Projet : Simulation dun rseau 4G en vue doptimiser les

ressources spectrales de loprateur

Classification des fonctionnalits implmentes par le logiciel LTE-Sim (version 4.0)

Anne acadmique 2012/2013

Groupe Projet MIRES

2

Table des matires

I. Introduction limplmentation du logiciel LTE-Sim ............................................. 3

II. Mise en place de la topologie du rseau. ............................................................. 5

III. Gestion de la mobilit des utilisateurs dans LTE-Sim .......................................... 6

1. Le modle Randon Walk .................................................................................. 6

2. Le modle alatoire de direction (Randon Direction) ........................................ 7

3. Le modle Randam Way Point ......................................................................... 7

4. Le modle Constant Position ............................................................................ 7

5. Le modle de Manhattan .................................................................................. 7

IV. Paramtrage de vitesse et handover ................................................................ 7

V. Gestion des flux de donnes et pile du protocole LTE sous LTE-Sim .................. 8

1. Notion de bearer ou support ....................................................................... 8

2. Bearer par dfaut et bearer ddi....................................................................10

3. QoS et le support radio ou bearer radio sous LTE-Sim ...................................11

4. La couche Application sous LTE-Sim ..............................................................12

VI. Structure du canal radio et gestion des ressources radio sous LTE-Sim .........15

1. Le Gestionnaire de la bande passante sous LTE-Sim .....................................15

2. Rutilisation de frquence sous LTE-Sim ........................................................15

3. Structure de la trame LTE sous LTE-Sim ........................................................16

4. Ordonnancement des ressources radio dans LTE-Sim ...................................17

5. Lalgorithme PF (Proportional Fairness) ..........................................................19

6. Lalgorithme M-LWDF (Modified Largest Weighted Delay First) ......................19

7. Lalgorithme EXP (Exponential Fair) ................................................................20

VII. Implmentation du canal radio et de la couche PHY sous LTE-Sim ................21

1. Canal radio mobile sous LTE-Sim ...................................................................21

2. Modle de propagation sous LTE-Sim ............................................................21

Rfrences .....................................................................................................................23

3

I. Introduction limplmentation du logiciel LTE-Sim

Dans ce document, nous dsignerons par class ::Function() la fonction Function()

dfinie dans la classe class .

Les principales composantes (classes, attributs et variables) du logiciel LTE-Sim sont

reprsentes dans le document [1].

LTE-Sim propose une simulation vnementielle, cest--dire que chaque simulation

effectue par LTE-Sim est compose de plusieurs objets (dfinis en langage C++)

modlisant les lments principaux dun rseau LTE, chacun de ces objets peut au

cours de la simulation, si besoin ncessaire gnr un nouveau vnement en

utilisant la mthode Simulator::Schedule() afin de permettre une interaction raliste

entre les diffrents nuds du rseau.

Un autre lment trs important dans LTE-Sim cest la classe Calendar qui permet

de ranger les vnements dans un ordre chronologique de leur cration

(horodatage). Lordonnancement des vnements est gr par la classe Simulator.

En effet, au dbut de chaque trame de donnes, la classe Calendar est compose

de trois vnements qui sont :

Linstant correspondant au dbut de la simulation obtenu avec la mthode

Simulator::Run()

Linstant correspondant au dbut de la transmission des trames (Classe

FrameManager) obtenu en utilisant la mthode

FrameManager::StartFrame().

La fin de la simulation (dure de la simulation) travers la mthode

Simulator::Stop().

Au cours de la simulation, dautres vnements vont tre cres par les lments du

systme LTE (c--dire les objets ou les mthodes reprsentant ces lments et qui

sont implments dans LTE-Sim) qui constituent dune manire gnrale le scnario

simul par LTE-Sim. Comme exemple dvnements que peuvent tre cres, nous

avons :

Application::CreatePacket() pour la cration des paquets dune application

NetworkNode::SendPacketBurst() pour lenvoi des paquets

ENodeB::ResourceAllocation() pour lallocation des ressources entre les

utilisateurs dune cellule du rseau.

Pour rendre les simulations plus ralistes, LTE-Sim a implment trois catgories de

nuds du rseau LTE savoir :

UE (User Equipement) qui reprsente les utilisateurs du rseau LTE.

4

eNB (Evolved Node B) qui reprsente les stations de base dans le rseau

LTE.

MME/GW (Mobility Management Entity/Gateway) qui reprsente llment

cl dans le contrle des nuds du rseau daccs LTE (UE, eNB). Il permet

galement de grer la procdure dactivation/dsactivation de la transmission

sur le lien radio, de grer la procdure de handover et deffectuer le choix de

la passerelle pour la transmission des paquets dun UE lorsque celui se

rattache un eNB.

Il est important de noter que chacun de ces nuds peut tre la fois source ou

destinataire dun message et est par consquent identifi dans LTE-Sim par une

adresse source et de destination, un port source et de destination et le type de

protocole de transport quil utilise. A noter que dans la version actuelle du LTE-Sim

seul le protocole de transport UDP (User Datagram Protocol Protocol) est

implment.

LTE-Sim permet aussi de simuler des stratgies dallocation des ressources radio

dans le domaine temps-frquence.

Dans le domaine temporel, les ressources radio sont distribues chaque TTI

(Transmission Time Interval) de dur 1 ms. De plus, chaque TTI est compos

de deux slot de temps de dure 0.5 ms chacun et correspondant 14

symboles OFDM dans une configuration par dfaut. 10 TTI conscutifs

forment une trame LTE.

Dans le domaine frquentiel, la bande passante est divise en sous-canaux

de largeur 180 KHz chacun correspondant 12 sous-porteuses conscutives

et rgulirement espaces. Vu que la largeur de chacun sous-bande est fixe,

pour les diffrentes bande de frquences quutilise LTE, le nombre de sous-

canaux varie proportionnellement.

Dans le domaine temps-frquence, lallocation des ressources radio stend

sur une dure de 0.5 ms correspondant un slot temporel et un sous-canal de

largeur 180 KHz dans le domaine frquentiel. On peut ainsi allouer un

utilisateur dans le domaine temps-frquence un RB (Resource Block) qui

correspond en fait la plus petite ressource radio qui tre allou un UE pour

la transmission.

Dans la version courante du LTE-Sim, la structure de la trame LTE est garantie par la

classe FrameManager. Cette classe a pour rle de contrler lordonnancement des

trames et des sous-trames (cest--dire les TTIs) et dassurer la synchronisation

entre tous les eNBs.

Les aspects de la couche PHY sont grs par les UEs et les eNBs. En particulier, un

objet de la classe PHY a t cre pour chacun de ces lments (UE et eNB) afin

denregistrer les paramtres de la couche PHY et le modle de canal (modle de

propagation et type denvironnement de propagation) auquel il est interconnect. Y

5

sont enregistrs les informations telles que la qualit du lien radio, et le niveau

dinterfrence peru. Les autres paramtres lis la couche PHY (frquence

porteuse, bande passante disponible, liste des RBs disponibles en liaison UL ou DL,

les paramtres de rutilisation frquentielle etc.). Larchitecture dune trame LTE est

prsente la figure suivante (figure 1).

Figure 1: Structure d'une trame LTE

Au niveau de la couche Application, LTE-Sim a implment quatre types de

gnrateurs de trafic qui sont :

- Le gnrateur trace-based

- Le gnrateur ON-OFF

- Le gnrateur CBR (Constant Bit Rate)

- Le gnrateur infinite buffer

Dans la suite du document, nous allons prsenter en dtails les rles de chacun des

lments constituant larchitecture du logiciel LTE-Sim et le rle jou par chaque

composante dans la mise en place dun rseau LTE raliste.

II. Mise en place de la topologie du rseau.

La topologie du rseau est compose dun ensemble de plusieurs nuds (des eNBs,

un ou plusieurs MME/GW et plusieurs UEs) distribus entre les cellules

LTE-Sim permet de simuler des scnarios de communication dans des topologies

mono-cellules ou multi-cellules.

6

Toutes les mthodes ncessaires la cration et la gestion de la topologie du

rseau sont fournies par la classe NetworkManager.

Une cellule LTE, implmente dans LTE-Sim par la classe cell est identifie par un

Identifiant Unique (ID), son rayon et ses cordonnes dfinies dans un systme

Cartsien.

Pour chaque nud du rseau LTE, une classe ddie a t dveloppe par

extension de la classe NetworkNode (cest--dire la classe ENodeB, la classe

UserEquipement et la classe MME-GW) qui se trouve le dossier lte-sim-

r4.0\src\device.

Chaque nud tant identifi par un ID unique et sa position dans un systme

cartsien.

III. Gestion de la mobilit des utilisateurs dans LTE-Sim

Afin de prendre en compte la mobilit des utilisateurs pour assurer une simulation

raliste, LTE-Sim propose un systme inter-cellules prenant en compte la procdure

de handover.

Cinq modles de mobilit les plus rencontrs sont supports par la version 4.0 de

LTE-Sim savoir le modle Random Walk, le modle alatoire de direction

(Random Direction), le modle de Manhattan, le modle Constant Position et le

modle Random Way Point dont nous dtaillons les procdures un peu plus loin.

Pour chacun de ces modles, une classe ddie (la classe RandomDirection, la

classe RandomWalk etc.) a t cre par extension de la classe MobilityModel qui

se trouve dans le dossier lte-sim-r4.0\src\mobility.

La mobilit des utilisateurs est gre par la classe NetworkManager qui aprs

chaque TTI, met jour la position des UEs selon le modle de mobilit adopt et

vrifie travers la mthode NetworkManager ::HandOverProcedure() si la

procdure de handover est ncessaire.

1. Le modle Randon Walk

Ce modle est dvelopp pour imiter un mouvement imprvisible. Un nud mobile

dans ce modle se dplace de son endroit courant un nouvel endroit

en choisissant alatoirement une direction et une vitesse suivant lesquelles il se

dplace. La nouvelles vitesse et direction toutes les deux sont choisies dans des

gammes prdfinies entre [0, 2] respectivement. Un nud mobile atteignant la

frontire de simulation, rebonds avec langle dtermin par la direction entrante et

puis continue le long du nouveau chemin. Par dfaut, la distance parcourue est gale

7

200, 400, 1000 m lorsque la vitesse de l'utilisateur est gal 3, 30 et 120

kilomtres par heure, respectivement.

2. Le modle alatoire de direction (Randon Direction)

Ce modle fournit un nombre constant de voisins dans toute la simulation. Les

nuds mobiles choisissent une direction alatoire suivant laquelle ils se dplacent

la frontire de la simulation dans cette direction. Une fois que la frontire est atteinte,

le nud mobile fait une pause pendant le temps indiqu, choisit une autre direction

angulaire continue alors le processus.

3. Le modle Randam Way Point

Dans ce modle la mobilit des nuds est typiquement alatoire et tous les nuds sont distribus uniformment dans lespace de simulation. En effet il consiste en :

o Le placement dun certain nombre de mobiles dans une zone carre dans laquelle ils ne peuvent sortir.

o Laffectation dune position, dune vitesse et dune destination initiale chaque mobile.

o Le droulement proprement dit de la simulation, o chaque fois que les mobiles atteignent leur destination dans le carr, ils repartent vers une autre destination choisie alatoirement aprs un ventuel temps de pause.

4. Le modle Constant Position

Dans ce modle les nuds sont immobiles.

5. Le modle de Manhattan

Le modle de mobilit de Manhattan est utilis pour muler le modle de circulation

des nuds mobiles dans des rues dfinies par des cartes. Une carte est compose

dun certain nombre de rues horizontales et verticales. Chaque rue a deux voies

dans chaque direction (les directions Nord et Sud en rues verticales, lEst et lOuest

en rues horizontaux). Le nud mobile est autoris se dplacer selon la grille des

rues horizontales et verticales sur la carte. A lintersection dune rue horizontale et

dune rue verticale, le nud mobile peut tourner gauche, droite ou aller tout

droit.

Dautres modles de mobilit plus sophistiqus peuvent tre dvelopp par

extension de la classe MobilityModel.

IV. Paramtrage de vitesse et handover

Dans LTE-Sim, les variables m_speed et m_speedDirection sont utilises pour

dfinir la vitesse et la direction des UEs selon le modle de mobilit. Typiquement,

les vitesses 0, 3, 30 et 120 km/h sont adoptes et sont quivalentes respectivement

des scnarios statiques, des pitons, des vhicules. Pour chaque UE, un lment

8

m_mobility a t cre pour grer sa mobilit.

Dautre part, dans LTE-Sim, seul le hard handover est implment. Durant cette

procdure, lorsque lUE se dplace dune cellule lautre, le choix de la nouvelle

eNB est bas uniquement sur la distance entre leNB et lUE.

Pendant la procdure du hard handover, lUE se dplace vers un nouvel tat (cellule)

pendant une dure de temps gale 30 ms (sous LTE-Sim). Pendant ces 30 ms

(>>10 ms, dure dune trame), aucun flux dirig ou provenant de lUE ne peut tre

ordonnanc par leNB.

Le contrle dadmission dans une nouvelle cellule lors du processus de handover

nest pas implment sous LTE-Sim.

V. Gestion des flux de donnes et pile du protocole LTE sous

LTE-Sim

LTE-Sim a dvelopp un systme bas sur une des spcifications de la norme LTE

qui est la gestion de la qualit de service, pour cette raison, une approche base sur

lEPS bearer (Evolved Packet System) a t introduit dans le logiciel afin de fournir

une diffrentiation au niveau des exigences en QoS.

1. Notion de bearer ou support

Comme dcrit dans le document [3], dans tout rseau, les ressources de

transmission et de traitement au sein des nuds sont limites et partages entre les

utilisateurs. Selon la nature et la technologie du rseau, laccroissement de ces

ressources par loprateur peut tre complexe et coteux. Dans un rseau mobile

par exemple, la ressource radio (spectre) est particulirement onreuse. Cette

proccupation a conduit considrer des mcanismes optimisant lutilisation de ces

ressources sur linterface radio, mais galement sur les autres interfaces du rseau

impliqus dans le plan usager (UE-rseau). Ces mcanismes de Qualit de Service

ou QoS visent offrir lutilisateur le service demand avec une qualit

satisfaisante, tout en minimisant les ressources utilises pour y parvenir.

Les figures suivantes illustrent limportance de tels mcanismes. Dans cet exemple,

lUE2 a un appel voix en cours, avec un dbit assez stable. LUE1 navigue sur

Internet et dmarre un tlchargement. En labsence de mcanisme appropri de

partage de ressources, lUE1 monopoliserait partir de cet instant la bande passante

du systme, privant lUE2 de ressources pour recevoir des donnes. En revanche,

en autorisant un dbit instantan maximal lUE1 et en garantissant un dbit minimal

lUE2 pour son appel voix, le trafic de lUE1 sera liss, tandis que lUE2 pourra

recevoir des donnes au rythme auquel elles sont produites, sans subir les variations

de dbit de lUE1.

9

Sans mcanismes de QoS, lUE2 subit les variations de trafic dUE1.

Figure 2: Gestion de la QoS dans les rseaux radio mobiles.

Avec les mcanismes de QoS, lUE2 peut avoir un dbit garanti, lUE1 ne peut

monopoliser toute la bande passante.

Pour affecter efficacement les ressources aux besoins dun appel, la notion de bearer

a t introduite dans les tlcommunications, ds la conception du systme GSM.

Un bearer peut tre vu comme un tuyau entre deux entits du rseau qui

communiquent entre elles sur une interface, tuyau dont certaines caractristiques

sont ngocies entre ces entits lors de son tablissement et qui permet le transfert

de donnes. Le concept de bearer est ainsi dclin sur les interfaces du rseau dont

les ressources doivent tre conomises, et en particulier sur :

Linterface radio, entre lUE et leNB ;

Linterface S1 entre lE-UTRAN et le rseau cur ;

Les interfaces du rseau cur

Les bearers sur ces interfaces forment un bearer agrg, entre lUE et le rseau

cur : le bearer EPS (Evolved Packed System) ou EPS bearer.

La connectivit un rseau de donnes via lE-UTRAN et lEPC (Evolved Packet

Core) est assure par un bearer EPS. Celui-ci porte les flux de trafic qui doivent

recevoir un mme traitement de QoS entre lUE et la P-GW (Packet Data Network

Gateway). Il est constitu des lments suivants :

UE

1

UE2

UE

2

UE2

10

Le radio bearer sur linterface Uu, entre lUE et leNB ;

Le bearer S1, entre leNB et la S-GW (interface SI-U) ;

Le bearer S5/S8, entre la S-GW et la P-GW

Le radio bearer et le bearer S1 forment en outre une connexion logique entre lUE et

la S-GW : lE-RAB (E-UTRAN Radio Access Bearer), qui constitue un lment

agrg du bearer EPS.

Enfin, lassociation du bearer EPS et du bearer sur le rseau de donnes externe

fournit le support de bout-en-bout pour le service.

Ces lments et entits du rseau qui le portent sont reprsents sur la figure

suivante :

Figure 3: Le bearer EPS dans le rseau LTE

Un bearer EPS ou support EPS est caractris par des paramtres protocolaires, qui

permettent le routage de bout-en-bout des donnes transmises sur ce bearer, mais

galement par des paramtres de QoS.

2. Bearer par dfaut et bearer ddi

Le pralable lapplication de mcanismes de QoS rpondant aux besoins

spcifiques de chaque type de trafic est didentifier et traiter distinctement des flux

dont les caractristiques et les contraintes diffrent de faon notable. Les concepts

de bearer EPS par dfaut et bearer EPS ddi ont t dfinis dans cette optique.

Au niveau de lUE, seuls les paquets de donnes destins une transmission sur la

voie montante passent dans le masque de trafic de lUE UL TFT1 (Traffic Flow

Template 1), pour les orienter sur la bearer EPS adquat ; les donnes reues de la

P-GW sont, elles, remises lapplication en fonction du bearer EPS par lequel elles

sont portes. Le flux web des applications actu et mto correspond

typiquement des requtes http, ports sur TCP, vers le portail Web de loprateur,

tandis que le flux de lappel vido consiste en des paquets destins lUE distant et

produits par le codec vido (par exemple H264 sur RTP/UDP). De faon similaire, la

P-GW ne compare que les donnes pour la voie descendante aux masques de trafic

11

DL TFT1 et DL TFT2, et les donnes reues de lUE sont directement routs vers

lentit distante dsigne par ladresse IP destination.

Figure 4: Utilisation des TFT dans le sens UL et DL pour le multiplexage des donnes sur le plan usager

LTE-Sim a dvelopp uniquement des supports radio ddis.

Le systme LTE/EPC, par lintermdiaire de la P-GW, peut prendre linitiative

dtablir un bearer ddi sans demande pralable de lUE, par exemple sil dtecte

un nouveau flux qui devrait, dans la politique de loprateur, bnficier dun

traitement spcifique en termes de QoS notamment. Cest par exemple le cas si

lutilisateur, en naviguant sur le portail de loprateur, ouvre un contenu vido ou

audio streaming. Loprateur peut en effet faire le choix de diffrencier ce flux du

trafic de navigation alors que lUE ne demande pas de QoS spcifique. De cette

faon, lapplication de la QoS de loprateur nest pas dpendante de

limplmentation des terminaux.

On notera que les notions de bearer par dfaut et de bearer ddi ne sont pas

connues de lE-UTRAN.

3. QoS et le support radio ou bearer radio sous LTE-Sim

Sous LTE-Sim, la classe Bearer modlise le bearer radio ddi. Lorsquun flux dans

le sens UL ou DL dmarre, cette classe active un bearer radio ddi entre lUE et

leNB et vice versa. En plus, pour chaque UE et eNB, il est possible dactiver

plusieurs bearer.

12

Lobjet QoSParameters dfinit dans le dossier lte-sim_4.0/src/flow/QoS fournit,

pour chaque bearer, les exigences en QoS du flux de donnes telles que lidentifiant

de le classe de service, la priorit dallocation et de rtention, le dbit binaire garanti

(GBR) et le dbit binaire maximum (MBR).

Ensuite, un classeur IP est utilis pour faire correspondre les paquets provenant de

la couche Application un bearer radio donn selon les paramtres enregistrs dans

la classe ClassifierParameters.

4. La couche Application sous LTE-Sim

Les paquets transports par un bearer radio ddi sont gnrs au niveau de la

couche Application par un des quatre gnrateurs de trafic suivants:

Le gnrateur traced-based qui envoi les paquets suivant un modle raliste

de trace de fichiers vido.

Le gnrateur VoIP gnre les flux G.729 pour la voix. En particulier la voix

sous LTE-Sim a t modlise par un modle de chaine de Markov ON/OFF,

o la priode ON est exponentiellement distribue avec une valeur moyenne

de 3 s, et la priode OFF a une pdf (probabilty density function) ou fonctionde

densit de probabilit exponentielle tronque avec une valeur limite

suprieure de 6.9 s et un valeur moyenne de 3 s. Durant la priode ON, la

source envoi des paquets de taille 20 octets (bytes) toutes les 20 ms (cest--

dire que le dbit source est 8 Kbit/s) alors que durant la priode OFF le dbit

est gale zro car on fait lhypothse quun dtecteur dactivit de la voix

VAD (Voice Activity Dectetor) est prsent. Il est important que ces paramtres

puissent tre modifis dans la classe du constructeur de la classe VoIP ou en

utilisant les mthodes fournies dans le logiciel pour les rgler.

Le gnrateur CBR (Constant Bit Rate) gnre des paquets avec un dbit

source constant. En particulier, la taille des paquets et le temps dinter-arriv

peuvent tre dfinis pour ce type de trafic.

Le gnrateur Infinite Buffer modlise une source qui a toujours des

donnes envoyer. Ce gnrateur permet de modliser le trafic des classes

de service best effort (BE).

Pour chaque type dapplication, une classe ddie t dveloppe, nomme

InfiniteBuffer, VoIP, CBR, et TraceBased.

Il est important de noter que ces classes sont obtenues par extension de la classe

Application qui fournit les mthodes et les paramtres communs toutes les

classes telles que le dbut et la fin des donnes dune application.

LTE-Sim implmente plusieurs fonctionnalits du plan usager et du plan de contrle

de la pile de protocole LTE. Dans cette ide, la classe ProtocolStack a t cre

comme un groupe englobant la couche RRC (Radio Resource Controller), la

13

couche RLC (Radio Link Control), la couche PDCP (Packet Data Convergence

Protocol) et la couche MAC (Medium Access Control). Une instance de la classe

ProtocolStack appele m_protocolStack contenant ces entits a t dfini pour

chaque quipement rseau.

LTE-Sim a implment quelques fonctionnalits lies chacune des couches sur-

cites.

Lentit RRC gre les bearers radio ddis en sens UL et DL pour un

quipement donn. Il interagit avec le classificateur IP afin de classer les

paquets dans les bearers radio correspondant.

Lentit PDCP fournir des mthodes pour la compression des enttes des

paquets provenant de la couche IP, qui seront par la suite mis dans la bonne

file dattente situe dans la couche MAC.

Lentit RLC modlise la transmission en mode aveugle Unacknowledged

data transmission au niveau de la couche RLC. Il faut noter quil existe

deux types de transmissions au niveau de la couche RLC : Le mode

Unacknowledged data transmission ou mode aveugle et le mode

Acknowledged data transmission [2].

Lentit MAC fournit linterface radio entre lUE et leNB. En plus, le module de

modulation adaptative est dfinit ce niveau. Trois modulations sont

supportes dans LTE-SIM : QAM, 4-QAM et 16-QAM.

LTE-SIM implmente uniquement le mode aveugle car il est le plus utilis

notamment pour les applications qui ne tolrent par de dlai telles que la vido

streaming et la voix. Cette entit est aussi responsable de la segmentation et de la

concatnation des donnes (SDUs pour Service Data Units) provenant de la couche

IP.

Un exemple dinteraction entre ces entits implmentes dans LTE-SIM est fournit

la figure [5] suivante. Cette figure montre le chemin suivi par un paquet gnr au

niveau de la couche Application du eNB jusqu la couche Application de lUE.

14

Figure 5: Pile du protocole LTE implmente sous LTE-Sim

Un autre aspect important dans LTE-Sim est la faon dont est modlis chaque

paquet de donne. En effet un paquet, reprsent par la classe packet est dfini par

trois paramtres :

La variable m_timeStamp qui reprsente linstant auquel le paquet a t

gnr au niveau de la couche Application. Sa valeur est tre utilise pour

valuer le dlai de transmission du paquet. Plus important, cette valeur peut

aussi tre utilise pour des calculs statistiques et les stratgies

dordonnancement.

La variable m_size qui reprsente la taille du paquet

La variable m_packetHeader qui contient la liste de tous les enttes des

protocoles qui ont t ajoutes au paquet pendant sa transmission au niveau

des couches basses.

Dans la version courante de LTE-Sim seul le protocole UDP a t implment.

Toutefois, il est possible dimplmenter de nouveaux protocoles (TCP par exemple)

par extension de la classe TransportLayer qui se trouve dans le fichier lte-sim-

r4_0/src/protocolStack/protocols/.

Pendant la simulation, la couche Application gnre des paquets qui sont passs

aux couches Transport et IP. Le classeur IP fait correspondre les datagrammes IP

dans les bearers radio. Chaque bearer maintient sa propre file dattente de type FIFO

(first In First Out) de transmission en utilisant la classe MACqueue. Une fois que le

paquet IP est mis dans la file dattente, on lui ajoute lentte PDCP. Le protocole

PDCP fournit une technique de compression dentte en utilisant le protocole ROHC

(Robust Header Compression). Le paquet RTP/UDP/IP est ainsi compress avec un

entte de 3 octets au total. Enfin lorsque le paquet est retir de la file dattente, un

code cyclique CRC (Cyclic Redundacy Check) et un entte MAC lui sont ajouts.

15

VI. Structure du canal radio et gestion des ressources radio sous

LTE-Sim

Les techniques de duplexage TDD (Time Division Duplex) et FDD (Frequency

Division Duplex) sont implments dans LTE-Sim dans la classe FrameManager.

Les ressources radio sont distribues dans le domaine temps-frquence. LeNB

procde lordonnancement des ressources radio entre les flux en sens UL (ulplink)

et DL (dowlink) au dbut de chaque sous-trame (un TTI). Toutes les bandes de

frquences utilises par le rseau LTE (1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz,

20 MHz) sont supportes dans LTE-Sim.

1. Le Gestionnaire de la bande passante sous LTE-Sim

Tous les quipements doivent connaitre sur quelle bande opre le rseau, ainsi que

les sous-canaux disponibles dans les sens UL et DL. Par consquent, une classe

ddie, la classe BandwidthManager a t implmente pour enregistrer ces

informations. Une instance de la classe BandwidthManager est dfinit pour tout objet

PHY (UE et eNB).

2. Rutilisation de frquence sous LTE-Sim

La rutilisation frquentielle permet damliorer la couverture et la capacit des

rseaux cellulaires et de rduire les interfrences inter-cellules, lide provient du fait

chaque cellule nutilise pas en gnral touts les sous-canaux disponibles. Un groupe

de cellules, utilisant touts les sous-canaux disponibles forment ce quon appelle un

cluster ou groupement de cellules qui est rgulirement rpliqu afin de couvrir

toute la zone de service. Pour rpondre ce critre, la mthode

NetworkManager::RunFrequency () qui se trouve dans le dossier lte-sim-

r4_0\src\utility a t dveloppe sous LTE-Sim afin dappliquer la technique de

rutilisation de frquence et de distribuer la bande passante disponible entre les

diffrentes cellules. Le nombre de cellules qui forment un cluster dpend de la

bande opratrice de lE-UTRAN et de la bande passante utilise dans les DL et UL.

La version actuelle de LTE-Sim supporte toutes les configurations de cluster

possibles disponible pour les bandes opratrices [1929-1980] MHz en sens UL et

[2110-2170] MHz en sens DL dans un mode de duplexage FDD. De plus, dans cette

version la liste de sous-canaux attribue une cellule reste constante pendant la

simulation. Dautres configurations de rutilisation frquentielle plus sophistiques

peuvent tre implmentes sous LTE-Sim par extension de la classe

NetworkManager. Pour prendre en compte la mobilit des UEs, la liste de sous-

canaux disponibles est mise jour aprs chaque invocation du processus de

handover.

16

LTE-Sim implmente trois types de groupement de cellules reprsents dans les la

figure suivante :

Figure 6: Les types de groupement de cellules implments sous LTE-Sim

3. Structure de la trame LTE sous LTE-Sim

LTE-Sim supporte deux types de structure de trames pour linterface E-UTRAN. La

premire structure est dfinit pour le mode FDD (frame strucure type 1). Le second

est dfinit pour le mode TDD (frame structure type 2). Pour le type 1, la bande

passante est divise en deux parties, permettant les transmissions simultanes en

sens UL et DL.

Pour le type 2, la trame LTE est divise en deux trames conscutives, chacune dune

dure de 5 ms. De plus, une sous-trame spciale est rserve dans chaque trame et

nest pas utilise pour la transmission des donnes. Elle peut tre utilise pour

envoyer des symboles pilotes en sens UL et DL.

17

Figure 7: Trame de type 2 en mode TDD

Dans LTE-Sim, les structures de trame (type 1 et type 2) et la configuration TDD ont

t dfinis dans la classe FrameManager qui se trouve dans le dossier lte-sim-

r4_0\src\componentManagers.

Pendant la simulation la classe FrameManager ordonnance les trames et sous-

trames LTE et dcide selon la structure de la trame si une sous-trame sera utilise

dans le sens UL ou DL ou dans les deux sens (trame TDD).

4. Ordonnancement des ressources radio dans LTE-Sim

Lobjectif le plus important dans LTE est lordonnancement des ressources radio afin

de satisfaire aux exigences en QoS de toutes les applications. Cet objectif est trs

difficile atteindre en prsence des applications multimdia temps rel caractrises

par une intolrance au dlai de transmission des paquets.

Dans les systmes LTE, on exploite le fait que les utilisateurs nont pas la mme

sensibilit face aux perturbations du canal radio mobile. En effet, en prsence de

plusieurs utilisateurs, il est toujours possible de trouver un utilisateur ayant une

bonne qualit du signal transmis sur le canal radio.

Fort de cette ide, les algorithmes dordonnancement MT (Maximum Throughput)

et PF (Proportional Fair) sont devenus les algorithmes les plus connus dans les

stratgies dordonnancement dans les rseaux LTE car les dcisions dallocation

sont strictement bases sur la qualit du canal exprimente par chaque UE qui

mesure priodiquement la qualit du canal partir des symboles de rfrences et

renseigne leNB travers les messages CQI (Channel Quality Information). Cette

information est utilise par la suite par lordonnanceur pour distribuer les RBs

(Resource Block) entre les utilisateurs. Cette information est galement utilise par le

module AMC (Adaptive Modulation Coding) qui slectionne pour chaque UE le

schma de modulation et de codage adquat afin de maximiser lefficacit spectrale.

18

LTE-Sim a implment les classes dordonnancement en sens UL et DL appeles

ULScheduler et DLScheduler. Ces classes fournissent limplmentation de

quelques algorithmes dordonnancement les plus couramment rencontrs dans les

stratgies dordonnancement :

Au dbut de chaque sous-trame, lordonnanceur slectionne tous les flux qui peuvent

tre ordonnancs. Un flux peut tre ordonnanc si et seulement sil contient des

donnes de paquets transmettre dans la couche MAC et que le rcepteur

qui est destin le flux est dans un tat actif.

A chaque TTI, lordonnanceur calcule une mtrique pour chaque flux qui peut tre

ordonnanc. Nous supposons que la mtrique attribue au flux i sur le sous-canal j

est dfinie par . Les algorithmes diffrent suivant la mthode de calcul de la

mtrique.

Lordonnanceur opre en attribuant le sous-canal j au flux i ayant la plus grande

mtrique.

Sous LTE-Sim, la procdure dordonnancement peut tre rsume par les tapes

suivantes :

1) LeNB cr une liste de flux en sens DL ayant des paquets de donnes

transmettre (grce la classe FlowsToSchedule) cest--dire les flux pouvant

tre ordonnancs pour la sous-trame courante.

2) Les paramtres de qualit du canal (CQI) et la longueur des files dattente de

la couche MAC sont enregistrs pour chaque flux.

3) Selon la stratgie dordonnancement, la mtrique choisit est calcule pour

chaque flux de la liste prcdente.

4) LeNB attribue chaque sous-canal au flux ayant la mtrique maximale sur ledit

sous-canal. Il est important de noter que durant la procdure dallocation,

leNB prend en compte le volume de donnes dj transmit par chaque flux.

Par consquent, lorsque les paquets constituant un flux sont vids de la file

dattente, ce flux est immdiatement retir de la liste des flux dont

lordonnancement est possible.

5) Pour chaque flux ordonnanc, leNB calcule la taille du block de donnes

transmettre, cest -dire le volume de donnes qui sera transmis au niveau

de la couche MAC pendant un TTI. LeNB utilise le module AMC pour faire

correspondre la qualit du canal (CQI) de chaque flux au schma de

modulation et de codage appropri.

A la fin de la procdure dallocation, leNB appelle la fonction Bearer ::Dequeue () de

tous les flux ordonnancs afin destimer le nombre de paquets restant dans les files

dattente de la couche MAC.

Afin dobtenir la mtrique, les ordonnanceurs ont gnralement besoin de connatre

le dbit moyen de transmission du flux i, et le dbit instantan disponible pour

19

lUE sur le sous-canal j. Cette approche est importante lorsque la mtrique prend en

compte les performances antrieures des flux ordonnancs afin dquilibrer la

distribution des ressources entre les UEs. En particulier, chaque TTI, lestimation

de est donne par :

O est le dbit allou au flow i pendant le kme TTI et est

lestimation du dbit moyen de transmission au (k-1)me TTI.

De ce qui suit, voici une description des algorithmes dordonnancement implments

sous LTE-Sim.

5. Lalgorithme PF (Proportional Fairness)

Cet ordonnanceur associe les ressources radio en prenant en compte conjointement

la qualit du canal et le dbit achev par chaque utilisateur dans les TTIs antrieurs.

Lobjectif de cet algorithme est de maximiser le dbit total du rseau et de garantir

une quit (fairness) entre les flux. Pour cet algorithme, la mtrique est dfinit

comme le rapport entre le dbit instantan disponible pour le flux i ( ) et le dbit

moyen (calcul linstant k-1) du flux i.

La valeur de est calcule par le module AMC en considrant la valeur du CQI sur

le sous-canal j envoy par lUE qui est destin le flux i.

6. Lalgorithme M-LWDF (Modified Largest Weighted Delay First)

Cet ordonnanceur supporte ou prend en charge un utilisateur pouvant demander

multiples services avec des exigences en QoS diffrentes. Pour chaque flux temps

rel, en considrant le dlai maximal , la probabilit est dfinit comme la

probabilit maximale pour que le dlai du premier paquet de la file dattente

excde le dlai maximal fix. A rappeler LTE-Sim implmente uniquement des files

dattente de type FIFO (First In First Out).

Afin de donner la priorit aux flux temps rel ayant le plus grand dlai (dlai du

premier paquet de la file dattente) et ayant les meilleures conditions de propagation

sur le canal radio, la mtrique a t dfinit dans cet ordonnanceur par :

O et ont les mmes significations que dans les paragraphes prcdents et

est donn par :

20

Pour les trafics non temps rel ou nRTPS, mtrique est calcul partir de lquation

fournit par lalgorithme PF.

Dans la version actuelle de LTE-Sim, lalgorithme M-LWDF est implment de telle

faon que les paquets appartenant un flux temps rel sont supprims de la file

dattente de la couche MAC sils ne sont pas transmis avant lexpiration du dlai

maximal dattente. Cette opration est ncessaire pour viter le gaspillage de la

bande passante. Cette implmentation nest pas ralise dans lalgorithme PF vu

quil nest pas conu pour les services temps rel.

7. Lalgorithme EXP (Exponential Fair)

Cet ordonnanceur a t conu pour amliorer la priorit des flux temps rel tout en

permettant aux trafics non temps rel de bnficier dun minimum de satisfaction. Le

paquet dentte de file dattente de ces flux a un dlai trs proche du dlai maximal.

Pour les flux temps rel, la mtrique est calcule en utilisant les quations suivantes:

O les symboles ont les mmes significations que prcdemment et la valeur de

est donne par :

Avec le nombre de flux en temps rel actif dans le sens DL. Par ailleurs, la

mtrique des trafics non temps rel sont calculs avec la mtrique de lalgorithme

PF. Dans lalgorithme EXP, Les paquets temps rel dont le dlai excder le dlai

maximal avant la transmission sont supprims de la file dattente dans la couche

MAC.

Il faut noter quil est possible dintgrer de nouveaux algorithmes dordonnancement

dans LTE-Sim en suivant les tapes suivantes :

i) Crer une nouvelle class dordonnancement ou faire une extension dune

des classes existantes.

ii) Hriter les mthodes partir dune classe virtuelle en C++

iii) Dfinir les mthodes pour limplmentation des fonctions

dordonnancement. Se rfrer au dossier lte-sim-r4_0/src/flows/QoS.

21

VII. Implmentation du canal radio et de la couche PHY sous LTE-

Sim

La simulation dune couche PHY complte nest pas compatible avec des scnarios

complexes, en effet, la simulation dune couche PHY complte de transmission entre

2 nuds dans un rseau LTE peut prendre des heures (3 heures environs). Cette

difficult a t contourne dans LTE-Sim a adopt une approche base sur un

modle analytique. Cette approche a t adopte de mme avec succs dans les

simulateurs comme nS-3 pour le Wimax, ns-2 pour lUMTS, le module Numbat dans

le simulateur Omnet++ et bien dautres.

La classe channel et la classe Phy ont t implmentes sous LTE-Sim pour

modliser le canal et la couche PHY LTE respectivement.

1. Canal radio mobile sous LTE-Sim

La classse channel gre la transmission des paquets, et prend en compte le

modle propagation.

Pour grer sparment les transmissions en sens UL et DL, un couple de canaux

doit tre dfinit pour chaque cellule. En plus, chaque objet physique (UE et eNB)

sauvegarde dans les variables m_dowlinkChannel et m_uplinkChannel un pointer

sur lensemble des canaux cres pour la celle laquelle il appartient.

La classe channel contient une structure prive nomme m_devices qui gre tous

les objets physiques qui lui sont connects.

2. Modle de propagation sous LTE-Sim

La classe PropagationLossModel modlise le canal de propagation au niveau de

linterface E-UTRAN. Cette classe a t implmente pour calculer les pertes lies

la propagation du signal transmis.

Afin de supporter plusieurs configurations (microcellules et macro-cellules en

environnement urbain, macro-cellules et microcellules en environnement suburbain,

macro-cellules en milieu rural etc.), une classe virtuelle ChannelRealization a t

dveloppe afin de fournir une implmentation basique du modle de propagation et

du modle de canal. Elle permet destimer les conditions du canal en termes de

pertes et dinterfrence. Pour chacune de ces configurations, une classe hrite de

la classe ChannelRealization a t dveloppe.

Lestimation des conditions du canal sous LTE-Sim prend en compte quatre

principaux phnomnes :

Les pertes de propagation : modlises suivant le type de configuration.

Les pertes de pntration : Valeur fixe par dfaut 10 dB dans LTE-Sim.

22

Les vanouissements du signal d au phnomne de multi trajet : Modliss

par une distribution de loi normale logarithmique de moyenne 0 et de dviation

standard gal 8 dB.

Ces valeurs peuvent tre modifies suivant le type denvironnement de simulation de

la cellule.

La variable m_channelRealization dfinie dans la classe PropagationLossModel

enregistre les conditions de canal de propagation pour chaque couple dquipements

rattachs un canal. Pendant la transmission des paquets, sachant ladresse de la

source et de la destination, un objet ChannelRealization est slectionn et leur sont

rattach formant la variable m_channelRealization. Ensuite, la mthode

ChannelRealization::ComputePropagationLoss () est utilise pour calculer les

pertes de propagation.

Dans la version actuelle de LTE-Sim, lvanouissement du signal a t modlis

avec le modle de Jakes, pour tous les modles de propagation implments.

Il est possible sous LTE-Sim dajouter de nouveaux modles de canaux par

extension de la classe ChannelRealization.

Il faut remarquer que la technologie MIMO nest pas implmente sous LTE-Sim.

23

Rfrences

[1] Giuseppe Piro, Luigi Alfredo Grieco, Gennaro Boggia, Francesco Capozzi,

Simulating LTE Cellular Systems: an Open Source Framework, Octobre 2010.

[2] 3rd GenerationPartnership Project TR 25.814 V7.0.0, Juin 2006, Valbonne-France

[3] Yannick Bouguen, Eric Hardouin,Franois-Xavier Woff, LTE et les rseaux 4G,

2012, Editions EYROLLES, Paris