57
ENST Algotel 2000 Xavier Lagrange Performances des réseaux cellulaires

Algotel

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Algotel

Citation preview

  • ENST Algotel 2000Xavier Lagrange

    Performances des rseauxcellulaires

  • Sommaire

    Prsentation de l'quipe

    1. Rseau cellulaire et interfrences

    2. Gestion des interfrences

    3. Analyse de performance (tltrafic)

    4. Autres tudes

    5. Conclusion

  • Prsentation de l'quipe

    Accs et mobilit dans les rseaux

    Philippe Godlewski : responsable du groupe

    Maurice Gagnaire (travail sur l'accs dans les rseaux optiques)

    Xavier Lagrange

    Lutfi Nuaymi (ESIB, Beyrouth, Liban)

    Thsards dans le domaine mobile

    Wessam Ajib : allocation de ressources et squencement dans les rseaux GPRS

    Muhammad Kazmi : allocation de ressources et adaptation de liens dans les rseaux UMTS

    Claudiu Mihailescu (avant mars 2000) : allocation de ressources dans les rseaux UMTS

    Constantin Dimou : protocoles de liaisons pour les rseaux UMTS

    1ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 1. Rseau cellulaire et interfrences

    1.1. Rappel sur le concept cellulaire

    Le territoire est divis en cellules, desservies chacune par une station de base, l'ensemblede ces cellules formant un seul rseau (sans que cette division soit perceptible ni unusager du rseau fixe, ni un usager mobile)

    Les mmes canaux de frquence sont rutiliss dans plusieurs cellules selon la capacit dusystme rsister aux interfrences.

    2 objectifs

    Assurer une couverture BS

    mobile

    Rutilisation de ressourceD

    RR

    f 1f 1

    2ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • La propagation en milieu urbain ou rural peut tre approxime (avec des antennesomnidirectionnelles) par :

    Puissance utile reue : C = pe krg ashadow

    Affaiblissement de parcours h (path loss) fonction de la distance rg : coefficient d'attnuation entre 2 et 4 (typ. 3,5)

    h = krg

    Loi alatoire modlisant l'effet de masqueLoi log-normale centre sur 0dB d'cart type 5 7 dB

    ashadow

    Les phnomnes d'vanouissement sont supposs corrigs par des traitementsspcifiques sur la couche physique (saut de frquence et entrelacement, talement despectre,)

    3ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 1.3. Bruit et interfrences

    Signal utile pour mobile 1

    Signal utile pour mobile 2

    Interfrences pour mobile 1

    DBS A BS BMS 1 MS 2

    f1 f1

    On utilise la mme frquence sur deux sites loigns.Diffusion des ondes => interfrences co-canal

    Grandeurs principalesC : Puissance du signal utileI : Ensemble des interfrences (rduites souvent linterfrence co-canal)N : Bruit

    Le rapport Signal sur Bruit sexprime ici comme un rapport C/(I+N)

    Du fait de la rutilisation des frquences : N

  • Chaque systme a un certain C/I de fonctionnementSystmes analogiques : 18 dBGSM : 9 dB

    Plus le seuil est bas, plus deux sites utilisant la mme frquences peuvent tre proches.

    Planification cellulaire pour C/I 18 dB Planification cellulaire pour C/I 9 dB

    D D

    5ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 2. Gestion des interfrences

    2.1. Modle gnral des tudes : le modle hexagonalModle rgulier

    topographie:pas d'obstacle particulier

    pas de sectorisationantennes non directives

    (omnidirectionnelles)

    interface radio :mme puissances mises

    trafic :mme activit dans chaque cellule

    seule interfrence considre :interfrence co-canal

    6ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 2.2. Principe gnral du calcul d'interfrence

    Cas de la voie descendante

    BSk+2BSk BSk+1

    BS0 BS1

    hi,k

    MSi

    Iext

    hi0Iint

    hi,k+1hi,k+2

    Pour le mobile i=0 (et en ngligeant le bruit de fond)C0 = Pe,0,0 a0,0 h0,0Iint,0 = a h0,0

    j BS0,j 0

    d j Pe,j,0 a0,0

    (a est le facteur d'orthogonalit)

    Iext,0 = k K , k 0

    Ptot,k a0,k h0,k.

    C0/Itot,0 =

    a j BS0,j 0

    d j

    Pe,j,0Pe,0,0

    + k K , k 0

    Ptot,k Pe,0,0

    a0,k a0,0

    h0,k h0,0

    1

    7ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Cas de la voie montante sans contrle de puissance

    BSk+2

    BS0 BS1

    BSk

    MSi

    BSk+1

    Iext

    hi0Iint

    hj+1,0

    hj,0 hj+2,0

    Pour le mobile i=0 (et en ngligeant le bruit de fond)

    C0 = PM,0 a0,0 h0,0. Itot,0 = k K

    j BSk,j 0

    d j PM,j aj,0 hj,0.

    C0/Itot,0 =

    k K

    j BSk,j 0

    d j PM,j PM,0

    aj,0a0,0

    hj,0 h0,0

    1.

    8ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Cas de la voie montante avec contrle de puissance

    BSk+2

    BS0 BS1

    BSk

    MSi

    BSk+1

    Iext

    hi0Iint

    hj+1,0

    hj,0 hj+2,0

    Mme puissance reue la station de base venant de tous les mobiles connects

    Pour tous les mobiles j connects la stations de base k PM,j aj,k hj,k = Ccible

    C0/Itot,0 =

    b j BS0,j 0

    d j + k K , k 0

    j BSk

    d j aj,0aj,k

    hj,0hj,k

    1.

    avec b =0 pour le TDMA, b =1 pour un systme TDMA (orthogonalit)d j facteur d'activit moyenne (e.g. 0,45 environ pour une communication vocale)

    9ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 2.3. Cas d'un systme TDMA

    pas d'interfrence interne :orthogonalit parfaite entre utilisateurs d'une mme cellule sur voies montantes etdescendantes=> a=0 sur voie descendante

    C0/Itot,0 =

    k K , k 0

    Ptot,k Pe,0,0

    a0,k a0,0

    h0,k h0,0

    1

    rutilisation des frquences en respectant une distance minimale

    impact sur la rpartition du C/I

    du saut de frquence

    du contrle de puissance

    de la transmission discontinue

    de l'utilisation d'antennes adaptatives

    en gnral, approche par simulation

    10ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Rpartition du C/I sur la voie montante

    28262422201816141210

    0,0

    0,1

    0,2

    0,3

    0,4

    0,5

    0,6

    0,7

    0,8

    0,9

    1,0

    Seuil (dB)

    P(C

    /Is

    euil)

    sans contrlede puissance

    avec contrle de puissance parfait

    Cas dun rseau tri-sectoris avec un motif 12. Attnuation en 1/r3,5. Effet de masquedcart-type 6 dB avec corrlation des masques.

    11ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Rpartition du C/I sur la voie montante

    28262422201816141210

    0,0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1,0

    Seuil (dB)

    P(C

    /Is

    euil)

    sans contrlede puissance

    compensation totalede l'affaiblissement

    compensation partiellede l'affaiblissement

    Lorsquil est activ, le contrle de puissance est suppos parfait.

    Rpartition du C/I avec et sans contrle de puissance sur la voie descendante

    12ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 2.3. Cas d'un systme CDMA

    Interfrence interne sur la voie montante : codes non orthogonaux entre mobiles

    Interfrence interne sur la voie descendante

    nulle dans un systme sans multitrajets

    non nulle dans un systme avec multitrajets (cas rel)

    rutilisation de la mme frquence sur toute la cellule

    utilisation de l'talement

    Seuil Eb/N0 constant pour un taux d'erreur donn (Eb=Energie d'un bit)

    Facteur d'talement W/ri = bande du signal / dbit

    Plus le dbit lev, plus le C/I doit tre fort

    Eb/N0 = Wri

    CI

    13ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Quelques problmatiques en CDMA

    Question principale : comment allouer la puissance ?

    calcul de la capacit thorique dans un systme symtrique (e.g. services vocaux)

    systme limit par la voix montante du fait de l'interfrence interne importante

    importance du contrle de puissance

    calcul de l'interfrence externe

    rpartition optimale de la puissance entre mobiles qui demandent des dbits diffrents

    puissance de la station de base limite

    rpartition de la puissance sur voie descendante entre utilisateurs qui demandent desdbits diffrents

    gestion du soft-handover

    14ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 2.4. Optimisation des dbits sur voie descendante

    Maximiser le dbit total d'une station de base (le revenu de l'oprateur)

    (O) i ri

    Contraintes

    (C1) i Pe,j,0 Pmax (limite de puissance totale sur station de base)

    (C2) ri Ri (dbit minimal assurer)

    (C3) g i G i ( t aux d ' e r reu r )

    Plusieurs statgies

    quit : offrir tous les utilisateurs un dbit gal et suprieur au dbit minimal(" i, rj=r avec r>R)

    Privilge : donner le dbit minimal tous les utilisateurs sauf un privilgi,donner tout le reste au privilgi(si 0 est lutilisateur privilgi : rj=Ri pour i 0 et

    i Pe,j,0 = Pmax)

    Simplification de l'tude : mme dbit Ri pour tous les utilisateurs

    15ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Stratgie d'quit (avec mme dbit pour tous utilisateurs)

    (C3) g i = Wr

    pi hi

    a l =1 ,l 0

    N

    pl hi + Iext,i + N0

    = G

    r-criture de la contrainte C3

    Wr hi pi aG hi l =1 ,l 0

    N

    pl = G ( Iext,i + N0 )

    mise sous forme matricielle ; trouver un vecteur p valeurs positives tel que( I r T ) p = c

    T =

    0 r 1 r 1

    r 1 0 r 1 r 1 r 1 0

    et c = r

    r

    (Iext,1 +N0)/h1 (Iext,2 +N0)/h2

    (Iext,N +N0)/hN

    e t r = W/Ga

    on peut montrer que le dbit maximal est rmax = r /(N1)

    il faut vrifier la contrainte de puissance

    16ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Stratgie de privilge

    toute la puissance de la station de base est utilise

    (C3) g i = Wr

    pi hi a (PtotMax pi )hi + Iext,i + N0

    = G pour i 0

    r-criture de C3 pour le calcul de la puissance en fonction des autres paramtres

    utilisation de contrainte C1

    on peut montrer que le dbit total est maximis si l'utilisateur le plus proche estprivilgi (rsultat trivial)

    Question : que se passe-t-il si on privilgie un autre utilisateur que le plus proche ?

    17ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Comparaison des stratgies

    0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9103

    104

    105

    Stratgie de privilge

    Stratgie d'quitSyst

    em

    Tota

    l R

    ate

    (kb

    /s)

    d0/0.5D1 (distance BS-MS normalise par la demi-distance entre BS)

    la stratgie de privilge reste meilleure lorsque l'utilisateur est moins de 75% de lalimite de la cellule

    concept d'info-stations

    18ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 2.5. Analyse de la macro-diversit

    Rappel sur la macro-diversit

    Soft-handover : passage d'une cellule l'autre sans aucune rupture de lien

    Macrodiversit lien montant: pas de canaux supplmentaires allous selection combining : amlioration de la qualit et de la couverture

    Macrodiversit lien descendant canaux supplmentaires allous: augmentation de linterfrence maximum ratio combining

    Intrt : permet de minimiser la puissance du mobile mme en cas d'vanouissement

    dcalage T1( squence PN

    courte 1)

    dcalage T2( squence PN

    courte 2)

    squence longue du mobile

    19ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Analyse de la macro-diversit

    Principe de macro-diversit (maximum ratio combining) : C/I = C1/I1 + C2/I2

    Puissance totale constante par station de base

    Paramtre du soft handover: Nombre maximal des BS dans lactive set NAS = 2 Marge du soft handover : MSH

    C1/I1 C2/I2

    C/I=C1/I1+C2/I2

    soft h/o si | C1 C2 | marge

    Remarque : le niveau de puissance reu est fonction de la distance et du masque alatoire

    20ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Conditions de soft-handover

    Approximation : les mobiles en soft-handover sur BS0 et BS1 se trouvent dans unlosange entre BS0 et BS1

    BS1BS0

    d0d1

    losange de rfrence

    Probabilit pour un mobile donn d'tre en soft-handover

    p0,1 = Pr Pr1 - MSH < Pr0 < Pr1 + MSH( )

    p0,1 = Q10g logr0,0 r0,1( ) - MSH

    s

    - Q

    10g logr0,0 r0,1( ) + MSHs

    o Q est dfinie par : Q x( ) =12p

    e-u2 2du

    x

    21ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Calcul du nombre d'utilisateurs

    Calcul en fonction de la marge choisie

    Nsuppl =

    r Q

    10g log(r0,0/r0,1) MSH

    s dA

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    soft handover margin MSH (dB)

    Addit

    ional N

    um

    ber

    of

    use

    rs d

    ue t

    o S

    oft

    Handover

    (%)

    Plus la marge augmente plus l'interfrence intracellulaire est importante 22ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Analyse de l'interfrence

    Leffet de linterfrence intra-cellulaire est le mme pour chaque utilisateur a cause dufacteur dorthogonalit

    Leffet de linterfrence inter-cellulaire dpends de manire significative de la position delutilisateur dans la cellule

    Sans macrodiversit: p0 = Prob(Pr0 > Pr1+MSH) Eb/N0 : g 0

    Avec macrodiversit: p0,1 = Prob(Pr1 MSH < Pr0< Pr1 +MSH) Eb/N0 : g 0,1= g 0 + g 1

    Eb/N0 moyen : g = p0 g 0 + p0,1 g 0,1 + p1 g 1

    23ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Impact de la marge sur l'interfrence moyenne

    0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.94

    6

    8

    10

    12

    14

    16

    18

    20

    d0

    SIR

    (dB

    )

    a =0.06r =100

    MSH=0 dBhard-handover

    MSH=4 dB

    MSH=10 dB

    d0

    Distance = 1

    24ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Impact de la marge sur l'interfrence la plus faible

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

    -5

    0

    5

    10

    15

    wors

    t SIR

    (dB

    )

    marge de handover MSH (dB)

    r = 100

    r = 200

    r = 300

    r = 50

    r = 400

    S'il y a trop de mobiles en macro-diversitn, la capacit du systme est rduite

    25ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Conclusion et perspectives

    L'allocation de ressources en CDMA consiste principalement rpartir astucieusementla puissance entre utilisateurs

    en fonction de la distance avec la (ou les) station de base en fonction du service demand

    Il semble qu'il vaut mieux partager en temps la puissance plutt qu'en code

    On retrouve des problmes d'optimisation (linaire ou non)

    Etudier les politiques avec des dbits diffrents

    Introduction de l'accs paquet et du contrle d'admission

    26ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 3. Analyse de performance (tltrafic)

    Concept cellulaire

    Maillage de la zone couvrir par des stations de base

    Utilisation du concept cellulaire :

    allocation des frquences suivant un motif rgulier dans un systme homogne

    Densification progressive par sectorisationsubdivision des cellules.

    omni sectorisation subdivision(splitting)

    27ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Limitation de la densification macro-cellulaire

    Zone trs dense : cellules de trs petite taille

    Macrocellule de service

    Macrocellule interfrente

    absence devue directe

    vue directe

    f1f1

    Si la taille des cellules diminue,la possibilit de trajet en vue directe augmente => le C/I diminue

    28ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Dploiement micro-cellulaire

    microcellule

    LOSLOS LOS

    microcellule microcellule

    LOS = vue directe

    absence de vue directe

    Antennes largement en dessous du niveaudes toits

    Puissance rayonne faible : metteur 2 Wantennes gain moyen

    Effet coin de rue BTS

    puissance recue Macro-cellule

    Micro-cellule

    temps

    29ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Rseau hirarchique

    Installer, sur les zones fort trafic, des micro-cellules pour couler la charge[Lag97]

    Garder une couverture par des macro-cellules

    pour assurer facilement la continut de la couverture

    pour accueillir les mobiles se dplaant une vitesse leve.

    couche microcellulaire

    couche macrocellulaire

    Macro-cellule

    Cellule parapluie

    Umbrella cell

    30ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Problmes lis aux rseaux hirarchiques

    Planification cellulaire

    f1 f2

    C

    f4 f1 f4

    Rutilisation des frquences de la couche macro dans la couche micro

    Interfrences canal adjacent

    Seuils de handover

    Algorithmes d'affectation des terminaux une couche en fonction de la vitesse 31ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Dimensionnement

    Ressource

    Couche macro

    Couche micro

    Couche macro

    Couche micro

    Ressource

    Comment rpartir les ressources pour couler unecharge donne?

    32ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Dimensionnement

    Quelle stratgie de handover utiliser ?

    Utilisation des macro-cellules comme vase de dbordement ?

    Possibilit de faire des handover macro-cellule vers micro-cellule (rversibilit) ?

    hand-overhand-over

    dbordement dbordement retour

    hand-over

    Comment calculer la qualit de service ?

    Modle analytique de calcul de performance sur des configurations rgulires

    33ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Gestion des terminaux dans le cas de GSM

    Objectifs : affecter les terminaux rapides la couche macro-cellulaire

    Deux possibilits (parmi d'autres)

    Favoriser le positionnement en veille des terminaux lent sur les petites cellules

    Forcer tous les mobiles sur la macro-cellule et transfrer en dbut de communicationles mobiles lents vers la micro-cellule

    Hypothse de l'tude thorique : affectation parfaite des terminaux la couchecorrespondante

    34ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Modlisation des appels

    Arrive des appels, des handover => Processus de Poisson (inter-arrive exponentielle)dans une cellule

    Communications => Loi exponentielle (paramtre m )

    Dure de prsence dans une cellule =>Loi exponentielle (paramtre a )

    q =a /m

    probability

    handover towards other cells

    lH

    handover from other cells

    l releasenew call

    failure 1q = m /m

    m = a + m~

    ~

    ~

    Session : pour un mobile fix, partie d'une communication dans une cellule donne

    Dure de session => Loi exponentielle (paramtre m +a )

    Probabilit de handover q = a /(m +a )

    35ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Principes des tudes de performances pour les rseaux cellulaires

    Rseau cellulaire = ensemble de systmes perte

    Indpendance statistique entre serveurs

    handover l 12Hl 12H

    cell 1 cell 2 cell 1 cell 2l 21H

    l 21H

    Equation d'quilibre des flux : taux de handover "sortie" de la cellule i la cellule j= taux de handover "entre" de la cellule i la cellule j

    36ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Modle pour les rseaux hirarchiques (1/2)

    Deux types de terminaux : pitons vitesse lente

    vitesse = 3 km/hvhicules vitesse

    rapidevitesse = 30 km/h

    Affectation parfaite possible par le rseau si ncessaire

    pitons sur la micro-cellule

    vhicules sur la macro-cellule

    Deux catgories de rseaux

    dbordement

    Non-Rversible

    dbordement retour

    Rversible

    37ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Modle pour les rseaux hirarchiques (2/2)

    Hypothse d'indpendance statistique des handovers entre les micro-cellules

    21

    l HP

    l HP

    l P

    l HUV

    l UV

    l HUV

    N

    l HP

    l HP

    l P l HP

    l HP

    l P

    Umbrella cell

    microcells

    Probabilit de handover pour les pitons dans la couche micro = q P

    pour les vhicules dans la couche macro = q UV(U=Umbrella)

    Equilibre des flux

    38ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Rseaux non rversibles : analyse de la couche micro

    Analyse de la couche micro-cellulaire [Lag95] [Lag98a]

    Dtermination de la probabilit de perte dans les micro-cellules

    Dtermination du taux de dbordement vers la couche macro-cellulaire

    lHP

    vers couche macro (umbrella)

    autresmicrocellules

    lP

    appel

    vers autres micro-cellules

    fin decommuni-cations

    (1-pB)q P( l P+l HP)

    microcellule

    q P

    1-q P

    pB( l P+l HP)

    39ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Rseaux non rversibles : processus de dbordement

    Equilibre des flux crit sur les taux moyens (approximation un processus de Poisson)

    Probabilit de blocage : dbordements modliss suivant un processus de Poissonmodul par une chane de Markov (MMPP, Modulated Markov Poisson Process)

    fin de communications

    vers autres cellules

    MMPP

    macro-cellule

    handover des vhicules venant de macrocellules

    nouveaux appels vhicules

    approximation un flux poissonien

    dbordement d'une micro-cellule

    handover de pitons venant de macrocellules

    MMPP IPP

    40ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Rseaux rversibles : modlisation

    Une session en dbordement est reprise par la couche micro-cellulaire ds qu'uneressource (qui peut accueillir la communication) se libre [Lag98b] [Lag99]

    dbordement micro 1

    sessions vehicules

    1 2 3

    cU

    Compactage maximum dans la couche micro-cellulaire :

    Il y a dbordement si et seulement si le nombre de pitons en communication dans lacouverture d'une micro-cellule est suprieur au nombre de canaux de cette micro-cellule

    41ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Exemple de processus de Markov

    0,1,0 0,2,0

    0,0,1 0,1,1 0,2,1

    0,7,0 0,8,0

    0,7,1 0,8,1

    0,0,7 0,1,7 0,2,7 0,7,7 0,8,7

    0,9,0

    0,9,1

    0,9,7

    0,0,8 0,1,8 0,2,8 0,7,8 0,8,8

    0,0,0 0,1,9 0,2,9 0,7,9

    1,0,0

    0,0,0

    2,0,0

    3,0,0

    5,0,0

    6,0,02 possible overflows

    1 possible overflow

    no possible overflow

    micro 1s1

    micr

    o 2

    s2s0

    s0

    s1s2

    42ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Equilibre du processus de Markov

    Etats non nuls : Sf O s1, sN,sN+ 1( ) = maxsi - ci,0( )

    i = 1

    N cO dbordement limit cO

    f s0,s1, sN,sN + 1( ) = s0 + maxsi - ci,0( ) + sN + 1 cUi = 1

    N pas plus de cU terminaux dans une macro

    Equations d'quilibre

    p (s) = P (0)r 0

    UV( ) s0s0!

    r i

    P( ) sisi!

    i = 1

    N

    .r i

    P( ) sN + 1sN + 1!

    pour s S

    avec

    P (0)-1 =r 0

    UV( ) s0s0!

    r i

    P( ) sisi!

    i = 1

    N

    .r

    N + 1P( ) sN + 1sN + 1!s S

    Probabilit de pertes sur la cellule ipFi

    P = p (s0, ,si, sN) si ci

    f O s( ) = cO

    43ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Problme li aux formes produits

    Nombre dtats explosif

    pour une configuration exemple

    le nombre dtats peut tre valu

    ordre de grandeur 10 (10+10)7 =12,8 109

    1 7

    23

    4

    5 6

    macro-cellule 0

    10 canaux

    10 canaux

    pas de limitation du dbordement

    Approches possibles

    Systmes irrguliers :mthode de Monte-Carlo : calcul approch par tirage alatoire des tats

    et calcul du nombre dtats bloquants

    Systmes rguliers :utilisation des symtries : calcul exact en rduisant les tats identiques

    programmation rcursive12,8 109 tats => 412 tats

    44ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Indicateurs de performance

    Grade of service : GoS

    Probabilit d'chec d'un appel (appel frais) : PB

    Probabilit d'interruption de communication (call interruption probability) : PD

    GoS = g PB + (1g ) PD avec g = 0.1

    Nombre moyen de handover pendant un appel

    pitons : micro -> micro ou micro -> macromacro -> micro (retour ou taking back)

    vehicule : macro -> macro

    45ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Configuration de rfrence

    80 % 20 %

    3 km/h 30 km/h

    Planification complte et spare couche micro et couche macro (plus petif motif dans lacouche micro-cellulaire)

    cU channels

    c c

    cc

    400m

    Ressource + Ressource = Ress. micro macro totale

    homogen t homothtie

    c K/KU+ cU = 30

    Capacit = charge maximale (vhicules + pitons) par surface de micro-cellule telle que

    GOS pitons et GOS vhicule 1%

    46ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Probabilit de perte et d'interruption de communication

    pedestrian blocking

    pedestrian dropping

    vehicle blocking

    vehicle dropping

    7,57,06,56,05,55,04,54,03,53,0

    10-6

    10-5

    10-4

    10-3

    10-2

    10-1

    pro

    babili

    ty

    total load per microcell area (Erlang)

    Analyse et simulation donnent des rsultats trs proches 47ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Optimisation du partage de ressource

    Configuration : 4 micro-cellules = 1 macro-cellulec canaux micro et cU = 30c/2 canaux macro

    Capacit Handover

    3028262422201816141210864

    7

    8

    9

    10

    11

    12

    13

    14

    15

    16

    number of channels per microcell

    capaci

    ty (

    Erl

    ang) reversible

    network

    non reversiblenetwork

    30282624222018161412108640,0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1,0

    1,2

    1,4

    1,6

    number of channels per microcell

    mean

    nu

    mb

    er

    of

    han

    dove

    r

    vehicle (non rev. and reversible systems)

    taking back(reversible systems)

    pedestrians(reversible systems)

    pedestrians(non reversible systems)

    48ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Optimisation du partage de ressource

    Configuration : 4 micro-cellules = 1 macro-cellulec canaux micro et cU = 30c canaux macro

    (mme motif pour micro et macro)

    Capacit Handover

    20181614121086425

    6

    7

    8

    9

    10

    11

    non reversible system

    reversible system

    number of channels per microcell

    capaci

    ty (

    Erl

    ang)

    20181614121086420,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    mean n

    um

    ber

    of

    handover

    vehicle (non rev. and reversible systems)

    taking back(reversible systems)

    pedestrians(reversible systems)

    pedestrians (non rev. sys)

    number of channels per microcell

    49ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Conclusions de l'tude sur les rseaux hirarchiques

    Modlisation des rseaux cellulaires hirarchiquesapplicable dans les rseaux non rguliersutilisable pour diffrents types de stratgie de handover

    Modle approch pour les rseaux rversiblesutilisable pour diffrentes configurations (y compris avec de nombreux canaux)incluant le calcul de GoS et du nombre moyen de handover

    Comprhension de linterfonctionnement des couches dun point de vue tltrafic pur

    un petit nombre de micro-cellules par macro-cellule semble un bonne solution

    les rseaux hirarchiques noptimisent pas ncessairement la capacit dans unsystme homogne mais rduisent le nombre de handover pour les vhicules

    il est ncessaire de mettre en place un contrle dadmission pour optimiser lacapacit et quilibrer les qualits de services vhicules/pitons

    50ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 4. Autres tudes

    4.1. Le concept de bunch (bouquet de cellules)

    bunch

    zone

    CU

    RAU

    bunch

    inter-bunch linkintra-bunch link

    CU

    CU : Central Unit RAU : Remote Antenna Unit

    => mcanismes d'allocation de ressources dans les systmes TDMA/CDMA

    51ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 4.2. Etude de la couche RLC/MAC en GPRS

    Travail de W. Ajib, encadr par P. Godlewski

    SNDCP

    LLC

    RLC

    MAC

    PLL

    Phy RF

    Network

    SNDCP

    LLC

    RLC

    MAC

    PLL

    Phy RF

    GGSNPDP (= IP,X25, )

    MS

    core network+

    BSS

    Protocole RLC (Radio Link Control) = liaison de donnes adapte aux caractristiquesde l'interface radio

    Protocole MAC (Medium Access Control) = partage de la ressource radio

    52ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Recherche sur RLC

    Amlioration du protocole d'acquittement et proposition d'un protocole hybrideARQ/FEC additionnel au protocole propos actuellement

    Recherche sur MAC

    Gestion du partage des canaux physiques entre circuits et paquets

    Rpartition des mobiles entre les diffrents canaux physiques utiliss en mode paquets

    Partage de la ressource sur un groupe de canaux physiques entre mobiles diffrents(Squencement )

    Mobiles multislot Contraintes physiques sur le mobile

    53ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • 5. Conclusion

    Grande diversit de services avec l'UMTS,

    Augmentation de la densit de trafic couler

    Le dploiement, la configuration et l'optimisation des rseaux CDMA pour la 2megnration sont dj complexes !

    Optimisation des dbits avec des caractristiques de services diffrentes

    Mode paquet et rseaux CDMA (gestion des interfrences, contrle d'admission,)

    L'allocation de ressources radios est encoreun large domaine d'tudes

    54ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000

  • Rfrences[FGM93] G.J. Foschini, B. Gopinath, Z. Miljanic, "Channel Cost of Mobility," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol

    42,n4, pp. 414-424, 1993.

    [Gu87] R.A. Gurin, "Channel Occupancy Time Distribution in a Cellular Radio System," IEEE Transactions on VehicularTechnology, Vol 35,n3, pp. 89-99, 1987.

    [HOR86] D. Hong, S.S. Rappaport, "Traffic Model and Performance Analysis for Cellular Mobile Radio Telephone Systems withPrioritized and Nonprioritized Handoff Proce-dures," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol 35,n3, pp. 77-92, 1986.

    [LaG95] X. Lagrange, P. Godlewski, "Teletraffic analysis of a hierarchical cellular network," Proceedings of the IEEE VehicularTechnology Conference, Chicago, USA, 1995,

    [Lag97] X. Lagrange, "Multi-tier Cell Design," IEEE Communications Magazine, Vol 35,n8, pp. 60-64, 1997.

    [Lag98a] X. Lagrange - Analyse de performances des rseaux cellulaires hirarchiques , Thse ENST (98E009) soutenue le11 mai 1998. Jury : B. Jabbari, P. Humblet, J. Zander, Ph. Jacquet, P. Godlewski.

    [Lag98b] X. Lagrange, "Teletraffic analysis of reversible hierarchical cellular networks" in Multiaccess, Mobility and Teletraffic, Vol3, K. Leung and B. Vojcic (Editors), Kluwer Academic Publisher, 1999.

    [Lag99] X. Lagrange, "Performance of reversible and non reversible hierarchical cellular networks", Proceedings of the 3rdEuropean Personal Mobile Communications Conference, Paris, France, Mars 1999.

    [Lag 00a] X. Lagrange, "Distribution du rapport signal-interfrence dans un rseau cellulaire rgulier" (Cumulative distribution ofthe Carrier-to-Interference ratio in regular cellular networks), rapport interne ENST 2000D001, Paris, 2000.

    [Lag 00b] Xavier Lagrange, Claudiu Mihailescu, Capacit cellulaire des systmes radiomobiles , Mise en uvre des rseauxradiomobiles, ouvrage coordonn par Xavier Lagrange, Herms Science, parution en mars 2000.

    [McM91] D. McMillan, "Traffic Modelling and Analysis for Cellular Mobile Networks" in Teletraffic and Datatraffic in a Period ofChange, A. Jensen, V. B. Iversen Eds. (Elsevier Science Publishers, 1991), pp. 627-632.

    [TGM88] R. Thomas, H. Gilbert, G. Maziotto, "Influence of the Moving of the Mobile Stations on the Performance of a Radio MobileCellular Network," Proceedings of the Nordic Seminar on Digital Land Mobile Radio Communications, 1988.

    [Mih 00] C. Mihailescu, Gestion des ressources radio pour les systmes radio-mobiles de troisime gnration , ThseSoutenue le 17 mars 2000, ENST.

    55ENST - X. Lagrange Performances des rseaux cellulaires - Algotel 2000