus qui prennent en

considration ltat de canal de transmission sans fil sont beaucoup plus efficaces parce quils

permettent de bien adapter les besoins aux conditions de propagation. Lutilisation de la

modulation adaptative est possible. La maximisation de dbit est ainsi obtenue.

Plus le nombre de mobiles est important, plus la distribution de ressources radio est adquate

et donc une meilleur exploitation de la bande, par contre, sans cette diversit multiutilisateurs,

les ordonnanceurs opportunistes sont privs de choix et offre le mme dbit que tout autre


28

ordonnanceur classique. Ce dernier point explique pourquoi les ordonnanceurs opportunistes

sont toujours utilises dans un contexte multiutilisateurs.

Conclusion

La comparaison entre les diffrents algorithmes dordonnancement nest pas vidente, du fait

que plusieurs critres interviennent dans lvaluation des performances des ces algorithmes.

Notamment le dbit offert, la qualit de service (diffrentiation de service), lquit quil offre

entre les diffrents utilisateurs et enfin la simplicit de son implmentation. Le tableau ci-

dessous tente de rsumer le niveau de performance des ordonnanceurs prsents dans ce

chapitre. Les critres de performance sont reprsents dans le tableau comme suit :

Dbit, Equit, Simplicit: on suppose trois niveau de performance : 0 reprsent le plus

faible niveau et 2 reprsente lobjectif maximum atteignable vers lequel il est souhaitable de

tendre.

Diffrentiation de service : est selon son existence OUI/NON.

.

Ordonnanceur RR RA FQ Max-Min FAIR WFQ MaxSNR PF M-LWDF EXPPF

Dbit 0 0 0 0 0 2 2 2 2

Equit 1 1 2 2 2 0 1 1 1

Diffrentiation de service NON NON NON NON OUI NON NON OUI OUI

simplicit 2 2 2 1 1 1 1 1 1

Tableau 2.1: Classification qualificative des ordonnanceurs.

En analysant ce tableau, nous pouvons classer les ordonnanceurs en trois catgories

distinctes :

Les ordonnanceurs classiques sont facile mettre en uvre mais il noffre pas de

bonnes performances (RR et RA).

les ordonnanceurs relativement quitable mais qui offrent des dbits insuffisants (FQ,

Max-Min Fair et WFQ).

les ordonnanceurs qui permette de maximiser le dbit, mais qui sont relativement

inquitables (MaxSNR, PF, M-LWDF, EXPPF).


29

En conclusion, Il est intressant de constater que la diffrentiation de service, est lobjectif le

plus important pour pouvoir supporter les besoins de trafic temps rel haut dbit, offrir une

quit entre les utilisateur et garantir un taux de rejet de donnes trs faible. Il faut trouver un

compromis entres ces critres selon le besoin en terme de type et qualit de service et degr de

satisfaction des utilisateurs.

Chapitre3 : Analyse et Evaluation des performances

30


Introduction

Dans ce chapitre nous allons tudier le comportement de trois algorithmes

dordonnancement : le PF, le MLWDF et lEXPPF.

Dans un premier lieu, nous allons prsenter loutil de simulation. Ensuite, nous allons

dfinir les critres de performances adoptes. Dans un deuxime lieu, nous allons dfinir les

scnarios raliss et dcrire les rsultats de la simulation obtenus.

3.1. Choix de l'outil:

Il existe une panoplie de simulateurs utilis pour la simulation des diffrents types de

rseaux filaire et sans fils. Chacun de ses derniers possde ses avantages et ses inconvnients

par rapport aux autres. Dans notre cas on s'intresse l'tude des algorithmes

d'ordonnancement adopts par la technologie LTE. Nous prsentons une tude comparative

entre les simulateurs les plus utiliss (Network simulation, OPNET, OMNET + +, Matlab,

LTE-Sim). Le but est de dterminer quel outil de simulation nous permet mieux de tester,

danalyser et dvaluer les algorithmes d'ordonnancement dploy dans le rseau LTE.

3.1.1. Network simulation : NS (version2 ou 3)

NS est un simulateur gratuit possdant une bonne documentation, il est excutable tant sous

Unix /Windows. Il permet de simuler diffrents types de rseaux sans fil. Il permet de simuler

la couche MAC 802.11 et plusieurs autres extensions. Il implmente plusieurs protocoles de

routage et contient plusieurs modles dnergie. La version 3 offre un module pour LTE mais

qui n'est pas riche en algorithme d'ordonnancement sujet de notre recherche.

3.1.2. OPNET (Optimized Network Engineering Tools)

OPNET (Optimized Network Engineering Tools) est le simulateur de rseau le plus

utilis OPNET Modeler est caractris par un grand nombre de modles de protocole

pour les rseaux sans fil et cbls. Il permet de modliser tous les aspects de la transmission

sans fil. Le dveloppement se fait en C++, travers des interfaces de logiciel. Son

inconvnient majeur c'est qu'il n'est pas gratuit.


31

3.1.3. OMNET + +

OMNET++ est un simulateur orient objet qui peut tre utilis sur une plateforme Windows

ou Unix. Lavantage est quil sagit dun simulateur extensible et open source. Il possde un

diteur graphique NED, qui permet de crer des topologies entirement paramtrables. En

contrepartie, OMNET++ est caractris par de faibles rapports de rsultats de simulation.

3.1.4. Matlab

MATLAB et son environnement interactif est un langage de haut niveau permettant

l'excution de tches ncessitant une grande puissance de calcul et dont la mise en uvre sera

plus rapide qu'avec des langages de programmation traditionnels tels que le C, le C++. Pour la

simulation d'un rseau, il est ncessaire de dvelopper tout un projet. il existe un projet en

cour de dveloppement pour la simulation du rseau LTE (LTE-link Level Simulator) mais

jusqua prsent il ne tient compte que de la couche physique.

3.1.5. LTE-Sim

LTE-Sim est un simulateur open source qui peut tre utilis que sous Unix. Il est dvelopp

pour l'analyse et l'valuation des rseaux LTE pour les recherches dans ce domaine. Il possde

une bibliothque trs riche qui tient compte de tous les aspects intervenant dans le rseau LTE

et implmente les diffrents types de protocole pour toutes les couches. Il est trs modulaire

d'ou il permet facilement l'intgration de nouveau modle propre au chercheur. Son

inconvnient c'est qu'il prsente une faible documentation, vu quil est en cours de

dveloppement et il est enrichi de nouveaut d'une version autres.

Pour notre application, nous avons choisi dutiliser le simulateur LTE-Sim parce qu'il est

ddi pour un rseau de type LTE, pour sa richesse en protocole d'ordonnancement objectif

principale de notre recherche, et surtout pour sa modularit qui permet de dvelopper nos

propres modles, les intgrer et les tester facilement. En plus il est disponible (open source).

3.2. Evaluation des performances.

3.2.1. Modle systme

3.2.1.1. Topologie du rseau :


32

Figure 3.1: Cellule multi utilisateur.

Pour valuer les performances des algorithmes dordonnancement implment au niveau

MAC on considre un modle avec une seule cellule. La cellule est caractris par un

diamtre RADUIS=1KM) contient un seul quipement eNodeB avec un nombre maximal

dutilisateur gale 200 utilisateurs.

La mobilit des utilisateurs est dfinie selon un modle alatoire, pour chaque quipement

terminal (UE) il sera attribu un parcours selon sa vitesse de mobilit.la mobilit un effet sur

la qualit de la transmission et la dtermination des indicateurs sur le canal radio par la

couche physique.

Le modle utilis dfini paramtre speed (vitesse).

Figure 3.2 : Modle de mobilit alatoire


33

3.2.1.2. Flot de donn et diffrentiation de service :

Le trafic gnr par les applications sources au niveau de lquipement eNodeB sera

transporter vers le classifier pour le classer selon son type de QoS correspondante. Des enttes

de niveau transport sont ajouts au paquet avant dtre reu par le classifier. Le protocole de

transport utilis est UDP. Chaque file (bearer) fonctionne selon le mode FIFO (First In First

Out). Au moment o le paquet est class selon son type de services, un entte du Protocol

PDCP est ajout. Puis une fonction de compression selon le Protocol ROHC est excute.

Une entte RLC puis MAC est ajout donc la mise jour de la taille du paquet.

La figure si dessus montre le principe de gnration du flot de paquet de lapplication source

jusquau couche physique.

Figure 3.3 : Gnration de flot de donns

Pour le trafic gnr on distingue trois types de qualit de service :

Trafic Vido : les applications gnrent un trafic Vido un dbit de 128 Kbps.

[Norme H.264]

Trafic VOIP : les applications VoIP gnrent des flots de paquets, ce flot est model

selon une chaine de Markov ON/OFF. Pendant la priode ON elle est distribu

exponentiellement avec une valeur moyenne de 3s. Pendant la priode OFF, elle est


34

modele par une fonction exponentielle tronque avec une limite maximale de 6.9

secondes et une valeur moyenne de 3 secondes. Pendant la priode ON la source envoi

des paquets de taille 20 octet toutes les 20 ms (le dbit de la source est de 8Kbps).

Pendant la priode OFF il n ya pas envoi de paquet le dbit est nul. [Norme G 729].

Trafic Best effort : buffer-infini : pour ce type de service la file est considre de

taille infinie, ce qui fait que les applications ont toujours des paquets transmettre. le

dbit sera le dbit maximal disponible.

3.2.1.3. Paramtres de simulation

Paramtres de simulation valeur

Largeur de bande passante 20 MHz

Sous porteuse/ Ressource Bloc 12

Largeur de bande de la Ressource Bloc 180 KHz

Nombre de Ressource Bloc 100

Nombre dutilisateurs actifs dans la cellule 10, 20, 30, 40, 50, 60 et 70

Intervalle de transmission (TTI) 1 ms

Tableau 3.1 : paramtres de simulation

3.2.2. Critres de performance

Afin dvaluer la performance des diffrents algorithmes dordonnancement, nous avons

choisi trois critres dvaluation :

Dbit utile.

Dlai de bout en bout.

Taux de perte des paquets.


35

3.2.2.1. Dbit moyen

Le dbit utile (ou throughput) est le dbit total en rception. Il est calcul pour un intervalle

de temps, en divisant la quantit totale dinformation reue pendant cet intervalle, par la dure

de lintervalle en question. La formule gnrale pour le calcul du dbit utile est :

Nombre des paquets reus pendant t taille dun paquet

Dbit

t

Avec t : dure de lintervalle considr.

3.2.2.2. Dlai de bout en bout

Le dlai est le temps entre lenvoi dun paquet par un metteur et sa rception par le

destinataire. Dans notre projet le dlai est le temps de transit dun paquet partir de

leNodeB jusquau atteindre le UE. Nous calculons le dlai pour un paquet donn de la

manire suivante :

Dlai = tr - ts avec tr : instant de rception du paquet par le UE et ts : instant de son

mission par la source.

3.2.2.3. Taux des paquets perdus

Le taux des paquets perdu est calcul comme suit :

Nombre des paquets perdus

Taux des paquets perdus 100

Nombre des paquets envoys

3.2.3. Scenarios de simulation

Dans le cadre de notre projet, nous avons adopt diffrent scnarios. La distribution de

type de trafic vhicul (VoIP, Vido et trafic Best Effort) diffre dun scenario autre. Ainsi

que le dernier scenario concerne le comportement du rseau lorsquon fait varier la vitesse des

utilisateurs.


36

3.2.3.1. Scnario1 : Trafic VoIP uniquement

On considre dans le premier scenario que tout le trafic est de type Voix. Ce qui ncessite un

dbit de 8 Kbit/s pour chaque communication.

3.2.3.1.1. Taux des paquets perdus

La figure 3.4 Montre que le taux des paquets perdus est trs faible, il ne dpasse pas le 1 %

pour les trois algorithmes PF, MLWDF et EXPPF. Ce qui montre que ces trois derniers

offrent une bonne qualit de service pour un rseau destin entirement pour les

communications vocales.


3.2.3.1.2. Dlai de bout en bout

La figure 3.5 montre que les dlais de bout en bout atteint son maximum (60 ms) avec le PF,

et ne dpasse pas 20 ms pour les deux autres algorithmes MLWDF et EXPPF. Nous

remarquons une lgre augmentation du dlai en fonction de laugmentation de nombre

dutilisateurs.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10 20 30 40 50 60 70

Tau

x d

es

paq

ue

ts p

erd

us

[%]

Nombre d'utilisateurs

Trafic VoIP

PF

MlWDF

EXPPF


37

Figure 3.5 : Evolution de dlai de bout en bout en fonction de nombre dutilisateurs

Le dlai de bout en bout est bien respect par les trois algorithmes dordonnancements, il reste

toujours infrieur la contrainte de dlai de bout en bout gale 100 ms.

Les rsultats obtenue pour ce scnario montrent que le comportement des trois algorithmes

PF, MLWDF et EXPPF est similaire. En effet tout le trafic est de mme type VoIP, il ny a

donc pas de priorit entre les trafics.

3.2.3.2. Scenario 2 : Trafic quitablement distribu

Nous considrons les trois types de trafic rpartie part gale (1/3 trafic VoIP, 1/3 trafic

vido et 1/3 trafic Best Effort).

3.2.3.2.1. Taux des paquets perdus

Les figures 3.6, 3.7 et 3.8 reprsentent le taux des paquets perdus pour le trafic Vido, VoIP,

et Data successivement.

Si nous considrons le trafic temps rel (VOIP et VIDEO), lalgorithme EXPPF est

lgrement meilleurs que le MLWDF. MLWDF et EXPPF donne un taux de perte pour le

trafic VOIP qui varie entre 0.2 % pour 10 utilisateurs et 2 % pour 70 utilisateurs. Pour le trafic

Vido, le taux de perte maximal atteint par MLWDF et EXPPF est de 7% pour 70 utilisateurs.

Alors que pour le PF, le taux de perte atteint 22 % pour 70 utilisateurs.

0

20

40

60

80

100

10 20 30 40 50 60 70

D

lai [

ms]


Trafic VoIPPF

MlWDF

EXPPF


38



Pour le trafic Data Best Effort , nous remarquons que le taux de perte varie entre 1% et 2

% pour les trois algorithmes. La figure 3.8 montre que le taux de perte des paquets de type

data croit avec laugmentation du nombre dutilisateurs mais reste globalement acceptable, il

0

5

10

15

20

25

10 20 30 40 50 60 70

Tau

x d

es

paq

ue

ts p

erd

us

[%]


Trafic Vido

PF

MlWDF

EXPPF

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 20 30 40 50 60 70

Tau

x d

es

paq

ue

ts p

erd

us

[%]


Trafic VoIP

PF

MlWDF

EXPPF


39

est infrieur 2 %. En effet, pour ce type de trafic, le temps de sjour des paquets de type

Data dans la file est important. Le rejet naura lieu que si la file dattente est sature.


3.2.3.2.2. Dbit moyen par utilisateur (throughput) :

Daprs la figure 3.9, le dbit moyen par utilisateurs diminue considrablement avec

laugmentation du nombre dutilisateurs, il passe de 3.5 Mbit/s pour 10 utilisateurs 0.3

Mbit/s pour le cas de 70 utilisateurs. PF permet doffrir un dbit meilleur que celui offert par

MLWDF et EXPPF.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

10 20 30 40 50 60 70

Tau

x d

es

paq

ue

ts p

erd

us

[%]


Trafic Data

PF

MlWDF

EXPPF


40


Nous constatons quentre 50 et 70 utilisateurs, le dbit moyen est presque constant, il est

gale 0.5 Mbit/s.

3.2.3.2.3. Dlai de bout en bout

Daprs la Figure 3.10 nous constatons que le dlai de bout en bout pour le trafic VoIP est

respect par MLWDF et EXPPF, il est croissant et il ne dpasse pas les 40 ms pour 70

utilisateurs. Alors que pour le PF il est fortement en croissance et dpasse la barrire limite

100 ms pour 50 utilisateurs et atteint 140 ms pour 70 utilisateurs.

Figure 3.10 : Evolution du dlai de bout en bout en fonction du nombre dutilisateurs

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

10 20 30 40 50 60 70

D

bit

[M

bit

/s]


PF

MlWDF

EXPPF

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 20 30 40 50 60 70

D

lai [

ms]

Nombre d'uti

allocation des ressources radio dans les réseaux 4g-lte

Documents