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N° d’ordre : 16/ IRS /TCO Année Universitaire : 2015 / 2016
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
----------------------
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
-----------------------
MENTION TELECOMMUNICATION
MEMOIRE
En vue d’obtention
DU DIPLÔME de MASTER
Titre : Ingénieur
Domaine : Sciences de l’Ingénieur
Mention : Télécommunication
Parcours : Ingénierie des Réseaux et Systèmes (IRS)
Par : RANAIVOSON Andriantsoa Safidiniaina Sylvain
ANNULATION D’INTERFERENCE DL ENTRE
MACRO ET FEMTO CELLULE DANS LE RESEAU
HETNET LTE-A
Soutenu le 11 avril 2017 devant la Commission d’Examen composée de :
Président :
M. RANDRIAMITANTSOA Andry Auguste
Examinateurs :
Mme RAMAFIARISONA Malalatiana
Mme ANDRIANTSILAVO Haja
M. ANDRIAMANALINA Ando
Directeur de mémoire :
M. RASAMOELINA Jacques Nirina
i
REMERCIEMENTS
Tout d’abord, j’aimerais remercier le Seigneur de m’avoir toujours donné la force et la santé de
mener à bien la réalisation de ce travail de projet de recherche.
J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur RAMANOELINA Panja, Professeur Titulaire,
Président de l’Université d’Antananarivo, ainsi qu’à Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon,
Professeur Titulaire, Responsable du Domaine Sciences de l’Ingénieur de l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo. Puis j’adresse mes sincères remerciements à Monsieur
RAKOTOMALALA Mamy Alain, Maître de Conférences à l’Ecole Supérieure Polytechnique
d’Antananarivo et responsable de la mention Télécommunication.
Je tiens aussi à exprimer ma profonde et très sincère reconnaissance à Monsieur RASAMOELINA
Jacques Nirina, Assistant d’Enseignement et de Recherche, au sein du département
Télécommunication qui, en tant que Directeur de ce mémoire, s’est toujours montré à l'écoute et qui
n’a cessé de me prodiguer de précieux conseils tout au long de sa réalisation.
Je tiens aussi à remercier Monsieur RANDRIAMITANTSOA Andry Auguste, Maître de
Conférences, qui m’a fait l’honneur de présider les membres du Jury de ce mémoire. Je témoigne
toute ma reconnaissance aux membres du jury qui ont voulu examiner la rédaction de ce travail à
savoir :
- Madame RAMAFIARISONA Malalatiana, Maître de Conférences ;
- Madame ANDRIANTSILAVO Haja, Assistante d’Enseignement et de Recherche ;
- Monsieur ANDRIAMANALINA Ando, Maître de Conférences ;
J'adresse tout naturellement mes remerciements à tous les Enseignants de l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo, qui nous ont formés durant ces cinq années d’études.
Enfin, j’exprime ma très grande gratitude envers tous les membres de ma famille de m’avoir
soutenue moralement et financièrement pour la réalisation de ce mémoire, et aussi à tous ceux qui
ont contribué à la réalisation de ce mémoire.
ii
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ...................................................................................................................................... i
TABLE DES MATIERES ............................................................................................................................ ii
NOTATIONS ET ABREVIATIONS ........................................................................................................... v
INTRODUCTION GENERALE .................................................................................................................. 1
CHAPITRE 1 : LE RESEAU 4G LTE ....................................................................................................... 2
1.1 Introduction ......................................................................................................................................... 2
1.2 Les exigences pour le LTE .................................................................................................................. 2
1.3 Architecture de réseau LTE ............................................................................................................... 3
1.3.1 Le réseau d’accès E-UTRAN ....................................................................................................... 3
1.3.2 L’interface S1 ................................................................................................................................ 4
1.3.3 L’interface X2 ............................................................................................................................... 5
1.3.4 EPC ............................................................................................................................................... 5
1.3.5 Le MME ........................................................................................................................................ 6
1.3.6 Le P-GW ........................................................................................................................................ 6
1.3.7 Le S-GW ........................................................................................................................................ 6
1.3.8 Le HSS .......................................................................................................................................... 6
1.3.9 Le PCRF ........................................................................................................................................ 7
1.3.10 L’eNodeB .................................................................................................................................... 7
1.4 L’interface radio du réseau 4G LTE ................................................................................................. 7
1.4.1 Rappels sur le canal radio ............................................................................................................ 7
1.4.2 Mode de propagation .................................................................................................................... 7
1.4.3 Interférence, qualité de canal et débit .......................................................................................... 8
1.5 La pile protocolaire des interfaces radio du réseau 4G LTE .......................................................... 9
1.5.1 La couche physique .................................................................................................................... 10
1.5.2 La couche 2 ................................................................................................................................. 10
1.6 La structure d’une trame LTE ........................................................................................................ 13
1.7 Mode de duplexage............................................................................................................................ 14
1.7.1 Le duplexage en fréquence ou Frequency Division Duplex (FDD) ......................................... 14
iii
1.7.2 Le duplexage en temps ou Time Division Duplex (TDD).......................................................... 15
1.8 Les technologies utilisées par le 4G LTE ........................................................................................ 15
1.8.1 OFDM ......................................................................................................................................... 16
1.8.2 MIMO .......................................................................................................................................... 16
1.9 Conclusion ......................................................................................................................................... 17
CHAPITRE 2 LE RESEAU LTE-A ET HETNET (HETEROGENEOUS NETWORK) .................... 18
2.1 Introduction ....................................................................................................................................... 18
2.2 Le système LTE-Advanced .............................................................................................................. 18
2.2.1 Le rôle de l’IMT-Advanced ........................................................................................................ 18
2.2.2 Les spécifications du système IMT-Advanced ........................................................................... 19
2.2.3 Les caractéristiques du système LTE-Advanced ........................................................................ 21
2.2.4 Les technologies clés de LTE-Advanced .................................................................................... 23
2.3 Le réseau HetNet LTE ...................................................................................................................... 27
2.3.1 Concept de petite cellule ............................................................................................................. 29
2.3.2 Caractéristiques de l’émetteur-récepteur ................................................................................... 30
2.3.3 Scénarios des interférences dans le réseau HetNet ................................................................... 30
2.3.4 Nouvelles catégories d’UE.......................................................................................................... 31
2.3.5 L’eICIC basées sur l’agrégation de porteuses ........................................................................... 33
2.3.6 L’eICIC dans le domaine temporel ............................................................................................ 34
2.4 Conclusion ......................................................................................................................................... 36
CHAPITRE 3 ANNULATION D’INTERFERENCE DL DANS UN RESEAU HETNET LTE-A ..... 37
3.1 Introduction ....................................................................................................................................... 37
3.2 Déploiement de cellule femto ........................................................................................................... 37
3.2.1 Définition .................................................................................................................................... 37
3.2.2 Avantages .................................................................................................................................... 37
3.2.3 Fonctionnement .......................................................................................................................... 38
3.2.4 Architecture ................................................................................................................................. 39
3.3 Le modèle du système ....................................................................................................................... 41
iv
3.4 Principe de la stratégie d’annulation de l’interférence DL ........................................................... 42
3.4.1 Principe de base .......................................................................................................................... 43
3.4.2 La première stratégie .................................................................................................................. 44
3.4.3 La deuxième stratégie ................................................................................................................. 45
3.4.4 La troisième stratégie .................................................................................................................. 46
3.5 Implémentation des stratégies .......................................................................................................... 51
3.6 Conclusion ......................................................................................................................................... 52
CHAPITRE 4 SIMULATION SOUS MATLAB ...................................................................................... 53
4.1 Introduction ....................................................................................................................................... 53
4.2 Objectif de la simulation................................................................................................................... 53
4.3 Scénario .............................................................................................................................................. 53
4.4 Paramètres de simulation ................................................................................................................. 55
4.5 Présentation de l’interface utilisateur du simulateur .................................................................... 55
4.6 Discussion des résultats de la simulation ........................................................................................ 57
4.6.1 La stratégie 1 ............................................................................................................................... 57
4.6.2 La stratégie 2 ............................................................................................................................... 59
4.6.3 La stratégie 3 ............................................................................................................................... 62
4.6.4 Optimisation de la stratégie d’annulation d’interférence ......................................................... 65
4.6.5 Comparaison des 3 stratégies ..................................................................................................... 77
4.7 Conclusion ......................................................................................................................................... 77
CONCLUSION GENERALE .................................................................................................................... 78
ANNEXES .................................................................................................................................................... 79
FICHE DE RENSEIGNEMENT ............................................................................................................... 85
RESUME ...................................................................................................................................................... 86
ABSTRACT ................................................................................................................................................. 86
v
NOTATIONS ET ABREVIATIONS
1. Minuscules latines
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 Coefficient d annulation
𝑑 Distance
𝑓1 Porteuse 𝑓1
𝑓2 Porteuse 𝑓2
𝑖(𝑢) Cellule 𝑖(𝑢)
𝑗 Station de base voisine
𝑟 Ressourse bloc r
𝑢 Usager
2. Majuscules latines
𝐴 Constante
𝐵 Constante
𝐵 Largeur de bande de la transmission (en Hz)
𝐶 Débit maximale
𝐶𝑢 Fonction de coût
𝐷𝑓𝑓 Distance en mètre entre Femto BS et femto MS
𝐷𝑚𝑓 Distance en mètre entre Macro BS et femto MS
Ju Ensemble cellules interférentes
L Ensemble usager
Lf Usager FUE
𝐿𝑖𝑤 Perte de pénétration du mur intérieur, 𝐿𝑖𝑤
𝐿𝑜𝑤 Perte de pénétration du mur extérieur, 𝐿𝑜𝑤
Lm Usager MUE
𝐿𝑀,𝑖(𝑢),𝑟 Modélise le gain d’antenne ainsi que la propagation du pathloss
𝐿𝑆,𝑖(𝑢),𝑟 Evanouissement causé par les obstacles du trajet
𝑃(𝑑) Perte de propagation
𝑃𝑖(𝑢),𝑟,𝑡𝑥 Puissance de transmission de la cellule 𝑖(𝑢) dans le RB 𝑟
𝑃𝑗,𝑟,𝑡𝑥 Puissance de transmission de la cellule voisine
𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 Puissance reçue dans le RB 𝑟
vi
𝑃𝑢,𝑗,𝑟 Puissances interférentes reçues
𝑃𝑢,𝑘,𝑟 Somme des puissances interférentes reçues
Um,u 𝑈𝑢 max
𝑈𝑛𝑒𝑡,𝑢 Fonction d’utilité nette
𝑈𝑢 Fonction d’utilité
𝑈𝑢,𝑚′ Dérivée fonction d’utilité
𝑊 Bande de fréquence
3. Minuscules grecques
𝛼 Paramètre à fixer
𝛼𝑚 Paramètre qui contrôle la pente de la fonction d’utilité
𝛾𝑢,𝑟 SINR
𝛾𝑢
Maximise la fonction 𝑈𝑛𝑒𝑡,𝑢
𝜎𝑢,𝑟 Bruit récepteur
𝑣𝑢 Nombre de cellules interférentes
4. Majuscules grecques
𝛽 Paramètre de coût
𝛽𝑓 Paramètre 𝛽 correspondant à l’usager FUE
𝛽𝑚 Paramètre 𝛽 correspondant à l’usager MUE
5. Abréviations
2G Deuxième Génération
3G Troisième Génération
4G Quatrième Génération
3GPP 3rd Generation Partnership Project
ABS Almost Blank Subframes
ACK Acknowledgement
ADSL Asymetric Digital Subscriber Line
ARQ Automatic Repeat Request
AUC Authentification Center
BLER Block Error Rate
vii
BSC Base Station Controller
CA Carrier Aggregation
C/I Carrier to interference
CMC Connection Mobility Control
CoMP Coordinated Multi-Point Transmission and Reception
CS Circuit Switched
CQI Channel Quality Indicator
CRS Cell Specific Reference Signal
DCH Dedicated Channel
DeNB Donor eNode B
DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications
DL Downlink
DRA Dynamic Resource Allocation
DSL Digital Subscriber Line
eNB eNodeB
E-DCH Enhanced DCH
EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution
eICIC Enhanced ICIC
EIR Equipment Identity Register
EPC Evolved Packet Core
EPS Evolved Packet System
ETSI European Telecommunications Standards Institute
E-UTRAN Evolved-UTRAN
FDD Frequency Division Duplexing
FEC Forward Error Correction
FUE Femto UE
GPRS General Packet Radio Service
GPS Global Positioning System
GSM Global System for Mobile Communication
GW Gateway
HARQ Hybrid Automatic Repeat Request
HeNB Home e-NodeB
viii
HetNet Heterogeneous Network
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
HSPA High Speed Packet Access
HSS Home Suscriber Service
ICIC Inter-cell Interference Coordination
IMSI International Mobile Subscriber Identity
IMT International Mobile Telecommunication
IP Internet Protocole
ITU International Telecommunication Union
LB Load Balancing
LTE Long Term Evolution
LTE-A LTE-Advanced
MAC Medium Access Control
MATLAB Matrix Laboratory
MeNBs Macro eNodeB
MIMO Multiple-Input Multiple-Output
MME Mobility Management Entity
MS Mobile Station
MUE Macro UE
MU-MIMO Multi User-MIMO
NAK Negative-Acknowledgement
NSS Network Sub System
OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
OSI Open Systems Interconnection
PCFICH Physical Control Format Indicator Channel
PCRF Policy and Charging Rules Function
PDCCH Physical Downlink Control Channel
PDCP Packet Data Compression Protocol
PDN Packet Data Network
PDSCH Physical Downlink Shared Channel
PDU Packet Data Unit
P-GW PDN GateWay
ix
PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel
PLMN Public Land Mobile Network
PS Packet Scheduling
PSK Phase Shift Keying
PTM Point to Multipoint
PTP Point to Point
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QoS Quality of service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RAC Radio admission Control
RB Resource Blocks
RBC Radio Bearer Control
RLC Radio Link Control
RN Relay Node
RNC Radio Network Controller
RRC Radio Resource Control
RRM Resource Radio Management
RSRP Reference Signal Received Power
RSRQ Reference Signal Received Quality
SAE System Architecture Evolution
SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division Multiple Access
SDMA Space Division Multiple Access
SDU Service Data Unit
S-GW Serving-GetWay
SINR Signal to Interference and Noise Ratio
SMS Short Message Service
SON Self Organizing Network
SU-MIMO Single User-MIMO
TDD Time-Division Duplex
TTI Transmission Time Interval
UE User Equipement
UIT Union Internationale des Télécommunications
x
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
UL Uplink
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network
VoIP Voice over IP
Wifi Wireless Fidelity
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
1
INTRODUCTION GENERALE
D'énormes efforts ont été déployés au cours des dernières années à façonner la quatrième génération
(4G) de réseaux sans fil pour améliorer l'expérience d’utilisateur grâce à une forte connectivité
cellulaire et grande qualité du service. Une caractéristique importante des réseaux 4G est
l'intégration des différents réseaux hétérogènes sous le nom de HetNet (Heterogeneous Network).
Avec la croissance exponentielle de la demande de trafic au cours des dernières années, les réseaux
hétérogènes (HetNet) sont envisagés comme les principaux catalyseurs de capacité et d'amélioration
de la performance au moyen d'augmenter l'efficacité spectrale par unité de surface.
L’augmentation de la demande exigent de plus en plus une meilleure qualité de service, ainsi qu’une
vaste couverture caractérisée par un fort signal, spécifiquement dans les zones à faible couverture
telles qu’une résidence ou une entreprise. Cependant, on ne peut pas négliger l'interférence entre le
macro cellule et les petites cellules (pico et femto cellule), ces petites cellules risquent de générer
des scénarios d’interférence qui peuvent avoir un impact négatif sur la qualité de service offerte aux
clients. Pour cela il faut introduire des stratégies pour réduire l’interférence entre cellules.
Les techniques d’annulation qu’on propose dans ce travail a pour objectif de concevoir des
stratégies pour que le récepteur puisse sélectionner les puissances des signaux interférents et de
l’annuler de façon optimale.
Dans ce mémoire, le premier chapitre présente un aperçu du réseau LTE, on parlera plus
précisément l’architecture, interface radio et les technologies utilisés dans le réseau LTE.
Le second chapitre expose le réseau LTE-Advanced dans lequel on parlera des caractéristiques,
technologies clé et du concept de réseau hétérogène (Hetnet).
Dans le troisième chapitre, on présentera en détail la gestion d’interférence et le développement
mathématique de notre travail. Dans cette partie, on va tout d’abord parler du déploiement du femto
cellule, des avantages, du fonctionnement et de l’architecture. Ensuite on va entamer les principes
des stratégies d’annulation d’interférence et de l’implémentation des stratégies.
Le quatrième et dernier chapitre sera consacré à la simulation sous MATLAB. Tout d’abord on va
présenter le logiciel MATLAB, on va ensuite exposer les interfaces utilisateurs du simulateur qu’on
a conçu, on va discuter et interpréter les résultats de la simulation avec une comparaison des trois
stratégies qu’on a proposé.
2
CHAPITRE 1
LE RESEAU 4G LTE
1.1 Introduction
Le LTE a été envisagé dès novembre 2004 comme l’évolution à long terme de l’UMTS (d’où son
nom de Long Term Evolution), lors d’un atelier organisé par le 3GPP appelé Future Evolution
Workshop. Cette évolution était alors destinée à maintenir la compétitivité de l’UMTS sur un
horizon de dix ans et au-delà
La technologie LTE ou la 4G s'appuie sur un réseau de transport à commutation de paquet IP. Elle
n’a pas prévu de mode d'acheminement pour la voix, autre que la VoIP, contrairement à la 3G qui
transporte la voix en mode circuit.
1.2 Les exigences pour le LTE
La première étape des travaux de normalisation du LTE consista à définir les exigences que ce
dernier devait satisfaire. En synthèse, l’objectif majeur du LTE est d’améliorer le support des
services de données via une capacité accrue, une augmentation des débits et une réduction de la
latence. [1]
La mise en place du réseau LTE avait pour objectif de satisfaire aux exigences suivantes :
- D’une part, un pic instantané du débit descendant des données doit atteindre 100 𝑀𝑏/𝑠 pour
une allocation spectrale de la liaison descendante (DL) de 20 𝑀𝐻𝑧. D’autre part, un pic
instantané du débit ascendant de l’ordre de 50 𝑀𝑏/𝑠 doit être atteint pour la même allocation
spectrale de la liaison ascendante (UL).
- Une latence du plan de contrôle inférieure à 100 𝑚𝑠.
- Une latence du plan usager inférieur à 5 𝑚𝑠.
- Au moins 200 utilisateurs par cellule doivent être pris en charge dans l’état actif pour une
allocation spectrale allant jusqu’à 5 𝑀𝐻𝑧.
- Un débit DL moyen par usager par 𝑀𝐻𝑧 3 𝑜𝑢 4 fois supérieure à celui de la version 6
HSDPA et un débit UL moyen par usager par 𝑀𝐻𝑧 2 𝑜𝑢 3 fois supérieure à celui de la
version 6 Enhanced Uplink.
- L’efficacité spectrale DL (bits/s/Hz/site) doit être 3 ou 4 fois supérieur à celle de la version
3
6 HSDPA. De plus, une efficacité spectrale UL (bits/s/Hz/site) 2 ou 3 fois supérieure à celle
de la version 6 Enhanced Uplink doit être assurée.
- Une vitesse du mobile entre 15 𝑒𝑡 120 𝐾𝑚/ℎ doit être supportée avec une meilleure
performance. De plus, la mobilité entre les cellules du réseau doit être maintenue pour une
vitesse du mobile entre 120 𝑒𝑡 350 𝐾𝑚/ℎ.
- Le réseau doit fonctionner dans des allocations spectrales de tailles différentes, y compris
1,25 𝑀𝐻𝑧, 1,6 𝑀𝐻𝑧, 2,5 𝑀𝐻𝑧, 5 𝑀𝐻𝑧, 10 𝑀𝐻𝑧, 15 𝑀𝐻𝑧 et allant jusqu’à 20 𝑀𝐻𝑧, à la
fois sur le lien UL et le lien DL. [2]
1.3 Architecture de réseau LTE
Tandis que le mot « LTE » englobe l’évolution du réseau d’accès du système UMTS vers un
réseau d’accès évolué appelé E-EUTRAN, il est accompagné d’une évolution des composants non
radio sous le nom de « l’évolution de l’architecture du système (SAE) », qui inclut le reseau Evolved
Packet Core (EPC). Ensemble, LTE et SAE forment le système Evolved Packet System (EPS). La
figure 1.01 représente l’architecture générale du système EPS. [2]
Figure 1.01 : Architecture 4G LTE
1.3.1 Le réseau d’accès E-UTRAN
Le réseau d’accès E-UTRAN est composé principalement de stations de base appelées eNB (eNB).
Une station de base eNB est responsable de la réception et la transmission radio avec l’UE. De plus,
l’eNB prend en charge des fonctions de mesures radio et préparation de rapport de mesures utiles
4
pour la gestion de mobilité ainsi que pour l’ordonnancement. Cet élément du réseau est responsable
aussi de la sélection d’un MME pour chaque UE lors de la procédure d’attachement, si la
configuration fournie à cet usager ne précise pas de MME. Plusieurs fonctions primordiales pour le
fonctionnement du réseau sont prises en charge par l’élément radio eNB. [2]
1.3.2 L’interface S1
L'interface S1 permet la connexion des eNBs à l'EPC et plus spécifiquement le MME à travers S1-
MME et le S-GW à travers S1-U comme le montre la figure 1.02.
L'interface S1 supporte plusieurs fonctions dont les plus importantes sont celles du contrôle
de la mobilité des UEs. Ces fonctions sont décrites par 3GPP. Parmi lesquelles nous citons :
- Stabilise et modifie le contexte de l'UE dans l'eNB pour permettre une transition rapide
entre les deux états Idle et Actif. Cette fonction est supportée par le MME.
- Supporter les requêtes du MME à l'eNB pour reporter les informations de localisation
du UE.
- Supporter la mobilité de l'UE y compris la préparation, l'exécution et l'achèvement du
handover au sein du réseau LTE ou vers et à partir des autres technologies d'accès
3GPP.
- Equilibrer la charge des MMEs à travers la redistribution des UEs après l'introduction
d'un nouveau MME ou le retirement d'un MME du réseau.
- Fournir des messages de signalisation pour indiquer aux eNBs que le MME est surchargé
ou qu'il a retourné à son fonctionnement normal. [3]
Figure 1.02 : Illustration de l’interface S1
5
1.3.3 L’interface X2
L'interface X2 est une interface logique entre les eNBs. Elle assure la coordination entre les eNBs
voisins comme le montre la figure 1.2. La spécification 36.300 de 3GPP décrit les procédures
élémentaires supportées par l'interface X2 qui sont effectuées au niveau de sa couche applicative
X2AP. D'après la spécification, X2 permet de :
- Initialiser ou annuler le processus de handover entre les eNBs.
- Signaler à l'eNB source que le handover a réussi et que les ressources allouées pour le
contexte de l'UE peuvent être libérées.
- Echanger et mettre à jour les données du niveau applicatif ce qui permet la bonne
interopérabilité entre les eNBs.
- Echanger les mesures de la charge entre les eNBs.
- Echanger les informations de coordination entre les eNBs voisins dans le cas d'interférence.
Ce processus est déclenché par la procédure « Load Indication », illustrée dans la figure
1.3. [3]
Figure 1.03 : Illustration de l’interface X2
1.3.4 EPC
Le réseau cœur regroupe des équipements reliés par des fils terrestres assurant certaines
fonctionnalités du réseau LTE, tels que l’enregistrement des utilisateurs, la sécurité, la mobilité et
le contrôle des appels. Le cœur de réseau appelé « EPC » (Evolved Packet Core) utilise des
technologies « full IP », c'est-à-dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation qui
permet des temps de latence réduits, le transport de la voix et des données. Ce cœur de réseau permet
6
l’interconnexion via des routeurs avec les autres eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs
mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le réseau Internet.
La tendance actuelle veut que le réseau cœur LTE soit de type IP/MPLS. L’intégration de MPLS
dans LTE permet d’améliorer la QoS dans ce réseau. EPC se compose de plusieurs éléments, à
savoir le MME, le P-GW, le S-GW, le HSS et RCRF. [4] [5]
1.3.5 Le MME
Cette partie est responsable de la localisation et la poursuite du terminal mobile entre les appels et
la sélection d’une bonne S-GW (Serving-GetWay) à travers une connexion. Comme elle réalise le
dernier point de la protection par codage, donc par conséquent c’est le point qui valide l’interception
de signalisation. Ainsi, qu'elle contrôle le signal entre le UE (Utilisateur Equipment) et le réseau
cœur, et assure l’établissement, la maintenance, et l’élargissement de la porteuse radio services. [5]
1.3.6 Le P-GW
P-GW est une passerelle qui assure la connexion du réseau LTE aux autres types de réseaux,
tels que WiMAX et UMTS. Elle a pour rôle d’attribuer une adresse IP à l’UE, de concrétiser
l’application de la QoS et d’analyser les paquets du plan usager. Elle s’occupe aussi de l’application
des règles prédéfinies relatives aux différents clients, comme elle permet d’appliquer une politique
de facturation par flux de données en considérant les règles établies par le PCRF. [16]
1.3.7 Le S-GW
L’entité S-GW est une entité chargée d’acheminer les paquets de données de l’utilisateur. Elle sert
aussi comme un point d’ancrage de mobilité lors du handover entre eNBs et lors du handover entre
LTE et d’autres technologies 3GPP. Lorsque l’UE est en mode veille, le S-GW détermine le chemin
du lien descendant et détecte la pagination lorsqu’un flux de données à télécharger arrive au UE. Il
se charge aussi de marquer les paquets de la couche transport sur le lien UL et le lien DL. [2]
1.3.8 Le HSS
Base de données similaire au HLR en GSM / WCDMA réseau cœur qui contient les informations
du suscriber-related (les abonnées voisins), et porte l’appel de control et la session management.
Elle est Principalement désignée à l’authentification, l’autorisation, la sécurité, le débit et fournit
une localisation détaillée à l’utilisateur. [5]
7
1.3.9 Le PCRF
PCRF est un nœud optionnel pour le réseau EPC. Son rôle principal est d’appliquer les règles de
gestion de facturation de l’utilisateur en fonction des règles prédéfinies qui s’appliquent sur lui.
Cependant, un élément additionnel est requis pour les services et les applications nécessitant une
politique de tarification dynamique. Cet élément additionnel est appelé fonction d’applications
(AF). [2] [4]
1.3.10 L’eNodeB
L’eNodeB est responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE. La fonctionnalité
du contrôleur radio réside dans eNodeB, le résultat est plus efficace, et le réseau est moins latent,
par exemple la mobilité est déterminée par eNodeB à la place de BSC ou RNC. [1][6]
1.4 L’interface radio du réseau 4G LTE
1.4.1 Rappels sur le canal radio
En communications, le canal de transmission représente toutes les transformations subies par le
signal entre l’émetteur et le récepteur, de par sa propagation dans le milieu de transmission, ainsi
que dans les équipements d’émission et de réception. Le canal de transmission détermine la manière
dont les données doivent être mises en forme à l’émetteur afin de se propager dans de bonnes
conditions dans le milieu, ainsi que les traitements à mettre en œuvre au récepteur afin de les
détecter correctement. Le canal de transmission est donc d’une importance clé, car il détermine une
grande partie de la conception d’un système de communication. [1]
1.4.2 Mode de propagation
Dans le cas des communications radio mobiles, le signal est porté par une onde électromagnétique
qui se propage dans l’air. La puissance reçue au récepteur dépend de plusieurs effets.
Les pertes de propagation (path loss, en anglais) traduisent l’atténuation du signal en fonction de la
distance entre l’émetteur et le récepteur, et de l’environnement de propagation. Interférence, qualité
de canal et débit. Pour un environnement donné, les pertes de propagation ne dépendent que de la
distance d entre émetteur et récepteur, typiquement selon une loi du type suivant, où 𝐴 et 𝐵 sont des
constantes dépendant de l’environnement.
𝑃(𝑑) = 𝐴 + 𝐵𝑙𝑜𝑔10(𝑑) (𝑒𝑛 𝑑𝐵) (1.01)
8
L’effet de masque (ou shadowing) est une atténuation supplémentaire qui se produit lorsqu’un objet
de grande taille (par exemple une tour) s’interpose entre l’émetteur et le récepteur. L’effet de
masque varie donc en fonction des déplacements de l’UE, mais cette variation est lente si on la
rapporte à la durée d’un intervalle de temps de transmission (qui dure une milliseconde en LTE).
Les évanouissements rapides (fast fading) désignent des variations rapides de la puissance
instantanée reçue, autour de la puissance moyenne. Ces variations proviennent du déplacement
relatif de l’UE et des objets dans son environnement. Les évanouissements profonds peuvent
entraîner des pertes de puissance reçue de 35 𝑑𝐵 en milieu urbain. Néanmoins, ces variations
peuvent aussi augmenter la puissance reçue de quelques décibels. [1]
1.4.3 Interférence, qualité de canal et débit
Au sens le plus général, le canal intègre également les perturbations externes affectant la
transmission : l’interférence et le bruit thermique.
Le bruit thermique est provoqué par les équipements électroniques du récepteur, tandis que
l’interférence est créée par d’autres transmissions radio que celle attendue par le récepteur. La
qualité du signal reçu, aussi appelée la qualité du canal, est caractérisée par le rapport signal sur
interférence et bruit (Signal to Interference and Noise Ratio, SINR), défini comme suit :
𝑆𝐼𝑁𝑅 =𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑢 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒
𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑙′𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒 + 𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑢 𝑏𝑟𝑢𝑖𝑡
(1.02)
Le débit pouvant être offert à un UE dépend directement de son SINR. Sous l’hypothèse d’un canal
fixe et d’une interférence gaussienne, le débit maximal pouvant être atteint pour un SINR donné est
donné par la formule de Shannon, où B est la largeur de bande de la transmission (en Hz) :
𝐶(𝑆𝐼𝑁𝑅, 𝐵) = 𝐵𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅)(𝑒𝑛 𝑏𝑖𝑡/𝑠) (1.03)
Ce débit maximal est appelé la capacité du canal. La formule précédente est relative à la
transmission d’un seul bloc de données.
Il existe d’autres formules plus détaillées donnant la capacité du canal pour des scénarios de
transmission particuliers, notamment MIMO où plusieurs blocs de données sont transmis sur les
mêmes ressources.
Il existe plusieurs types d’interférence :
- L’interférence entre symboles, cette interférence n’est présente que dans la voie montante
9
en raison de l’utilisation de l’OFDM sur la voie descendante,
- L’interférence entre couches spatiales, créée par une transmission MIMO mono-utilisateur,
ce qui consiste à transmettre plusieurs flux d’information (ou couches spatiales)
indépendants vers un même UE, sur les mêmes ressources temps-fréquence ;
- L’interférence intracellulaire, créée par la transmission d’autres UE dans la cellule ; en LTE,
la seule source d’interférence intracellulaire est la transmission MIMO multi-utilisateurs, où
plusieurs UE sont servis sur les mêmes ressources temps-fréquence en étant séparés dans
l’espace ;
- L’interférence de canal adjacent, créée par une transmission sur une fréquence adjacente à
celle de la porteuse assignée à l’UE ;
- L’interférence intercellulaire, créée par les cellules voisines. [1][2]
1.5 La pile protocolaire des interfaces radio du réseau 4G LTE
La pile protocolaire de LTE se divise en deux plans : le plan utilisateur (user plan) et le plan de
contrôle (control plan). Le plan utilisateur est composé du protocole PDCP au niveau de la couche
3 suivi par RLC et MAC au niveau de la couche 2. Le plan de contrôle ajoute le RRC et le NAS au
niveau de la couche 3. Ces deux plans sont représentés dans la figure 1.5. Nous décrivons ci-dessous
en détail la couche physique et la couche MAC qui sont les plus impliquées dans le processus de
gestion de l'interférence. [1]
Figure 1.04 : La pile protocolaire de LTE
10
1.5.1 La couche physique
La couche physique de LTE est basée sur la technique OFDMA en lien descendant (DL) et SC-
FDMA en lien ascendant (UL). En outre, la couche physique assure la protection des données contre
les erreurs en utilisant la technique FEC (Forward Error Correction) et un schéma de codage et de
modulation adaptative (ACM) qui se base sur l'état du canal. Comme la technique FEC ne permet
pas de corriger toutes les erreurs de transmission, d'autres mécanismes de fiabilisation existent dans
les couches supérieures, essentiellement dans la couche RLC (Radio Link Control Layer). [1]
La couche physique contribue au fonctionnement des mécanismes de gestion des ressources radio
(RRM) et l'échange des rapports de contrôle (comme CQI). Dans ce cadre, la couche physique reçoit
des rapports sur les mesures de qualité du canal (CQI) de la part des UEs actifs. Ensuite, elle fournit
des indications aux couches supérieures. Ces mesures sont à la base pour le contrôle de la puissance
en boucle fermée (closed-loop power control) et servent à l'adaptation de la puissance de
transmission des canaux physiques aux variations de court terme du canal radio. Ces rapports
peuvent être aussi utilisés par les eNBs pour prendre des décisions d'ordonnancement afin d'assurer
les exigences en qualité de service (QoS) de l’utilisateur. [1][2]
Les transmissions en lien descendant (DL) et ascendant (UL) sont organisées à travers des trames
de durée 10 ms. Deux types de trame sont supportés :
Type 1 : applicable pour FDD
Type 2 : applicable pour TDD
1.5.2 La couche 2
La couche 2 est constituée de trois sous-couches :
- PDCP (Packet Data Compression Protocol);
- RLC (Radio Link Control);
- MAC (Medium Access Control).
Ces sous-couches interviennent pour le transfert des données, du plan usager comme du plan de
contrôle. Seule la sous-couche PDCP est conçue pour traiter différemment les données de ces deux
plans. Pour RLC et MAC, c’est la configuration qui détermine les éventuelles différences de
traitement à appliquer aux flux. [13]
1.5.2.1 La sous-couche PDCP (Packet Data Compression Protocol)
11
PDCP assure des fonctions de sécurité et de transfert des données :
- Compression d’en-tête ;
- Chiffrement des données et de la signalisation RRC ;
- Protection de l’intégrité de la signalisation RRC ;
- Détection et suppression des doublons (unité de données PDCP reçues deux fois) ;
- Remise en séquence des paquets. [1]
1.5.2.2 La sous-couche RLC (Radio Link Protocol)
La sous-couche RLC assure les fonctions de contrôle du lien de données dévolues à la couche 2 du
modèle OSI (Data Link Control) :
Détection et retransmission des PDU manquantes (en mode acquitté) permettant la reprise sur
erreur ;
Remise en séquence des PDU pour assurer l’ordonnancement des SDU à la couche supérieure
(PDCP) ;
Utilisation de fenêtres d’émission et de réception pour optimiser la transmission de données. [1]
1.5.2.3 La sous-couche MAC (Medium Access Control)
La sous-couche MAC permet l’accès et l’adaptation au support de transmission grâce aux fonctions
suivantes :
- Le mécanisme d’accès aléatoire sur la voie montante ;
- La correction d’erreurs par retransmission HARQ lors de la réception d’un acquittement
HARQ négatif ;
- Les allocations dynamique et semi-statique de ressources radio (scheduling) ;
- Le maintien de la synchronisation sur le lien montant ;
- La priorisation des flux sur le lien montant.
- La fonction de scheduling s’appuie sur les mesures effectuées par la couche physique, tandis
que le mécanisme HARQ est couplé avec le codage de canal.
Ces fonctions sont donc étroitement liées à la couche physique et sont optimisées pour cet
interfonctionnement. L’optimisation intercouches est l’une des caractéristiques clés de l’interface
12
radio du LTE. [1]
1.5.2.4 Le RRM (Radio Resource Management)
L'objectif du RRM est d'assurer l'utilisation effcace des ressources radio disponibles et de fournir
les mécanismes qui permettent de gérer les ressources en prenant en considération les aspects mono
et multi-cellulaires. Le 3GPP a cité les fonctions ci-dessous de RRM. [3]
1.5.2.5 Radio Bearer Control (RBC)
Cette fonction est localisée dans l'eNB. Elle assure la configuration des ressources radio associées
aux flux de données lors de leur établissement, leur maintenance et leur libération. En effet, le RBC
est impliqué lors de l'établissement d'un flux de données pour prendre en considération la situation
des ressources dans l'E-UTRAN et les exigences en QoS des sessions existantes et du nouveau flux.
RBC est aussi impliqué lors de la maintenance des flux de données à cause du changement des
ressources radio due par exemple à la mobilité. Enfin, le RBC est impliqué lors de la libération des
ressources associées à des flux de données à cause de la terminaison d'une session, handover ou
autres. [3]
1.5.2.6 Radio admission Control (RAC)
Le rôle de RAC est d'admettre ou rejeter la demande d'établissement d'un nouveau de donnée. Il
prend en considération la situation des ressources dans l'E-UTRAN, le niveau de priorité des flux
et les exigences en QoS des sessions existantes et de la nouvelle session. L'objectif de RAC est
d'assurer une utilisation parfaite des ressources radio disponibles (par l'acceptation des demandes
tant que les ressources sont disponibles) et en même temps assurer une QoS appropriée aux sessions
existantes (rejeter les demandes quand les QoS ne peuvent pas être supportées). Cette fonction est
localisée au niveau de l'eNB. [3]
1.5.2.7 Connection Mobility Control (CMC)
Dès que l'UE entre dans le réseau, il se met à la quête d'un réseau pour s'y inscrire. Il est ainsi dans
l'état LTE detached. Une fois il est inscrit à un réseau, deux types de mobilité peuvent être
distingués : la mobilité en mode « idle » et la mobilité en mode « connected ». Le CMC s'intéresse
à la gestion des ressources radio dans ces deux types de mobilité. [3]
1.5.2.8 Dynamic Resource Allocation (DRA) - Packet Scheduling (PS)
L'objectif du DRA (ou aussi appelé PS) est d'allouer des ressources aux paquets du plan utilisateur
13
et du plan de contrôle. Il assure la sélection des flux de données à servir et la gestion des ressources
nécessaires comme le niveau de la puissance en prenant en considération les exigences des flux en
QoS, les informations sur la qualité du canal, l'état du buffer et les risques d'interférence. [3]
1.5.2.9 Load Balancing (LB)
Le rôle de LB est de traiter des distributions irrégulières de la charge de trafic à travers plusieurs
cellules. Le LB ainsi influence sur la distribution des charges de telle sorte que les ressources radio
soient utilisées parfaitement et le QoS des sessions existantes soit maintenu le plus longtemps
possible. Les algorithmes de LB aboutir à des décisions de handover, de réélection des cellules dans
le but de redistribuer le trafic d'une cellule surchargée à une autre cellule moins chargée. [3]
1.5.2.10 Inter-RAT Radio Resource Management
L'inter-RAT RRM s'intéresse à la gestion des ressources radio d'une connexion lors d'une mobilité
inter-RAT (Radio Access Technology) en d'autres termes une mobilité entre LTE et une autre
technologie 3GPP comme les systèmes 2G et 3G. Cette fonction prend en considération la situation
des ressources dans les réseaux impliqués, les capacités de l'UE et la stratégie de l'opérateur. [3]
1.5.2.11 Inter-cell Interference Coordination (ICIC)
Le rôle de l'ICIC est la gestion des ressources radio de telle façon que les interférences
intercellulaires soient sous contrôle. L'ICIC est une fonction RRM multicellulaire localisée au
niveau de l'eNB qui nécessite la prise en considération des informations collectées de plusieurs
cellules. [3]
1.6 La structure d’une trame LTE
Une trame LTE dure 10 𝑚𝑠. Elle est découpée en 10 sous trames d'une durée de 1 𝑚𝑠. Chaque
Sous trame est divisée en deux slots de 0,5𝑚𝑠. Un slot dure donc 0,5 𝑚𝑠, durée pendant laquelle
est transmis 7 symboles par bande OFDM. Or, nous avons vu qu'il y avait 12 bandes.
Par conséquent, 7 symboles ×12 bandes = 84 symboles sont transmis en 0,5 𝑚𝑠. [1]
La figure 1.05 présente la trame radio dans le réseau LTE.
1 Symbole peut transmette 1 bit à 6 bits selon la modulation choisie (QPSK à 128 QAM).
Par exemple, 1 symbole représente un carton, et dans un carton nous pouvons avoir une boite ou 6
boites. Si nous souhaitons transporter le plus de boite, nous avons intérêt à mettre 6 boites par
carton, ce qui fragilise encore plus le transport, nous favoriserons dons le 128 − QAM (6 bits à
14
transmettre) si le mobile et la station de base sont proches (transport peu éloigné entre le point A et
le point B).
Les transmissions downlink et uplink sont organisés en deux types de structures qui sont :
Structure de type 1 : duplex de fréquence division FDD.
Structure de type 2 : duplex par séparation temporelle TDD. [1]
Figure 1.05 : Structure de trame LTE
1.7 Mode de duplexage
Le duplexage définit la manière dont sont séparées les transmissions sur la voie descendante et sur
la voie montante. La voie descendante, aussi appelée DownLink (DL), correspond à la transmission
de la station de base vers l’UE. La voie montante, aussi appelée UpLink (UL), correspond à la
transmission de l’UE vers la station de base. Il existe deux principaux modes de duplexage gérer
par l’interface radio du LTE : [2]
- Le duplexage en fréquence ou Frequency Division Duplex (FDD) ;
- Le duplexage en temps ou Time Division Duplex (TDD).
1.7.1 Le duplexage en fréquence ou Frequency Division Duplex (FDD)
FDD (Frequency Division Duplexing) désigne une méthode de duplexage dans le domaine des
télécommunications sans fil. L'émission et la réception des données se font à des fréquences
15
différentes ; autrement dit, la fréquence de la porteuse du signal est différente suivant que le sens
de la liaison est montant ou descendant. Cette technique permet d'émettre et de recevoir
simultanément, c'est son principal avantage face à l'autre technique majeure de duplexage, le Time
Division Duplexing (TDD). [1]
1.7.2 Le duplexage en temps ou Time Division Duplex (TDD)
Le Duplex par séparation temporelle TDD (Time-Division Duplex) est une technique permettant à
un canal de télécommunication utilisant une même ressource de transmission (un canal radio par
exemple) de séparer dans le temps l'émission et la réception. Cette technique présente un avantage
certain dans le cas où les débits d'émission et de réception sont variables et asymétriques. Lorsque
le débit d'émission augmente ou diminue, davantage ou moins de bande passante peut être allouée.
Un autre avantage de cette technique concerne les terminaux mobiles se déplaçant à très faible
vitesse ou en position fixe. Dans, la technique de "beamforming" est très efficace avec un système
TDD. [1][3]
Figure 1.06 : Le mode de duplexage TDD et FDD
1.8 Les technologies utilisées par le 4G LTE
Afin d’atteindre des performances qui satisferont les exigences et les spécifications définies, le
système LTE a été développé en adoptant des nouvelles technologies. Les principales technologies
qui ont été choisies incluent Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) en DL,
16
Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), l’ordonnancement sensible des ressources, l’adaptation
de lien, le contrôle de puissance, l’architecture de réseau orientée paquets, des garanties de QoS
ainsi que d’autres mécanismes situés dans la station de base. Dans cette section, on discutera
quelques-unes de ces technologies. [7]
1.8.1 OFDM
OFDM est un procédé de codage de données numériques sur des fréquences porteuses multiples.
Cette technique a été développée pour la communication numérique à large bande. Le principe de
OFDM consiste à répartir sur un grand nombre de sous-porteuses le signal numérique que l’on veut
transmettre. Pour que les fréquences des sous-porteuses soient les plus proches possibles et ainsi
transmettre le maximum d’informations sur une portion de fréquences donnée, OFDM utilise des
sous-porteuses orthogonales entre elles. Les signaux des différentes sous-porteuses se chevauchent
mais, grâce à l’orthogonalité, elles n’interfèrent pas entre elles. [2]
L’orthogonalité permet également une haute efficacité spectrale, la bande passante étant quasiment
utilisée dans son intégralité. Par conséquent, la technique OFDM a été incorporée dans LTE pour
plusieurs raisons. Tout d’abord, en raison du temps du symbole OFDM relativement long en
combinaison avec un préfixe cyclique, OFDM offre un haut degré de robustesse contre la sélectivité
de fréquence du canal. [2]
De plus, OFDM fournit un accès au domaine fréquentiel, ce qui permet un degré supplémentaire de
liberté de l’ordonnanceur par rapport au système High Speed Packet Access (HSPA) pour lequel
seulement l’ordonnancement temporel est possible. [2]
1.8.2 MIMO
La technique de transmission multi-antennes (MIMO) est une technique dans laquelle on utilise
plusieurs antennes à l’émission et/ou plusieurs antennes à la réception. Cela permet donc de
transmettre et de recevoir plusieurs flux de données à travers le même canal radio. Un système
MIMO offre donc des débits plus importants par canal. De plus, la séparation physique des antennes
permet d’exploiter la diversité spatiale du canal. Par conséquent, la technique MIMO permet
d’obtenir un gain de diversité spatiale qui permet de stabiliser la qualité du lien radio. La technique
MIMO peut alors être utilisée pour améliorer les performances du système, y compris la capacité
du système (plus d’utilisateurs par cellule), une meilleure couverture (possibilité d’agrandir les
cellules), ainsi que la fourniture d’une meilleure QoS. [2][4]
17
Dans LTE, les technologies MIMO ont été largement utilisées pour améliorer le pic du débit du lien
DL, la couverture de la cellule, ainsi que le débit moyen des cellules. Pour atteindre cet ensemble
diversifié d’objectifs, LTE a adopté diverses technologies MIMO, y compris la diversité à
l’émission, un seul usager MIMO (SU-MIMO) et multi-usagers MIMO (MU-MIMO). En effet, le
schéma de diversité à l’émission est spécifié pour la configuration avec deux ou quatre antennes à
l’émission pour le lien DL, et avec deux antennes à l’émission pour le lien UL. Quant au schéma
SU-MIMO, il est spécifié pour la configuration avec deux ou quatre antennes à l’émission dans le
sens descendant, qui prend en charge la transmission de plusieurs couches spatiales avec un
maximum de quatre flux pour un équipement d’utilisateur donné (UE).
D’autre part, le schéma MU-MIMO permet l’attribution de différentes couches spatiales à différents
utilisateurs dans les mêmes ressources temps-fréquence. Il est supporté à la fois dans la liaison
montante ainsi que dans la liaison descendante. [2][4]
1.9 Conclusion
Pour conclure la 4ème génération vise à améliorer l’efficacité spectrale et à augmenter la capacité
de gestion du nombre de mobiles dans une même cellule. Elle tente aussi d’offrir des débits élevés
en situation de mobilité et à offrir une mobilité totale à l’utilisateur en établissant l’interopérabilité
entre différentes technologies existantes. Elle vise à rendre le passage entre les réseaux transparents
pour l’utilisateur, à éviter l’interruption des services durant le transfert intercellulaire, et à basculer
l’utilisation vers le tout-IP.
18
CHAPITRE 2
LE RESEAU LTE-A ET HETNET (HETEROGENEOUS NETWORK)
2.1 Introduction
L’évolution des réseaux cellulaires de la 3G vers la 4G a pour objectif de répondre à la croissance
continue des trafics de données et la multiplication des applications et services qui exigent une
meilleure qualité de service. Le système LTE-Advanced, nommé aussi 3GPP LTE version 10, est
une amélioration du système LTE. En effet, le groupe 3GPP a introduit des améliorations sur le
système LTE pour se conformer aux exigences de ce système. Afin d’atteindre ses performances,
le groupe 3GPP a intégré de nouvelles technologies et techniques de transmission au système LTE
version 8. Nous détaillons dans le paragraphe suivant les technologies clés de LTE-Advanced.
2.2 Le système LTE-Advanced
Le LTE-Advanced ou LTE avancé est une évolution du LTE normalisées dans le cadre de la Release
10 du 3GPP.Le LTE, tout comme les autres systèmes normalisés par le 3GPP (GSM, UMTS,
HSPA), évolue aux cours du temps, notamment en fonction des progrès technique et de la demande
de marché. Chaque palier d’évolution est appelé une Release. La première Release du LTE est la
Release 8, dont les spécifications fonctionnelles ont finalisé en décembre 2008.Les spécifications
fonctionnelles de la Release 10 ont elle été finalisées en mars 2011.
Le nom LTE-Advanced provient de processus de réglementation appelé IMT-Advanced du secteur
Radiocommunication de l’Union internationales des télécommunications (UIT-R), dans lequel s’est
inscrit son développement. [1]
2.2.1 Le rôle de l’IMT-Advanced
L’IMT (International Mobile Telecommunication-Advanced) est un label de l’UIT pour identifier
des systèmes de communication mobile dont les capacités dépassent celle des système IMT-
2000.Ce dernier label est celui qui regroupe les technologie 3G dont l’UMTS et l’HSPA. [1]
Le but du label IMT-Advanced, comme l’avait été en son temps l’IMT-2000, est d’encourager le
développement de l’interface radio de haute performance de tirant le meilleur parti du spectre
disponible tout en favorisant un nombre limité de technologie mondial. En effet, ce dernier point
favorise des économies d’échelle sur les prix des équipements, ainsi qu’une itinérance mondiale.
Pour être labelliser IMT-Advanced, un système doit ainsi satisfaire un certain nombre d’exigences,
19
qui portent notamment sur l’efficacité spectral mais aussi sur la latence et la mobilité, les bandes
spectrales utilisable et les services. L’ensemble de cahier de charge de l’IMT-Advanced peut être
trouvé dans le document de l’UIT-R (UIT-R M.2133,2008) et les références qui y sont citée. Les
interfaces radio reconnues comme satisfaisant ces exigences sont finalement décrite dans la
recommandation de l’UIT-R (UIT-R M.2012,2012). [1]
En raison des caractéristiques contraignantes impose par l’UIT-R un système IMT-Advanced est
par définition de haute performance, selon une classification internationalement reconnue. Outre la
distinction marketing vis-à-vis d’autre technologies qui ne la possèderaient pas, la labellisation
IMT-Advanced peut surtout constituer un sésame pour l’accès à de nouvelles fréquences.
A ce titre, certaines bandes avaient été réservées par l’UIT-R aux système mobiles IMT-2000.Pour
l’IMT-Advanced, la situation est un peu différente : l’UIT à effectivement identifier de nouvelle
bande de fréquence au-delà de celles initialement identifier comme IMT-2000 :
- La bande 800 𝑀𝐻𝑧 libérée par le passage de la télévision analogique a la télévision
numérique, aussi appelé le dividende numérique.
- La bande 3.5 𝐺𝐻𝑧
Cependant, ces nouvelles bandes ont été regroupées avec celles de l’IMT-2000 sous la classification
des bandes IMT, chaque système IMT-2000 ou IMT-Advanced y ayant accès. En pratique, cela
signifie que du point de vue de l’UIT, un système 3G IMT-2000 (par exemple l’UMTS) peut utiliser
par exemple la bande du dividende numérique. [1]
2.2.2 Les spécifications du système IMT-Advanced
Dans le cadre de la spécification des systèmes IMT-Advanced, l’UIT a défini différentes exigences
et fonctionnalités précisées dans la recommandation UIT-R Recommandation M1645 intitulée
"Cadre et objectifs d’ensemble du développement futur des IMT-2000 et des systèmes postérieurs
aux IMT-2000" :
- Une meilleure efficacité spectrale et des pics de débits de donnée élevés.
- L’amélioration des débits de transfert de données pour supporter des services et des
applications avancées : les débits établis comme cibles de la recherche atteignent 100 𝑀𝑏/𝑠
en haute mobilité et 1𝐺𝑏/𝑠 en faible mobilité.
- Des latences plus faibles pour permettre de nouvelles applications sensibles au délai et en
20
temps réel. Cette diminution de latences englobe les latences d’accès au lien radio, latence
de handover.
- Un meilleur soutien de la mobilité des utilisateurs : les systèmes IMT-Advanced, tout
comme les autres systèmes cellulaires, doivent assurer toujours leurs services dans divers
scénarios de mobilité tels que :
Fixe : applications fixes ;
Piéton : vitesse moins 10 𝐾𝑚/ℎ ;
Véhicule typique : véhicule à vitesse allant jusqu’à 120 𝐾𝑚/ℎ ;
Véhicule à haute vitesse : véhicule à vitesse allant jusqu’à 500 𝐾𝑚/ℎ ;
Des performances optimisées du système pour les environnements à faible mobilité ;
Capacité d’itinérance mondiale : assurer la connectivité des applications sans coupure à
d’autres réseaux mobiles et d’autres réseaux IP ;
- La prise en charge des tailles plus grandes des cellules et amélioration de la performance
aux bords des cellules.
- Des terminaux à faible coût et faible complexité pour une utilisation dans le monde entier.
- Une interface utilisateur mobile.
- Un accès universel.
- L’amélioration des services de diffusion unicast et multicast.
Les systèmes IMT-Advanced doivent être développés pour offrir de meilleures performances telles
qu’un haut débit de transfert de données, une latence minimale, une meilleure qualité de service.
De plus, les systèmes IMT-Advanced doivent supporter les différents standards et protocoles. Ceci
permet d’offrir différents services tels que la vidéo et la vidéo-conférence, la navigation web, et
d’autres applications offertes aux particuliers et aux entreprises. [1][2]
Du point de vue énergétique, ces systèmes doivent être conçus pour assurer une connectivité
automatique et transparente pour l’utilisateur entre le terminal mobile et la station de base, tout en
préservant l’énergie de la batterie de ce terminal. Enfin, les systèmes IMT-Advanced doivent
travailler dans différents environnements : urbains denses, urbains, semi-urbains, ruraux, intérieurs,
extérieurs, piétonniers et véhiculaires. Les systèmes sont ainsi destinés à fournir un accès mobile à
21
large bande sans fil dans une architecture cellulaire (par exemple, cellules macro/micro/pico/femto).
Toutes ces exigences générales sont traduites par plusieurs exigences techniques telles que, les
méthodes d’accès multiples, le schéma de modulation, la bande passante du système, la structure
du canal physique et le multiplexage, l’adaptation et le contrôle de puissance du lien, la latence, la
qualité de service, l’aspect de la sécurité, la topologie du réseau. [1]
2.2.3 Les caractéristiques du système LTE-Advanced
Le système LTE-Advanced a été retenu par l’organisation UIT comme étant un système IMT-
Advanced, nommé aussi système 4G. En effet, le groupe 3GPP a annoncé le standard LTE-
Advanced en Mars 2011, en répondant et même dépassant les spécifications de la recommandation
UIT-R Recommandation M1645.
Les principaux apports des réseaux LTE-Advanced sont, en premier lieu, une évolution
architecturale au niveau accès et réseau cœur :
- Réseau d’accès E-UTRAN : composé des eNodeB (evolved NodeB), qui ont les mêmes
fonctionnalités que les NodeB des réseaux 3G et supportent une partie des fonctions du RNC
- (Radio Network Controller) qui est lui supprimé. Réseau cœur tout IP : Il s’agit du EPC
(Evolved Packet Core), une infrastructure paquet tout IP qui permet de diminuer le nombre
d’équipements ainsi que d’améliorer les performances en termes de QoS et de faciliter les
procédures de Handover.
L’utilisation des techniques d’accès OFDMA/SC-FDMA, l’OFDMA est la technique d’accès pour
la voie descendante dans LTE, cette technique de modulation divise la bande passante en une
multitude en sous porteuse orthogonal. Grace à cette orthogonal, le signal transmit évite les
interférences des sous porteuses adjacentes.
En termes d’allocation de ressource SC-FDMA est similaire à OFDMA mais seul les porteuses
contiguës peuvent être attribuées par le même utilisateur avec SC-FDMA comme la figure 2.01.
En outre, le standard LTE-Advanced offre les améliorations suivantes par rapport à LTE :
- Un pic du débit de téléchargement DL jusqu’à 1 𝐺𝑏𝑝𝑠 atteint à travers une transmission
MIMO 4x4 et une largeur de bande supérieure à 70 𝑀𝐻𝑧.
- Un pic du débit de téléchargement UL jusqu’à 500 𝑀𝑏𝑝𝑠.
- Un pic d’efficacité spectrale égale à 30 𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧 en DL et atteignant 15 𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧 en UL.
22
Figure 2.01 : Principe OFDMA et SC-FDMA
- Une mobilité avec différentes vitesses pouvant atteindre 350 𝐾𝑚/ℎ.
- Une allocation spectrale de différentes tailles incluant une allocation spectrale plus large
(jusqu’à 100 𝑀𝐻𝑧) afin d’atteindre des pics importants de débit.
- Des bandes de fréquence additionnelles : 450 − 470 𝑀𝐻𝑧, 698 − 862 𝑀𝐻𝑧, 790 −
862 𝑀𝐻𝑧, 2.3 − 2.4 𝐺𝐻𝑧, 3.4 − 4.2 𝐺𝐻𝑧 et 4.4 − 4.99 𝐺𝐻𝑧.
- L’augmentation de la capacité de fournir le service VoIP pour plus d’usagers.
- L’augmentation du nombre d’usagers simultanément connectés.
- L’amélioration de la performance aux bords de la cellule.
Le tableau suivant résume les caractéristiques offertes par le système LTE-Advanced comparées
aux spécifications exigées par la recommandation UIT-R Recommandation M1645.
Afin d’atteindre ces performances, le groupe 3GPP a intégré de nouvelles technologies et techniques
de transmission au système LTE version 8. Nous détaillons dans le paragraphe suivant les
technologies clés de LTE-Advanced. [2] [8]
23
Indicateurs de performance Recommandation IUT LTE-A
Pic de débit (Mbps) DL 1000 DL 1000
UL 500 UL 500
Pic d’efficacité (bps/Hz) DL 15 DL Jusqu’à 30
UL 15 UL Jusqu’à 15
Latence du plan usager (ms) ≤ 5 ≤ 5
Latence du plan de contrôle (ms) ≤ 100 ≤ 50
Capacité VoIP Jusqu’à 50 Jusqu’à 140
Tableau 2.01: Caractéristiques du système LTE-Advanced.
2.2.4 Les technologies clés de LTE-Advanced
Afin d’atteindre les spécifications exigées par la recommandation UIT-R Recommandation
M1645, de nouvelles techniques ont été intégrées dans le système LTE-Advanced, et d’autres ont
été améliorées. Parmi ces techniques on cite : l’agrégation de sous-porteuses, la transmission multi-
antenne améliorée, les nœuds de relai, l’amélioration de l’auto-optimisation du réseau, le support
des réseaux hétérogènes (HetNet), ainsi que l’amélioration de la mobilité de la station HeNB. [1]
[2]
Figure 2.02 : Les technologies du LTE-A
24
2.2.4.1 L’agrégation de sous-porteuses
Le système LTE-Advanced vise à offrir des débits de transmission plus importants que ceux
offerts par le système LTE. Cependant, malgré l’amélioration de l’efficacité spectrale, il est encore
difficile d’atteindre ces niveaux de débit. [2]
Afin d’atteindre cet objectif, il était nécessaire d’augmenter les largeurs de bande de la transmission
au-delà de celles supportées par une seule sous-porteuse. La solution proposée, appelée agrégation
de sous-porteuses (CA), consiste à utiliser plus qu’une sous-porteuse pour la transmission, ce qui
augmente par la suite la largeur de bande de la transmission. Ces sous-porteuses, appelées aussi
canaux, peuvent être contigües et appartenant à une même bande de fréquence, comme elles peuvent
appartenir à différentes bandes de fréquence. [1][2]
Figure 2.03 : Agrégation de sous-porteuses.
La technique d’agrégation de sous-porteuses est supportée par les deux formats de LTE-Advanced,
le duplex par séparation fréquentielle (FDD) et le duplex par séparation temporelle (TDD). De ce
fait, ces deux formats sont capables d’atteindre les spécifications exigées par LTE-Advanced en
termes de débit de transmission. [1] [2] [9]
25
2.2.4.2 Transmission multi-antennes améliorée
Pour atteindre le taux défini par les exigences des systèmes IMT-Advanced, le système LTE-
Advanced exploite le multiplexage spatial de plusieurs flots de données pour un seul mobile. LTE-
Advanced supporte les techniques de multiplexage spatial MIMO avancées, soit (2,4)×(2,4),
pour les deux liens UL et DL. Le nombre d’antennes de transmission dans une station de base est
définie pour 1, 2 ou 4. Tandis que le nombre d’antennes de réception défini pour le mobile est soit
2, soit 4. De plus, LTE-Advanced étend la capacité de multiplexage spatial supportée par LTE
version 8 aux deux liens DL et UL. En effet, LTE-Advanced est capable d’offrir jusqu’à 8 flots de
transmission en DL et jusqu’à 4 flots de transmission en UL. [1] [9]
Figure 2.04 : Nombre maximal de flots pour les deux systèmes LTE version 8 et LTE-Advanced
En outre, en plus des techniques MIMO déployées pour un seul usager, la technique MIMO
multi-usager est supportée par LTE-Advanced. En fait, ces techniques permettent de transmettre
différents flots de données à différents mobiles sur les mêmes ressources de cette région à travers
la technique d’accès multiple à répartition dans l’espace SDMA.
En plus, pour les canaux de contrôle, les schémas de diversité de transmission en boucle ouverte
sont adoptés, tels que la diversité par décalage cyclique ou encore le codage en blocs espace-temps.
D’autre part, LTE-Advanced adopte les opérations MIMO en boucle fermée visant les canaux de
26
données partagées. Des opérations de collecte d’informations de canal et précodage de ces
informations sont nécessaires. [2] [9]
- Les nœuds de relai
Le relai est une des fonctionnalités proposées pour les systèmes IMT-Advanced. Afin d’améliorer
la couverture ainsi que la capacité du réseau en environnement urbain ou résidentiel, couvrir des
zones sans couverture ou étendre la couverture dans les zones rurales. Le nœud de relai, dans son
rôle de base, reçoit, amplifie et ensuite retransmet les signaux UL et DL. Le nœud de relai (RN) est
connecté au réseau d’accès E-UTRAN à travers une connexion sans fil à une station de base eNB,
appelée nœud donneur (DeNB). [1] [2] [9]
Figure 2.05 : Le nœud de relai dans LTE-Advanced
Dans le standard LTE version 10, le nœud RN se connecte au nœud DeNB en deux modes :
- Le mode in-band : dans ce mode, le lien RN-DeNB partage les mêmes ressources radios que
le lien RN-UE.
- Le mode out-band : contrairement au mode in-band, le lien RN-DeNB n’utilise pas la même
sous-porteuse que le lien RN-UE.
2.2.4.3 Auto-optimisation du réseau améliorée
La majorité des réseaux de communication actuels sont dotés d’une architecture centralisée.
Cette architecture rend l’ajout de nouvelles cellules une tâche complexe et économiquement chère.
Afin de surpasser ces problèmes, de nouvelles fonctionnalités d’auto-configuration et d’auto
optimisation du réseau (SON) ont été introduites dans la version 8 de LTE et ses successeurs. Dans
LTE version 10, la fonction SON a été améliorée afin de simplifier le déploiement de nouveaux
nœuds ou d’assurer une meilleure gestion du réseau. La fonctionnalité SON se compose
principalement de trois procédures :
L’auto-configuration : cette fonction permet à une nouvelle cellule telle qu’une cellule femto de
27
configurer les paramètres de démarrage et d’insertion de cette cellule dans le réseau. L’auto-
configuration permet donc de choisir, entre autres, l’identité physique de la cellule, ses paramètres
RF ainsi que ses paramètres de handover. Cette configuration est effectuée en téléchargeant une
configuration par défaut fournie par l’opérateur, ou bien en échangeant les informations avec les
nœuds voisins.
L’auto-optimisation : après avoir réussi à s’intégrer dans le réseau, la nouvelle cellule ainsi que les
cellules voisines qui subiront l’impact de cette mise à jour du réseau, procèdent à une auto
optimisation de leurs paramètres de fonctionnement afin d’améliorer la performance du réseau.
Cette fonction est assurée en se basant sur les rapports de mesure échangés avec les usagers et les
nœuds voisins.
L’auto-guérison : cette fonction assure le processus de restauration après un incident qui affecte le
fonctionnement du réseau, tels qu’un changement brusque d’interférence ou la détection de scénario
dit scénario de « ping pong » dans lequel un UE bascule continuellement entre deux cellules. [1]
[2] [9]
2.2.4.4 Support des réseaux HetNet
Le système LTE version 10 adopte le déploiement des réseaux hétérogènes (HetNet) qui combinent
des cellules à faible puissance de transmission et à couverture étroite (telles que les cellules femtos
et picos, les répéteurs et les nœuds de relai) avec la couche de cellules macros.
Comme le réseau devient de plus en plus complexe en supportant les réseaux HetNet, le problème
de gestion de ressources radios est devenu plus crucial. En effet, des travaux sont en cours de
développement tels que des méthodes avancées de gestion de ressources radios et l’amélioration
des fonctionnalités SON discutées auparavant. La version 10 de LTE continue à développer le dé-
ploiement des stations de base des cellules femtos (HeNB) comme étant un moyen pour améliorer
les performances du réseau et réduire le coût des infrastructures. [2] [9] [10]
2.3 Le réseau HetNet LTE
L'approche de déploiement de réseaux cellulaires traditionnels correspond à une seule architecture
cellulaire macro-centrée où les stations de base macro correspondent à un modèle prévu. Un tel
réseau cellulaire basé sur les cellules macros est désigné comme réseau homogène. Dans un réseau
homogène, toutes les stations de base ont les mêmes puissances d'émission, les diagrammes
d'antenne, les hauteurs d'antenne, le bruit du récepteur, la connexion backhaul au réseau de base, et
28
une connectivité sans restriction à tous les UEs. Toutefois, cette approche de déploiement dégrade
la couverture et la capacité des utilisateurs aux bords des cellules. [9]
L'une des approches pour résoudre ce problème est de rendre les émetteurs et les récepteurs proches
les uns des autres. Cependant, cette approche peut ne pas être économiquement viable, car elle
implique le déploiement de plusieurs stations de base macros (MeNBs) au sein du réseau et en
même temps l ‘acquisition de nouveaux sites pour les stations de base macros sur de hauts bâtiments
devient plus difficile dans les zones urbaines denses. Un mécanisme de déploiement plus flexible
et évolutif est nécessaire pour les opérateurs mobiles pour améliorer les services cellulaires de façon
rentable.
Figure 2.06 : Architecture HetNet
Au cours des dernières années, le modèle de déploiement à base de HetNet est considéré par les
opérateurs de téléphonie mobile. Le déploiement de HetNet offre une amélioration de l'efficacité
spectrale d'une manière évolutive et économique. HetNet correspond à un réseau cellulaire à
plusieurs niveaux où le réseau homogène existant est recouvert d'infrastructure supplémentaire sous
la forme de petites stations de base, de faible puissance, faible complexité et à courte portée. En
d'autres termes, un HetNet à deux niveaux comprend les MeNBs dans le premier niveau, recouvertes
29
de petites cellules (par exemple, HeNBs) dans le deuxième niveau. En raison de la petite couverture
des petites cellules, la bande de fréquence autorisée peut être efficacement réutilisée plusieurs fois
dans les éléments de second niveau d'un HetNet, ce qui améliore ainsi l'efficacité spectrale par unité
de surface et par conséquent la capacité du réseau. [8] [10]
2.3.1 Concept de petite cellule
On distingue trois types de stations de base composant un réseau HetNet LTE : la cellule macro, la
cellule pico et la cellule femto. [2]
2.3.1.1 La cellule macro
La cellule macro du réseau HetNet est une cellule dotée d’une couverture large, allant de quelques
centaines de mètres à quelques kilomètres. Cette couverture est assurée à travers des antennes à
forte puissance de transmission de l’ordre de quelques dizaines de watt. Dans le réseau HetNet LTE,
la cellule macro n’est autre que le nœud eNB, présenté auparavant. Il assure à travers ses antennes
sectorielles la communication avec les usagers et les autres composants du réseau. [2] [11]
2.3.1.2 La cellule pico
La cellule pico est une cellule mise en place afin de servir des hotspots dans une cellule macro tout
en minimisant l’interférence entre ces deux cellules. La couverture de la cellule pico est caractérisée
d’un rayon 10 fois inférieur à celle de la cellule macro. Cette cellule opère à une puissance de
transmission plus faible que celui de la cellule eNB. Cependant, elle a les mêmes fonctionnalités
que le nœud eNB, et requière aussi une installation effectuée par l’opérateur. [2] [11]
2.3.1.3 La cellule femto
La cellule femto est conçue pour servir un nombre limité d’usagers dans un environnement
résidentiel ou une petite entreprise. Le point d’accès femto est donc installé dans une résidence afin
de renforcer le signal du réseau dans cette région locale. Ce nœud est connecté au réseau cœur du
système LTE à travers une connexion de données fixe, telle qu’une connexion ADSL, câble ou fibre
optique. Ce nouveau point d’accès, facile à installer par l’abonné, est plus avantageux que les autres
cellules micros. En effet, les cellules picos sont installées et maintenues par l’opérateur, alors que
les cellules femtos sont installées aisément par l’abonnée lui-même, et entretenues à travers la
fonctionnalité d’auto-optimisation (SON). [2] [11]
30
2.3.2 Caractéristiques de l’émetteur-récepteur
Node AP Puissance d’émission Couverture Backhaul
Macro 46 𝑑𝐵𝑚 𝑄𝑢𝑒𝑙𝑞𝑢𝑒 𝑘𝑚 Interface S1
Pico 30(37) 𝑑𝐵𝑚 300(500) 𝑚 Interface X2
Femto < 23 𝑑𝐵𝑚 < 50 𝑚 DSL/Broadband
Relai 30 𝑑𝐵𝑚 300 𝑚 Wireless
Tableau 2.02: Caractéristiques de l’émetteur-récepteur de HetNet
Le tableau 2.02 représente les caractéristiques de l’émetteur-récepteur HetNet. [14]
2.3.3 Scénarios des interférences dans le réseau HetNet
Le déploiement de points de transmission/réception de faible puissance au sein d’une cellule macro
pose des problèmes d’interférence mutuelle, qu’il s’agit de résoudre afin d’optimiser le
fonctionnement d’un réseau hétérogène. Le 3GPP a travaillé sur deux scenarios d’interférence
particuliers en Release 10 :
- Le scenario macro-pico
- Le scenario macro-femto
Ces deux scenarios sont illustrés par la figure 2.07 suivante. Dans le scenario macro-pico, la cellule
macro génère une forte interférence pour la cellule pico, qui limite son rayon en voie descendante.
Dans le scenario macro-femto, c’est la cellule femto qui crée un trou de couverture dans la cellule
macro pour les UE ne possédant pas les droits d’accès à ces femto mais se trouvant à proximité.
Figure 2.07 : Scenario d’interférences pour les réseaux hétérogènes
31
Le déploiement d’un point de transmission de faible puissance apporte un gain de capacité au réseau
sur la base des mécanismes suivants :
- Les UE à proximité du point de transmission de faible puissance ont un débit plus élevé en
voie montante a puissance d’émission égale, en raison des pertes de propagation moindres
liées à la distance plus faible du récepteur.
- Les UE à proximité du point de transmission de faible puissance ont un meilleur débit en
voie descendante s’ils en sont suffisamment proche, de sorte que la faible distance compense
la puissance d’émission réduite par rapport à une cellule macro.
- Le point de transmission de faible puissance décharge la cellule macro d’une partie de son
trafic, ce qui libère des ressources de cette dernière pour servir plus généreusement les UE
qui y sont connectés.
On comprend ainsi qu’il existe une zone autour du point de faible puissance ou le meilleur point de
transmission (au sens de la puissance reçue en voie descendante) est l’eNodeB macro tandis que le
meilleur point de réception (en voie montante) est le point de faible puissance. Afin de maximiser
le nombre d’UE connecté à ce dernier, et ainsi décharger au maximum la cellule macro, il est
nécessaire d’étendre autant que possible le rayon de couverture du point de faible puissance en voie
descendante. Ceci implique la mise en œuvre de techniques de coordination d’interférence. [1]
Trois grands types de technique de coordination d’interférence ont été étudier :
- Les techniques de contrôle de puissance ;
- Les techniques d’eICIC basées sur l’agrégation de porteuses ;
- Les techniques d’eICIC basées sur une coordination d’interférence dans le domaine
temporel.
Les techniques de contrôle de puissance s’appuient sur les mécanismes de contrôle de puissance
existants et ne sont pas normalisées. [1] [10]
2.3.4 Nouvelles catégories d’UE
La release 10 ajoute trois nouvelles catégorie d’UE, dont les caractéristiques sont résumées dans le
tableau 2.03 suivant :
32
Catégorie
d’UE
Débit crête en
DL/UL(Mbps)
Nombre maximale
couches spatiales en DL
Prise en charge de la
64-QAM en UL
Catégorie 6 300/50 2 𝑜𝑢 4 Non
Catégorie 7 300/100 2 𝑜𝑢 4 Non
Catégorie 8 3 000/1 500 8 Oui
Tableau 2.03: Nouvelles catégories d’UE
Pour une catégorie donnée, le débit crête est atteint avec différentes configurations d’agrégation de
porteuses et de MIMO. Par exemple, le même débit crête est atteint avec une configuration
MIMO4×4 dans une largeur bande de 20 𝑀𝐻𝑧, ou une configuration MIMO 2×2 dans une largeur
de bande 2×20𝑀𝐻𝑧 (avec agrégation de porteuses).La complexité d’intégration de l’agrégation de
porteuses au niveau de l’UE étant moindre que celle du MIMO 4×4,les catégories 6 𝑒𝑡 7 pourront
faciliter l’atteinte du débit crête de 300𝑀𝑏𝑝𝑠 en voie descendante, permis uniquement par le MIMO
4×4 en Release 8 (qui correspond à la catégorie d’UE 5)
La catégorie 8 montre les performances maximales possibles avec la technologie LTA-Advanced.
Notons que ces débits fantastiques requièrent l’agrégation de 5 porteuses en voie montante et en
voie descendante, ainsi qu’une configuration MIMO 8×8, et ne seront donc pas observables
commercialement dans les premiers produits LTE-Advanced.
Un changement notable apporte en Release 10 est la séparation des capacités MIMO d’un terminal
de sa catégorie. En effet, le nombre de couche MIMO prise en charge pour le SU-MIMO est en
Release 8 et 9 défini par la catégorie de l’UE. En Release 10, puisqu’un débit crête peut-être atteint
par différentes configurations MIMO, le nombre de couches spatiales gérées est signalé par l’UE
comme une capacité. Il existe ainsi une capacité pour le MIMO en voie descendante et une autre
pour le MIMO en voie montante. La prise en charge de l’agrégation de porteuses constituent
également une capacité, qui définit les combinaisons de bandes, la largeur de bande totale et le
nombre de porteuses gérées.
Pour les besoins de compatibilité avec les réseaux LTE Release 8 et 9, un UE Release 10 se doit de
signaler deux catégories :sa catégorie Release 10, ainsi que la catégorie Release 8 qui s’en approche
le plus. Par conséquentes UE de catégorie Realise 6 et 7 signalent également une catégorie 4, tandis
qu’un UE de catégorie 8 signale aussi une catégorie 5.
En outre, les catégories d’UE 1 à 5 de la Release 8 peuvent être étendues en Release 10 pour prendre
en charge l’agrégation de porteuses et el MIMO en voie montante, via la signalisation des capacités
33
associées. Ainsi, le débit crête de la catégorie 3 en voie montante, défini pour une bande de 20MHz
dans une configuration MIMO 2×2. Ceci permet de réutiliser les catégories des Releases
précédentes pour adapter aux mieux la complexité (et donc le cout) des UE aux allocations
spectrales des opérateurs. [1][5][6]
2.3.5 L’eICIC basées sur l’agrégation de porteuses
Les techniques d’eICIC basées sur l’agrégation de porteuses utilisent la fonctionnalité de scheduling
interporteuses présenté à la section agrégation de porteuse, selon le principe décrit sur la figure 2.08
suivante.
Supposons que le système opère sur deux porteuses 𝑓1 et 𝑓2. La cellule macro st astreinte à
transmettre ses canaux de contrôle uniquement sur l’une des porteuses (par exemple 𝑓1), tandis que
les points de faible puissance ne u autorises à utiliser que l’autre porteuses 𝑓2 pour cet usage. Aucun
signal n’est transmis sur la région de contrôle de la porteuse non utilisée pour transmettre les canaux
de contrôle. En revanche, chaque cellule peut utiliser les deux porteuses 𝑓1 et 𝑓2pour transmettre le
PDSCH, en utilisant le scheduling interporteuses pour affecter des ressources sur la porteuse qui ne
porte pas la région de contrôle. On voit que si les régions de contrôle des différents points de
transmission sont alignées en temps, la macro n’interfère pas la région de contrôle transmise par les
points de faible puissance.
Figure 2.08 : L’eICIC basées sur l’agrégation de porteuses
34
L’eICIC basées sur l’agrégation de porteuses est donc efficace pour protéger la région de contrôle
de l’interférence intercellulaire. Pour protéger la région des données, il est nécessaire de faire appel
à autre techniques, par exemple aux technique d’ICIC définie en Release 8.
Les différentes point de transmission doivent être synchronises en temps, ce qui représente un cout
pour l’opérateur car il est nécessaire de mettre en œuvre des équipements assurant cette
synchronisation (récepteur GPS, ou mécanismes de synchronisation par le backhaul comme le
protocole IEEE 1588/PTPv2).De plus, l’opérateur doit posséder au moins deux porteuses afin
d’opérer cette technique sans réduction de performance pour les UE ne gérant pas l’agrégation de
porteuses (notamment les UE des Release 8 et 9).Dans le cas contraire, il sera toujours possible de
séparer une porteuse existante en deux porteuses de largeur plus faible, mais cela s’effectuera au
détriment de la performance des UE ne pouvant les agréger. En effet, un opérateur possédant par
exemple une allocation spectrale de 20 𝑀ℎ𝑧 pourra la séparer en deux porteuses contiguës de
10 𝑀𝐻𝑧 chacune afin de mettre en œuvre cette technique. Dans ce cas, les UE ne gérant pas
l’agrégation de porteuse seront restreint à utiliser une bande de 10 𝑀𝐻𝑧, ce qui se traduira par une
réduction de performance. Enfin, quelle que soit l’allocation spectrale, cette technique a pour effet
de réduire le nombre de ressource utilisables par la région de contrôle, cet qui réduit d’autant la
capacité du PDCCH, et donc le nombre d’UE pouvant être servis par sous-trame. [1] [12] [13] [14]
2.3.6 L’eICIC dans le domaine temporel
L’eICIC dans le domaine temporel est une solution qui protège à la fois la région de contrôle de la
région de données d’une sous-trame. Son principe est de réduire significativement la puissance
d’émission d’une cellule agresseur sur certaines sous-trame, afin de réduire l’interférence sur ces
sous-trame pour les UE servis par une cellule victime. Pour faire, la cellule agresseur transmet des
sous-trames presque vides (ABS Almost Blank Subframes), qui sont définies comme des sous-
trames portant au moins les signaux et canaux suivants :
- Les signaux de référence CRS (présent dans toutes les sous-trames) ;
- Les signaux de synchronisation PSS/SSS (présent uniquement dans les sous-trame 0 et 5 en
FDD) ;
- Le BCH (présent uniquement dans la sous-trame 0)
Les autres canaux (PDCCH, PDSCH, PCFICH, PHICH) ne sont pas transmis avec une puissance
faible.
35
La position des ABS dans le trame radio est définie de manière semi-statique (par exemple en
fonction de la repartition du trafic entre les cellules agresseur et victime) et échangée entre les
eNodeB coordonnés via l’interface X2 lorsqu’elle est présente. La cellule victime sait ainsi quelles
sous-trame sont transmises en tant qu’ABS et peut en profiter pour y servir avec une interférence
réduite les UE souffrant le plus de la cellule agresseur. Le principe de l’eICIC dans le domaine
temporel est illustre à la figure 2.09 suivante pour le scenario macro(agresseur)-pico(victime).
Le même principe peut s’appliquer pour le scenario macro-femto, sauf que c’est alors la femto CSG
() qui est l’agresseur et la macro qui est victime. En Release 10, l’interface X2 n’est pas définie
entre macro et femto, donc il n’est pas possible pour ces eNodeB d’adapter dynamiquement les
motifs d’ABS. Ces derniers doivent alors être fixes de manière statique par administration à
distance.
Macro
ABS ABS
Sous-
trame
#0
Sous-
trame
#1
Sous-
trame
#2
Sous-
trame
#3
Sous-
trame
#4
Sous-
trame
#5
Sous-
trame
#6
Sous-
trame
#7
Sous-
trame
#8
Sous-
trame
#9
Pico
Sous-
trame
#0
Sous-
trame
#1
Sous-
trame
#2
Sous-
trame
#3
Sous-
trame
#4
Sous-
trame
#5
Sous-
trame
#6
Sous-
trame
#7
Sous-
trame
#8
Sous-
trame
#9
Scheduling de UE
en bordure de
cellule
Scheduling de
UE en bordure de
cellule
Figure 2.09 : Principe de l’eICIC dans le domaine temporel pour le scénario macro-pico
Afin de prendre en compte la variabilité d’interférence au cours du temps, les mesures effectuées
par l’UE sont confinées a des ensembles spécifiques de sous-trames qui lui sont signales. Deux
ensembles peuvent être définis, par exemple l’ensemble des sous-trame interférées par des ABS de
l’agresseur d’une part, et l’ensemble des sous-trames interférées par des sous-trames normales
d’autre part. Ces restrictions sont particulièrement nécessaires dans les cas où les mesures mettent
en jeu des moyennes effectuées sur plusieurs sous-trames. Les mesures visées sont celles effectuées
36
pour la détermination du CQI, du RSRP et du RSRQ, ainsi que pour la surveillance de la qualité du
lien radio. En particulier, l’UE peut reporter deux CQI, un pour chaque ensemble.
Comme l’eICIC basées sur l’agrégation de porteuses, l’eICIC dans le domaine temporel requiert
une synchronisation temporelle de la cellule macro avec les cellules de faible puissance. De plus,
comme les ABS ne sont pas totalement vides, leur transmission crée une interférence résiduelle
(notamment en raison des CRS, présents dans toutes les sous trames) qui limite l’extension du rayon
de cellule. Cette interférence résiduelle doit être traitée au niveau du récepteur, par exemple par un
traitement d’annulation d’interférence. Des performances minimales des techniques de réception
visant à réduire cette interférence résiduelle sont prévues pour être normalisées en Release 11
(Rappelons que le 3GPP ne normalise les traitements de réception que par des exigences de
performance minimale, sans spécifier les traitements eux-mêmes). [1] [11] [15] [16]
2.4 Conclusion
Le réseau HetNet LTE est composé de deux couches de cellules : une couche de cellules macros, et
une couche de petite cellules (pico et femto). Les deux couches coexistent à travers une architecture
évoluée et se partagent les ressources afin d’offrir de meilleurs services aux usagers. Dans ce
chapitre, on a étudié la technologie LTE-Advanced et les techniques qui permettent d’atteindre les
exigences de l’UIT sur le LTE-Advanced. On s’est focalisé plus particulièrement sur le HetNet qui
est une nouvelle technique pour satisfaire les exigences de l’UIT sur le LTE-Advanced. On a vu
que la cohabitation de macro et les petites cellules risque une interférence qui peut dégrader la
performance du réseau. Pour cela on a cité quelques techniques pour coordination d’interférence
comme les techniques de contrôle de puissance, les techniques d’eICIC basées sur l’agrégation de
porteuses et les techniques d’eICIC basées sur une coordination d’interférence dans le domaine
temporel. On n’a parlé que les deux dernières techniques qui est normalisé par le 3GPP mais dans
le chapitre suivant on va se focaliser sur quelques techniques d’annulation d’interférence.
37
CHAPITRE 3
ANNULATION D’INTERFERENCE DL DANS UN RESEAU HETNET LTE-A
3.1 Introduction
Dans le réseau HetNet LTE, les cellules femtos sont déployées conjointement avec les cellules
macros. Cette nouvelle couche de cellules peut générer une interférence DL qui peut affecter les
usagers voisins attachés aux cellules macros (MUE), ainsi que les usagers voisins attachés à d’autres
cellules femtos (FUE). Ces scénarios d’interférence causent une dégradation de la performance du
système. Cependant, dans nos travaux de recherche, on propose une stratégie d’annulation de
l’interférence DL. En effet, cette stratégie vise à optimalement sélectionner les signaux interférents
à annuler afin de minimiser l’impact de l’interférence sur la qualité de signal offerte à l’usager et
ainsi améliorer la performance du système.
3.2 Déploiement de cellule femto
3.2.1 Définition
Une cellule femto est définie comme étant « l’élément de base du système cellulaire de téléphonie
mobile à faible puissance, prévue pour offrir une couverture radio limitée et souvent dédiée à un
usage résidentiel ou dans une entreprise ». La cellule femto est donc une station de base miniature,
à faible puissance, et permet de connecter un équipement mobile au réseau de l’opérateur en
exploitant une connexion Internet fixe tierce. La cellule femto permet ainsi de converger les réseaux
fixes et mobiles. [2] [17]
3.2.2 Avantages
Le concept de cellule femto présente des avantages et des profits tant pour le consommateur que
pour l’opérateur. En effet, l’installation d’une cellule femto dans sa résidence ou son entreprise
permet au consommateur de :
- Renforcer le signal en absence ou à faible couverture.
- Augmenter la capacité de transfert de données.
- Bénéficier des politiques de tarification forfaitaire pour la connexion au réseau de
l’opérateur et la connexion IP fixe. Ceci offre au client une réduction des frais des appels
émis à travers la cellule femto.
38
- Remplacer les téléphones DECT ou filaires de l’employé et lui offrir un seul téléphone
mobile qui englobe une seule liste de contacts et une seule boite de réception des messages.
- Offrir une utilisation simple et installation plug-and-play facile.
Par conséquent, le déploiement de la cellule femto augmente la satisfaction du client. Elle permet
donc d’améliorer l’expérience utilisateur à la maison ou à l’entreprise. Ceci permet à l’opérateur
de :
- Réduire le taux de désabonnement, suite à des réclamations de mauvaise couverture, en
offrant une meilleure qualité de lien et des services avancés aux abonnés.
- Gagner d’autres parts du marché et réaliser des gains importants.
- Substituer l’utilisation des fréquences non licenciées par d’autres licenciées.
- Diminuer la puissance : environ de 8 à 12 𝑚𝑊 moins que celle des points d’accès Wifi.
- Assurer l’inter-opérabilité et la compatibilité avec les systèmes de communication mobile
(UMTS, WIMAX, LTE...) et les connexions Internet (DSL, Cable, Fiber).
[14] [17]
3.2.3 Fonctionnement
Le service de la cellule femto est vendu par l’opérateur de communication mobile à ses abonnés,
résidentiels ou professionnels. Un point d’accès est donc fourni au client, lui permettant d’une part
de mettre en place une petite cellule de la taille d’une résidence. D’autre part, ce boîtier se connecte
au réseau de l’opérateur à travers le routeur d’une connexion IP fixe (ADSL, câble, fibre optique).
La mise en marché de la cellule femto est très facile. En effet, un simple « plug and play » permet
de déployer la cellule. Ensuite, le client doit déclarer, à travers une interface web simplifiée, le
nombre maximal de téléphones autorisés à se connecter à la cellule. Ce nombre varie de 2 à 4 dans
un environnement résidentiel et s’étend à 16 équipements dans une entreprise. Une procédure de
sécurité permet de restreindre l’accès à la cellule femto exclusivement aux mobiles autorisés.
Une fois couvert par sa zone de couverture, le mobile bascule automatiquement et communique
avec la station de base de la cellule femto au lieu de la cellule macro. Ce processus appelé «
Handover » est effectué d’une façon transparente par rapport à l’utilisateur, même lors d’une
communication vocale. Réciproquement, un handover vers la cellule ayant la meilleure qualité de
lien radio sera déclenché automatiquement. [18]
39
3.2.4 Architecture
L’architecture du déploiement d’une cellule femto comporte 3 entités principales qui communiques
entre elles.
La première entité n’est autre que le point d’accès de cette cellule. En effet, le fonctionnement de
cette station de base locale est globalement semblable à la station de base de la cellule macro, avec
quelques fonctionnalités réseaux avancées ajoutées.
Le deuxième composant du système est une passerelle de la cellule femto. Cette passerelle assure
l’agrégation et la validation du trafic de signalisation entre les différentes cellules femtos. Elle gère
aussi l’authentification entre ces cellules femtos, ainsi que la sécurisation de la communication entre
elles.
Une troisième entité, appelée système de gestion, assure la distribution des mises à jour des
logiciels utilisés par les stations de base. Ce système se charge aussi d’effectuer les diagnostics de
vérification, en utilisant le protocole de gestion TR.069.
Dans la terminologie 3GPP, la station de base d’une cellule femto est appelée Home Node B (HNB)
pour le système HSPA, et Home enhanced Node B (HeNB) pour le système LTE. En effet, le sous-
système HeNBS se compose d’une station HeNB et optionnellement d’une passerelle HeNB GW.
HeNB est un équipement local pour l’utilisateur ; en fait, il est hébergé chez le consommateur et
offre l’interface LTE-Uu à l’équipement de l’utilisateur (UE).
Le sous-système HeNBS se connecte au système EPC à travers l’interface standard S1. Plus
spécifiquement, le HeNB communique avec l’entité de gestion de la mobilité MME à travers
l’interface S1-MME. De même, le HeNB se connecte à la passerelle de service S-GW à travers
l’interface S1-U. La figure 3.01 résume les connexions entre ces différentes entités.
Pour assurer le bon fonctionnement du réseau de l’opérateur, le HeNB ne doit en aucun cas
affecter le fonctionnement de la cellule macro et sa station de base eNB. Il doit aussi minimiser la
surcharge dûe à l’enregistrement du mobile de l’utilisateur à la cellule femto, et également la cellule
macro. De même, la capacité des nœuds déjà existantes ne doit pas être affectée par l’ajout d’une
cellule femto au réseau de l’opérateur. En outre, la connexion à une cellule femto d’un
consommateur spécifique ne doit être offerte que pour les mobiles autorisés. Pour assurer ces
objectifs, plusieurs techniques et mécanismes ont été mis en place au sein de la technologie de
cellule femto. [2] [17]
40
Figure 3.01 : Architecture logique HeNB E-UTRAN
- L’entité HeNB
HeNB possède les mêmes fonctionnalités qu’une station de base d’une cellule macro eNB, en plus
de quelques spécifications additionnelles en cas de connexion avec un HeNB GW. De même, les
procédures se déroulant entre un HeNB et EPC doivent se dérouler similairement à celles se
déroulant entre un eNB et EPC, avec des exceptions mineures. Les fonctions principales de base du
HeNB se résument globalement en :
La gestion des ressources radios : tel que le contrôle d’admission radio, contrôle de mobilité,
l’allocation dynamique des ressources aux UEs sur les deux liens UL et DL.
La compression et cryptage de l’entête IP du flux de données.
La sélection d’une MME lors de l’attachement d’un UE, si aucune MME n’est spécifiée par
la configuration fournie à cet UE.
L’acheminement des données de l’utilisateur vers la passerelle S-GW.
L’ordonnancement et la transmission des messages de pagination provenant de la MME.
La configuration des rapports de mesure de mobilité et d’ordonnancement.
Si le HeNB est associé à un HeNB GW, des spécifications sont ajoutées aux fonctionnalités
ci-dessus. Parmi ces spécifications on cite :
41
La découverte du HeNB GW approprié.
Une fois connecté à un HeNB GW, le HeNB ne peut pas se connecter à un autre HeNB GW
ou un autre MME.
L’indicatif régional de suivi (TAC) et l’identifiant du réseau mobile terrestre public (PLMN
ID) utilisés par le HeNB doivent être supportés par le HeNB GW.
Lorsque le HeNB est connecté à un HeNB GW, la sélection d’une MME lors de l’attachement
du UE est effectuée par le HeNB GW au lieu du HeNB. [14]
- L’entité HeNB GW
Le HeNB GW est une entité intermédiaire qui gère le dialogue entre la MME et le HeNB qui servent
l’UE. En effet, le HeNB GW parait à MME comme étant un eNB, et parait au HeNB comme étant
une MME. Le HeNB GW permet aussi de déterminer, entre autres, le TAC et PLMN ID pour le
HeNB. L’avantage principal du HeNB GW est qu’il peut desservir plus qu’un seul HeNB
simultanément. [14]
3.3 Le modèle du système
Afin de remédier au problème d’interférence du lien DL, la stratégie proposée dans nos travaux
consiste à diminuer l’impact des signaux interférents sur le SINR reçu par l’utilisateur.
On suppose que notre système HetNet est composé d’une couche de cellules macros et une couche
de cellules femtos.
Ces nœuds desservent un ensemble d’usagers qu’on note 𝐿. Considérant un usager quelconque u ∈
L, il est évident que l’ensemble des cellules voisines interférentes, noté Ju, dégradent sévèrement
le SINR de cet usager.
En effet, chaque usager 𝑢 calcule son SINR reçu à chaque bloc de ressources radio (RB), à chaque
instant de transmission TTI, en utilisant l’expression suivante :
𝛾𝑢,𝑟 =𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
∑ 𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝐽∈𝑃𝑢,𝑗,𝑟+ 𝜎𝑢,𝑟
(3.01)
Où 𝛾𝑢,𝑟 désigne le SINR reçu, 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 est la puissance reçue dans le RB 𝑟 de la part de la cellule
𝑖(𝑢) à qui il est attaché, 𝑃𝑢,𝑗,𝑟 désigne la puissance reçue de la part de la cellule voisine interférente
𝑗 ∈ 𝐽𝑢 transmettant dans le même RB r au même TTI, et 𝜎𝑢,𝑟 est la puissance du bruit Gaussien
42
reçu par l’usager 𝑢.
Afin de définir rigoureusement l’expression du SINR reçu de l’usager u, on définit les paramètres
suivants :
𝐿𝑀,𝑖(𝑢),𝑟 : Modélise le gain d’antenne ainsi que la propagation du pathloss due à la distance séparant
l’usager 𝑢 et sa station de base 𝑖(𝑢).
𝐿𝑆,𝑖(𝑢),𝑟 désigne l’évanouissement causé par les obstacles du trajet entre l’usager 𝑢 et sa station de
base 𝑖(𝑢).
En se basant sur ces paramètres, la puissance 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 reçue à partir de la cellule 𝑖(𝑢) dans le RB r
est exprimée comme suit :
𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 = 𝐿𝑀,𝑖(𝑢),𝑟×𝐿𝑆,𝑖(𝑢),𝑟×𝑃𝑖(𝑢),𝑟,𝑡𝑥 (3.02)
Où 𝑃𝑖(𝑢),𝑟,𝑡𝑥 désigne la puissance de transmission de la cellule 𝑖(𝑢) dans le RB 𝑟.
Similairement, on exprime la puissance interférente 𝑃𝑢,𝑗,𝑟 reçue à partir de la cellule voisine 𝑗 ∈ 𝐽𝑢
dans le RB 𝑟 comme suit :
𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 = 𝐿𝑀,𝑢,𝑗,𝑟×𝐿𝑆,𝑢,𝑗,𝑟×𝑃𝑗,𝑟,𝑡𝑥 (3.03)
Où 𝑃𝑗,𝑟,𝑡𝑥 désigne la puissance de transmission de la cellule voisine 𝑗 ∈ 𝐽𝑢 dans le RB 𝑟, 𝐿𝑀,𝑢,𝑗,𝑟
modélise le gain d’antenne ainsi que la propagation du pathloss due à la distance séparant l’usager
𝑢 et la station de base voisine 𝑗 ∈ 𝐽𝑢 et 𝐿𝑆,𝑢,𝑗,𝑟 désigne l’évanouissement causé par les obstacles du
trajet entre l’usager 𝑢 et la station de base voisine 𝑗 ∈ 𝐽𝑢.
Par conséquent, le SINR reçu de l’usager u est calculé en utilisant l’expression suivante :
𝛾𝑢,𝑟 =𝐿𝑀,𝑢,𝑖(𝑢),𝑟×𝐿𝑆,𝑢,𝑖(𝑢),𝑟×𝑃𝑖(𝑢),𝑟,𝑡𝑥
∑ 𝐿𝑢,𝑗,𝑟×𝐿𝑆,𝑢,𝑗,𝑟×𝑃𝑗,𝑟,𝑡𝑥 + 𝜎𝑢,𝑟𝐽∈𝑃𝑢,𝑗,𝑟
(3.04)
Pour simplifier la présentation, on utilisera dans le reste de ce mémoire l’expression du SINR reçu
citée dans l’équation (4.01). [2] [18]
3.4 Principe de la stratégie d’annulation de l’interférence DL
Plusieurs travaux de recherche ont été développés afin de remédier au problème de l’interférence
DL dans le réseau HetNet LTE et différentes approches ont été proposées comme solutions à ce
problème. En effet, les techniques de coordination d’interférence ont été couramment présentées
43
comme une solution efficace pour éliminer l’interférence DL. Le concept de base de la coordination
d’interférence consiste à appliquer des restrictions lors de la gestion des ressources temporelles et
fréquentielles de manière coordonnée entre les stations de base.
Plusieurs algorithmes de contrôle de puissance ont été largement développés afin d’optimiser la
puissance de transmission des stations de base dans un réseau HetNet. De plus, une nouvelle
stratégie de transmission sans fil, appelée alignement d’interférence, a été proposée afin de réduire
l’impact de l’interférence DL. Elle est basée sur la coordination entre plusieurs émetteurs afin de
mutuellement aligner l’interférence au niveau du récepteur UE, ce qui simplifie sa suppression. [18]
A travers ce travail, on propose trois nouvelles stratégies d’annulation de l’interférence DL dans un
réseau LTE HetNet. En effet, la technique d’annulation d’interférence présente l’avantage de la
simplicité du concept en exigeant un minimum d’efforts de coordination et de surcharge du réseau.
De plus, elle permet aux usagers de transmettre simultanément sans aucune restriction des
ressources temporelles et/ou fréquentielles, ce qui résulte en une meilleure efficacité spectrale et
une augmentation du débit. Cependant, la technique d’annulation possède le seul inconvénient de
mettre une certaine charge de calcul du côté du récepteur. Par conséquent, le récepteur annulateur
est capable d’assurer la fiabilité de la réception des données, même en présence des signaux
interférents.
Par la suite, la stratégie de sélection des signaux interférents à annuler détermine la performance
du récepteur annulateur. En conséquence, on propose dans nos travaux de recherche une stratégie
de sélection optimale des signaux interférents à annuler, tout en la comparant avec deux autres
stratégies plus simples. L’objectif de la stratégie proposée est de déterminer d’une façon optimale
les signaux interférents à annuler dans l’objectif d’améliorer le SINR reçu par l’usager. Cette
nouvelle stratégie se distingue par le fait qu’elle se base sur de nouvelles fonctions d’utilité qui
permettent de maximiser le SINR, le débit ainsi que la QoS tout en tenant compte des coûts de
calcul qui résultent des efforts d’annulation. Du point de vue analytique, le terme ∑ 𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝑗∈𝐽𝑢 de
l’équation (4.01) doit être minimisé afin d’améliorer le SINR. En outre, ce terme représente la
somme des puissances reçues des cellules voisines transmettant au même RB et au même instant
que l’usager reçoit le signal qui lui est destiné. [18]
3.4.1 Principe de base
La stratégie d’annulation de l’interférence DL proposée consiste à sélectionner les signaux
interférents à annuler, ainsi que de déterminer leurs taux d’annulation. Le principe de base
44
analytique de cette stratégie vise donc à annuler les signaux interférents selon des taux compris
entre 0 et 1, appelés aussi coefficients d’annulation. Ces coefficients, notés 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) , réduisent
les valeurs de ces puissances interférentes reçues, et par la suite minimisent le terme ∑ 𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝐽∈𝑃𝑢,𝑗,𝑟
Par conséquent, le SINR reçu résultant après la procédure d’annulation, appelé SINR post-IC, est
exprimée comme suit :
𝛾𝑢,𝑟 =𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
∑ 𝑎𝑢,𝑗,𝑟×𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝐽∈𝑃𝑢,𝑗,𝑟+ 𝜎𝑢,𝑟
(3.05)
Afin d déterminer les valeurs des coefficients 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) , nous avons élaboré trois stratégies qui
permettent d’exprimer adéquatement ces coefficients en fonction des autres paramètres. En effet,
dans la première stratégie, les coefficients dépendent seulement des puissances interférentes
reçues 𝑃𝑢,𝑗,𝑟. Dans la deuxième, les valeurs des coefficients dépendent de la puissance reçue de la
part de la cellule servante 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 ainsi que des puissances interférentes reçues à partir des
cellules voisines 𝑃𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢).
Dans la troisième stratégie, on essaye de calculer les coefficients d’une façon optimale permettant
de maximiser le SINR reçu de l’usager en se basant sur le concept de maximisation de fonctions
d’utilité. On détaillera ces trois stratégies dans les sections suivantes. [18]
3.4.2 La première stratégie
Le principe de base la première stratégie consiste simplement à calculer les coefficients
d’annulation dépendamment de la contribution de chaque puissance dans l’interférence résultante
reçue. En effet, le coefficient 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 correspondant à la puissance du signal du cellule servante
reçue alors 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) a pour expression :
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 = 1 − 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
∑ 𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝑘∈𝐽𝑢
(3.06)
En utilisant cette expression, le coefficient 𝑎𝑢,𝑗,𝑟 est inversement proportionnel au ratio de la
puissance reçue 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 sur la somme des puissances interférentes reçues ∑ 𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝑘∈𝐽𝑢 . Par
conséquent, les puissances qui interfèrent le plus sur l’usager u vont être réduites avec des
coefficients de valeurs plus faibles.
En utilisant les expressions (3.05) et (3.06), on définit la première stratégie d’annulation de
l’interférence DL comme suit :
45
Algorithme 1 : Première stratégie d’annulation de l’interférence DL
Voici alors l’algorithme de la première stratégie d’annulation d’interférence. Cette stratégie tient
compte uniquement des puissances interférentes 𝑃𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢).
Chaque usager u ∈ L mesure 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟, 𝑃𝑢,𝑗,𝑟 pour 𝑗 ∈ 𝐽𝑢 et 𝜎𝑢,𝑟
L’usager 𝑢 calcule les coefficients 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) en utilisant la formule
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 = 1 − 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
∑ 𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝑘∈𝐽𝑢
L’usager u calcule le SINR reçu en utilisant l’expression
𝛾𝑢,𝑟 =𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
∑ 𝑎𝑢,𝑗,𝑟×𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝐽∈𝑃𝑢,𝑗,𝑟+ 𝜎𝑢,𝑟
Fin
Fin
[30]
3.4.3 La deuxième stratégie
Cette stratégie est définie afin de surpasser la limite de la première. En effet, la deuxième stratégie
prend en considération les puissances 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 et 𝑃𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) dans le calcul des coefficients. L’idée
de base de cette stratégie est de réduire suffisamment la puissance interférente reçue 𝑃𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢)
jusqu’à être inférieure à un seuil défini par 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
𝛼 , où 𝛼 est un paramètre à fixer. Par conséquent,
l’expression de chaque coefficient 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) est définie comme suit :
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 = 𝑚𝑖𝑛 (1, 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
𝛼𝑃𝑢,𝑗,𝑟)
(3.07)
En utilisant l’expression (3.05) et (3.07), on définit la deuxième stratégie d’annulation de
l’interférence DL comme suit :
Algorithme 2 : Deuxième stratégie d’annulation de l’interférence DL
Chaque usager u ∈ L mesure 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟, 𝑃𝑢,𝑗,𝑟 pour 𝑗 ∈ 𝐽𝑢 et 𝜎𝑢,𝑟
L’usager 𝑢 calcule les coefficients 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) en utilisant la formule
46
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 = 𝑚𝑖𝑛 (1, 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
𝛼𝑃𝑢,𝑗,𝑟)
L’usager 𝑢 calcule le SINR reçu en utilisant l’expression
𝛾𝑢,𝑟 =𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
∑ 𝑎𝑢,𝑗,𝑟×𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝐽∈𝑃𝑢,𝑗,𝑟+ 𝜎𝑢,𝑟
Fin
Fin
[30]
3.4.4 La troisième stratégie
Dans cette troisième stratégie, on cherche à proposer une solution optimale qui permet de calculer
les valeurs optimales des coefficients 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) en utilisant le concept de fonctions d’utilité.
En effet, les fonctions d’utilité ont été largement adoptées par les algorithmes de contrôle de
puissance ainsi que les approches d’allocation de ressources radios. De plus, quelques solutions
d’alignement de l’interférence se basent dans leurs concepts sur ces fonctions. Cependant, au
meilleur de notre connaissance, ce concept n’a pas été encore utilisé par les stratégies d’annulation
de l’interférence DL dans un réseau HetNet. De plus, la maximisation de la fonction d’utilité permet
à l’usager de sélectionner proprement les signaux interférents reçus à annuler et détermine
optimalement le taux d’annulation pour chaque signal interférent.
Par conséquent, on définit pour chaque usager 𝑢 ∈ 𝐿 une fonction d’utilité nette notée 𝑈𝑛𝑒𝑡,𝑢
qu’il cherche à maximiser. L’expression standard de cette fonction pour une station de base dans
un réseau cellulaire se compose d’une fonction d’utilité notée 𝑈𝑢 qui représente le degré de
satisfaction du client, et d’une fonction de coût 𝐶𝑢 qui représente le coût encouru afin d’atteindre
ce niveau de satisfaction. L’expression de la fonction d’utilité nette 𝑈𝑛𝑒𝑡,𝑢 est présentée alors par
l’expression suivante :
𝑈𝑛𝑒𝑡,𝑢(𝛾𝑢) = 𝑈𝑢(𝛾𝑢) − 𝐶𝑢(𝛾𝑢) (3.08)
Il est à noter que la fonction de coût est introduite afin de représenter les coûts de calcul engendré
par un processus d’annulation précis caractérisé par des erreurs d’implémentation réduits. En effet,
l’implémentation d’une annulation parfaite de l’interférence (i.e. 𝑎𝑢,𝑗,𝑟 = 0 (𝑗 ∈ 𝐽𝑢)) est
pratiquement non réalisable. De plus, l’annulation quasi-parfaite d’un signal interférent reçu ne peut
47
être effectuée sans exiger une lourde charge de calcul. La fonction 𝐶𝑢 permet donc de concevoir une
stratégie d’annulation efficace et réalisable. Par conséquent, pour chaque usager, on utilise la même
fonction de coût définie comme suit :
𝐶𝑢(𝛾𝑢) = 𝛽𝛾𝑢 (3.09)
Où 𝛽 est le paramètre de coût à déterminer.
Afin de calculer d’une façon optimale les valeurs des coefficients 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) , on cherche à
calculer le SINR optimal noté (𝛾𝑢)qui permet de maximiser la fonction d’utilité nette 𝑈𝑛𝑒𝑡,𝑢.
Pour ce faire, on dérive l’équation (4.08) par rapport à la variable 𝛾𝑢 , en utilisant aussi l’expression
(4.09). Le SINR optimal (𝛾𝑢) sera donc exprimé comme suit :
𝑑𝑈𝑛𝑒𝑡,𝑢(𝛾𝑢)
𝑑𝛾𝑢= 𝑈𝑢
′ (�̂�𝑢) − 𝛽 = 0 ↔ (𝛾
𝑢) = 𝑈𝑢
′−1(𝛽) (3.10)
En remplaçant l’équation (4.05) par l’expression du SINR optimal (4.10), on extrait la condition
suivante :
∑ 𝑎𝑢,𝑗,𝑟×
𝑗∈𝐽𝑢
𝑃𝑢,𝑗,𝑟 =𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
𝑈𝑢′−1(𝛽)
− 𝜎𝑢,𝑟
(3.11)
Par conséquent, on peut exprimer le coefficient 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) comme suit :
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 =1
𝑣𝑢𝑃𝑢,𝑗,𝑟[𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
𝑈𝑢′−1(𝛽)
− 𝜎𝑢,𝑟] (3.12)
Où 𝑣𝑢 représente le nombre de cellules interférentes 𝑣𝑢 = 𝑐𝑎𝑟𝑑(𝐽𝑢)
En utilisant cette expression des coefficients 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) on réussit à réduire l’interférence
DL reçue par l’usager 𝑢 ∈ 𝐿 jusqu’à un niveau garantissant un SINR optimal. Cependant, dans ce
processus de calcul de coefficients, on distingue entre deux types d’usagers, MUE et FUE. [18]
- Fonction d’utilité et coefficients d’annulation du MUE
Pour chaque usager MUE, on définit une fonction d’utilité qui représente le degré de satisfaction de
l’usager en termes de qualité de service. Analytiquement, on définit pour l’usager MUE u ∈ L𝑚
sa fonction d’utilité notée U𝑚,𝑢 comme suit :
U𝑚,𝑢(𝛾𝑢) =1
1 + exp (−𝛼𝑚𝛾𝑢)
(3.13)
48
Où L𝑚 représente l’ensemble des usagers macros et 𝛼𝑚 un paramètre qui contrôle la pente de la
fonction d’utilité. Il est à constater qu’un haut SINR 𝛾𝑢
peut être atteint si la dérivée de la fonction
d’utilité 𝑈𝑢,𝑚′ devient plus plate. Ceci revient à prendre des valeurs plus petites du paramètre 𝛼𝑚.
Dans nos travaux, on adopte une forme similaire de fonction d’utilité dans l’objectif de déterminer
d’une façon optimale les valeurs des coefficients d’annulation des différents signaux interférents
reçus, et par la suite sélectionner proprement les signaux interférents à annuler. Par conséquent, la
maximisation de la fonction d’utilité nette de chaque usager permet d’optimiser son SINR reçu.
Figure 3.02 : Courbe représentative de la fonction 𝑈𝑚,𝑢(𝛼𝑚=1)
La fonction d’utilité U𝑚,𝑢 capture alors la qualité de service offerte à l’usager. Comme le représente
la figure 4.01, il est clair qu’en maximisant la fonction d’utilité U𝑚,𝑢, l’usager est de plus en plus
satisfait de la qualité de service offerte. Cependant, la valeur de la fonction de coût 𝐶𝑢 augmente en
maximisant la fonction d’utilité U𝑚,𝑢. De ce fait, la fonction d’utilité nette U𝑛𝑒𝑡,𝑢 est exprimée
comme suit :
U𝑛𝑒𝑡,𝑢(𝛾𝑢) =1
1 + exp (−𝛼𝑚𝛾𝑢)− 𝛽𝑚𝛾𝑢
(3.14)
Où 𝛽𝑚 est le paramètre 𝛽 correspondant à l’usager MUE.
En utilisant cette expression de la fonction d’utilité nette, la forme analytique suivante du SINR
optimal 𝛾𝑢
peut être obtenue à partir de l’expression (3.10)
49
𝛾𝑢= −
1
𝛼𝑚𝑙𝑛 (
𝛼𝑚
2𝛽𝑚− 1 − √(
𝛼𝑚
2𝛽𝑚− 1)
2
− 1)
(3.15)
L’expression finale du coefficient 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) de l’usager MUE u ∈ L𝑚 est présentée ci-dessous
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 =1
𝑣𝑢𝑃𝑢,𝑗,𝑟
[
−𝛼𝑚
𝑙𝑛 (𝛼𝑚
2𝛽𝑚− 1 − √(
𝛼𝑚
2𝛽𝑚− 1)
2
− 1)
𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 − 𝜎𝑢,𝑟
]
(3.16)
Il est à noter que deux conditions doivent être respectées par les équations (3.15) et (3.16).
La première condition vérifie que (𝛼𝑚
2𝛽𝑚− 1)
2
− 1 ≥ 0 . Afin de respecter cette condition, on doit
définir les paramètres 𝛼𝑚 et 𝛽𝑚 en vérifiant que 𝛼𝑚 ≥ 4𝛽𝑚. De plus, la deuxième condition exige
(𝛼𝑚
2𝛽𝑚− 1 − √(
𝛼𝑚
2𝛽𝑚− 1)
2
− 1) > 0. Cette condition est vérifiée pour 𝛼𝑚 ≥ 4𝛽𝑚 . En conclusion,
on a intérêt à minimiser assez faible que possible le paramètre 𝛼𝑚 afin de maximiser le SINR reçu
optimal 𝛾𝑢
, tout en respectant la condition 𝛼𝑚 ≥ 4𝛽𝑚
- Fonction d’utilité et coefficients d’annulation du FUE
D’une façon similaire aux MUEs, on définit pour chaque usager u ∈ L𝑓 sa fonction d’utilité U𝑓,𝑢
sous la forme suivante :
𝑈𝑓,𝑢(𝛾𝑢) = 𝑊𝑙𝑜𝑔(1 + 𝛾𝑢) (3.17)
Où 𝑊 représente la bande de fréquence du système.
La fonction d’utilité U𝑓,𝑢 capture la capacité de Shannon pour cet usager FUE. On trace dans la
figure 4.02 suivante la courbe représentative de cette fonction.
Par conséquent, la fonction d’utilité nette de l’usager U𝑛𝑒𝑡,𝑢 est définie comme suit :
𝑈𝑛𝑒𝑡,𝑢(𝛾𝑢) = 𝑊𝑙𝑜𝑔(1 + 𝛾𝑢) − 𝛽𝑓𝛾𝑢) (3.18)
Où 𝛽𝑓 est le paramètre 𝛽 correspondant à l’usager FUE. L’usager FUE cherche à maximiser sa
fonction d’utilité nette afin d’améliorer son débit de connectivité.
50
Figure 3.03 : Courbe représentative de la fonction 𝑈𝑓,𝑢 (W=5MHz)
En utilisant cette expression et l’équation (4.12), on extrait l’expression du coefficient 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢)
de l’usager u ∈ L𝑓 comme suit :
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 =1
𝑣𝑢𝑃𝑢,𝑗,𝑟[
𝛽𝑓
𝑊 − 𝛽𝑓𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 − 𝜎𝑢,𝑟]
(3.19)
En résumé, le principe de base de cette troisième stratégie est de calculer d’une façon optimale les
valeurs des coefficients 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) , ce qui mène à une optimisation du SINR reçu. On résume
dans ce qui suit cette troisième stratégie.
Ces stratégies d’annulation de l’interférence DL ont pour objectifs d’améliorer l’expérience
utilisateur et d’éliminer l’impact de l’interférence sur la performance du réseau HetNet LTE. Afin
de vérifier la performance des stratégies proposées, on les a implémentées dans notre simulateur.
Algorithme 3 : Troisième stratégie d’annulation de l’interférence DL
Chaque usager u ∈ L mesure 𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟, 𝑃𝑢,𝑗,𝑟 pour 𝑗 ∈ 𝐽𝑢 et 𝜎𝑢,𝑟
Si l’usager est MUE
il calcule les coefficients 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) en utilisant
51
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 = 𝑚𝑖𝑛 (1,1
𝑣𝑢𝑃𝑢,𝑗,𝑟[−
𝛼𝑚
𝑙𝑛(𝛼𝑚2𝛽𝑚
−1−√(𝛼𝑚2𝛽𝑚
−1)2−1)
𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 − 𝜎𝑢,𝑟])
il calcule le SINR reçu en utilisant l’expression
𝛾𝑢,𝑟 =𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
∑ 𝑎𝑢,𝑗,𝑟×𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝐽∈𝑃𝑢,𝑗,𝑟+ 𝜎𝑢,𝑟
Si l’usager est FUE
il calcule les coefficients 𝑎𝑢,𝑗,𝑟(𝑗 ∈ 𝐽𝑢) en utilisant
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 = 𝑚𝑖𝑛 (1,1
𝑣𝑢𝑃𝑢,𝑗,𝑟[
𝛽𝑓
𝑊 − 𝛽𝑓𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟 − 𝜎𝑢,𝑟])
il calcule le SINR reçu en utilisant l’expression
𝛾𝑢,𝑟 =𝑃𝑢,𝑖(𝑢),𝑟
∑ 𝑎𝑢,𝑗,𝑟×𝑃𝑢,𝑗,𝑟𝐽∈𝑃𝑢,𝑗,𝑟+ 𝜎𝑢,𝑟
Fin
Fin
[30]
3.5 Implémentation des stratégies
Les trois stratégies d’annulation de l’interférence DL proposées nécessitent un taux minimal
d’échange de rapports de mesure entre les usagers et les stations de base. En effet, chaque UE
coopère avec sa cellule servante afin de construire la liste des cellules voisines, et ensuite estimer
le pathloss entre cet usager et ses cellules voisines. [18]
En outre, chaque MUE échange des rapports de mesure radio avec la cellule macro à laquelle il est
attaché afin de maintenir à jour la liste des cellules voisines. Ce MUE est donc capable d’estimer le
gain des canaux en exploitant les pilotes des canaux reçus de la part de ses cellules voisines. Par la
suite, l’usager peut donc calculer la puissance reçue de chaque cellule voisine, macro ou femto
Afin d’effectuer les mêmes mesures dans le cas d’un usager FUE, la cellule femto à laquelle il est
attaché doit être équipée d’un récepteur DL additionnel qui sert à mesurer les signaux reçus à partir
52
des cellules voisines. Ce récepteur est appelé « HeNB Sniffer ». En effet, la cellule femto utilise ce
récepteur pour mesurer la puissance du pilote du signal co-canal reçu (RSRP) qui sert à déterminer
la couverture des cellules macros et femtos voisines. De même, les RSRPs des cellules voisines sont
mesurés aussi par l’usager FUE et sont reportés par la suite à la cellule femto à laquelle il est attaché.
De plus, la cellule femto mesure la puissance de transmission du signal de référence (RSRP) des
cellules voisines et estime le pathloss entre ces cellules et son usager FUE on utilise des puissances
de transmission fixes pour toutes les stations de base, femtos et macros. De ce fait, chaque UE est
capable de calculer la puissance reçue de la part de la cellule à laquelle il est attaché, ainsi que les
puissances des signaux interférents reçus des cellules voisines.
Enfin, l’UE utilise la stratégie d’annulation proposée afin de calculer les coefficients d’annulation
et ainsi minimiser l’interférence causée par les cellules voisines. [18]
3.6 Conclusion
Le réseau HetNet LTE est composé de deux couches de cellules : une couche de cellules macros, et
une couche de cellules femtos. Les deux couches coexistent à travers une architecture évoluée et se
partagent les ressources afin d’offrir de meilleurs services aux usagers.
L’interférence est un facteur qui nuit à la communication, notamment dans les bordures des cellules.
Plusieurs techniques ont été mises en place pour remédier à ce problème, telles que l’annulation, la
coordination et la randomisation de l’interférence. Dans ce chapitre on a proposé trois stratégies
pour annuler les signaux interférents. Dans le chapitre suivant on va simuler sous MATLAB ces
trois stratégies afin de visualiser leur performance.
53
CHAPITRE 4
SIMULATION SOUS MATLAB DES STRATEGIES D’ANNULATION
D’INTERFERENCE DL DANS LE RESEAU HETNET LTE-A
4.1 Introduction
Dans le chapitre précédant, on a proposé trois solutions pour l’annulation d’interférence et
maintenant on va implémenter sous MATLAB les formules qu’on a illustré. On va tout d’abord
parler de l’objectif de la simulation, expliquer le scenario, présenter l’interface utilisateur du
simulateur qu’on a conçu et enfin la discussion des résultats.
4.2 Objectif de la simulation
L’objectif de la simulation c’est d’estimer le SINR d’un utilisateur dans le réseau en connaissant sa
distance avec la station dont il est attaché (macro ou femto cellule) et la distance avec la cellule
interférente ainsi que le modèle de propagation utilisé. Après on appliquera les trois stratégies qu’on
a proposé durant le chapitre précédant et comparer la performance de ces stratégies.
4.3 Scénario
Dans cette simulation on va considérer seulement une cellule macro cellule et une autre cellule
femto pour qu’on puisse visualiser la différence quand on n’utilise pas les stratégies et quand on les
utilise.
En général, deux types d'interférences se produisent dans un réseau HetNet :
- Interférence co-tier
Ce type d'interférence se produit entre les éléments du réseau qui appartiennent au même
niveau dans le réseau. Dans le cas de HetNet, ce type d'interférence se situe entre les cellules
femtos voisines. Par exemple, un FUE (agresseur) provoque des interférences co-tier dans le sens
montant aux FBSs voisines (des victimes). D'autre part, une station de base femto agit comme une
source d'interférence co-tier dans le sens descendant aux FUEs voisins. Cependant, dans les
systèmes OFDMA, l'interférence co-tier dans le sens montant ou descendant n'apparaît que lorsque
l'agresseur (ou la source d'interférence) et la victime utilisent les mêmes sous-canaux. Par
conséquent, une allocation efficace des sous-canaux est nécessaire dans les réseaux HetNet de type
OFDMA pour atténuer les interférences co-tier.
54
- Interférence cross-tier
Ce type d'interférence se produit entre les éléments de réseau qui appartiennent à des niveaux
différents du réseau, c’est-à-dire interférence entre le système femto et le système macro. Par
exemple, les FUEs et les MUEs agissent comme une source d'interférence cross-tier dans le sens
montant à la station de de base macro de desserte et les cellules femto à proximité, respectivement.
D'autre part, la station de base macro de desserte et les FBSs provoquent des interférences cross-
tier dans le sens montant ou descendant aux FUEs et MUEs à proximité, respectivement. Encore
une fois, dans les réseaux HetNet de type OFDMA, l'interférence cross-tier dans le sens montant ou
descendant ne se produit que lorsque les mêmes sous-canaux sont utilisés par l'agresseur et la
victime. Les cellules femtos sont déployées dans le réseau macro existant et partagent le même
spectre de fréquence avec les cellules macros. En raison de l'insuffisance du spectre, les cellules
femtos et macros doivent réutiliser et/ou partager la bande de fréquences attribuée partiellement ou
totalement ce qui conduit à une interférence cross-tier ou co-canal.
La figure 4.01 montre le scenario de la simulation qu’on va étudier c’est-à-dire une interférence
cross-tier dont la cellule macro joue le rôle d’agresseur et la cellule femto la victime.
Figure 4.01 : Interférence cross-tier dans HetNet
55
4.4 Paramètres de simulation
Le tableau 4.01 illustre les paramètres de la simulation qu’on va utiliser dans cette simulation.
Paramètres Valeurs
Puissance d’émission cellule macro 43 𝑑𝐵𝑚
Puissance d’émission cellule femto 20 𝑑𝐵𝑚
Nombre de sous porteuse par RB 12
Nombre de bit par symbole OFDM 7
Nombre RB 100
Bande passante 20 𝑀𝐻𝑧
Modulation utilisé 64 − 𝑄𝐴𝑀
BER 10−6
Nombre de bit par symbole OFDM 6
Nombre RB 100
𝐷𝑚𝑓 Distance en mètre entre Macro BS et macro MS 200
𝐷𝑓𝑓 Distance en mètre entre Femto BS et macro MS 50
Perte de pénétration du mur extérieur, 𝐿𝑜𝑤 20 𝑑𝐵𝑚
Perte de pénétration du mur intérieur, 𝐿𝑖𝑤 10 𝑑𝐵𝑚
Pathloss Macro BS-- macro MS 15.3 + 37.6𝐿𝑜𝑔10𝐷𝑚𝑓 + 𝐿𝑜𝑤
Pathloss Femto BS-- macro MS 46.86 + 20𝐿𝑜𝑔10𝐷𝑓𝑓 + 𝐿𝑖𝑤
𝑁0 (Bruit thermique) −174 𝑑𝐵𝑚/𝐻𝑧
Nombre d’utilisateur dans le macro-cellule 1
Tableau 4.01: Les paramètres utilisés dans la simulation
4.5 Présentation de l’interface utilisateur du simulateur
La figure 4.02 illustre la page d’accueil du simulateur qu’on a conçu sous MATLAB. En appuyant
sur le bouton entrer, l’interface principale de l’application va apparaitre.
L’interface du simulateur est montrée par la figure 4.03 que nous allons décrire ci-dessous :
(1) C’est le bouton pour lancer la stratégie 1 et visualiser les résultats de la simulation.
(2) C’est pour lancer la stratégie 2 et visualiser les résultats de la simulation.
56
(3) C’est pour lancer la stratégie 3 et visualiser les résultats de la simulation.
(4) C’est pour quitter l’application.
Figure 4.02 : Page d’accueil
57
Figure 4.03 : Interface principale du simulateur
4.6 Discussion des résultats de la simulation
4.6.1 La stratégie 1
La stratégie 1 est détaillée par l’algorithme 1 qu’on a vu dans le chapitre précédant. Le calcul du
coefficient d’annulation ne dépend que de la puissance reçue par la cellule servante de l’UE et la ou
les puissance(s) des cellules interférentes.
58
Comme l’objectif de la simulation est d’optimiser la valeur de SINR, la figure 4.04 nous montre la
valeur de débit en fonction de SINR, nous pouvons constater que le débit augmente avec SINR.
Figure 4.04 : Débit en fonction de SINR
La performance de la stratégie 1 est illustrée par la figure 4.05. On peut voir que la capacité de la
macro cellule peut atteindre jusqu’à 71 Mbps après l’annulation c’est-à-dire un gain de débit égal à
3.15 et on remarque qu’on n’a considéré qu’un seul utilisateur à l’intérieur du cellule macro.
Sans annulation Avec annulation (stratégies 1)
SINR (dB) 1.27 2.73
Débit (bps) 2.26×107 7.12×107
Tableau 4.02: Résultats de la simulation du stratégie 1
59
Figure 4.05 : Performance de la stratégie 1
4.6.2 La stratégie 2
La stratégie 2 est détaillée par l’algorithme 2 qu’on a vu dans le chapitre précédant. La performance
de cette deuxième stratégie dépend étroitement du paramètre 𝛼. En effet, pour un 𝛼 très faible, on
risque de ne pas réduire assez suffisamment l’interférence qui gêne l’usager. Dans le cas contraire
(𝛼 important), la réalisation pratique de l’annulation devient plus complexe pour des valeurs de
coefficients important.
Comme nous montre le tableau 4.03, quand 𝛼 est faible, on ne peut voir qu’un gain de débit égal à
1.51 comme on a dit précédemment. Pour une valeur importante de 𝛼 , le gain de débit peut
atteindre à 8.53. Le seul inconvénient pour que 𝛼 soit important est donc la complexité du calcul
au niveau du récepteur car plus 𝛼 augmente, la complexité du calcul augmente aussi.
La figure 4.06 montre la valeur de SINR en fonction de 𝛼, 𝛼 ne doit pas être nul et on peut voir que
60
𝛼 augmente avec la valeur de SINR.
On remarque que l’annulation d’interférence se fait au niveau du récepteur c’est-à-dire au niveau de
l’UE.
Sans annulation Avec annulation
𝛼 Faible SINR (dB) 1.27 2
Débit (bps) 2.26×107 3.42×107
𝛼 Important SINR (dB) 1.27 20
Débit (bps) 2.26×107 1.93×108
Tableau 4.03: Résultats de la simulation du stratégie 2
Figure 4.06 : SINR en fonction de 𝛼
61
Figure 4.07 : Performance de la stratégie 2 avec 𝛼 faible
Figure 4.08 : Performance de la stratégie 2 avec 𝛼 important
62
4.6.3 La stratégie 3
La stratégie 3 est décrit par l’algorithme 3 qu’on a vu dans le chapitre précédant. On a trouvé que le
calcul du coefficient d’annulation dépend de l’UE ; si l’UE est attachée au macro cellule, on utilise
la formule 3.16 pour calculer le coefficient d’annulation et la formule 3.19 si l’UE appartient au
femto cellule. Et on va prendre 𝛼𝑚 = 4𝛽𝑚.
La figure 4.09 montre la valeur de SINR en fonction de 𝛽𝑚. La valeur de SINR diminue quand 𝛽𝑚
augmente.
Dans notre cas l’UE a la cellule macro comme cellule servante donc on utilise la formule 3.16 pour
calculer le coefficient d’annulation. La valeur du coefficient d’annulation dépend de la valeur de
𝛽𝑚,dans cette simulation on a pris quatre valeurs de 𝛽𝑚 avec 𝛽𝑚= 1,2,3,4. Pour ces quatre valeurs
de 𝛽𝑚, on peut voir une augmentation discrète de la performance du macro cellule c’est-à-dire on
n’a pas besoin de prendre valeur trop espacée comme on a fait la stratégie 2 pour avoir un résultat
discret.
Valeurs 𝜷𝒎 Sans annulation Avec annulation
SINR (dB) 𝛽𝑚 = 1 1.27 10.91
Débit (bps) 2.26×107 1.32×108
SINR (dB) 𝛽𝑚 = 2 1.27 5.45
Débit (bps) 2.26×107 7.99×107
SINR (dB) 𝛽𝑚 = 3 1.27 3.64
Débit (bps) 2.26×107 5.75×107
SINR (dB) 𝛽𝑚 = 4 1.27 2.73
Débit (bps) 2.26×107 4.5×107
Tableau 4.04: Résultats de la simulation du stratégie 3
Le tableau 4.04 illustre la valeur de gain de débit en fonction de 𝛽𝑚.
Valeurs 𝛽𝑚 1 2 3 4
Gain de débits 5.84 3.53 2.54 1.99
Tableau 4.05: Gains de débits en fonction de 𝛽𝑚
D’après les résultats, on peut tirer que plus on augmente 𝛽𝑚, la capacité du macro cellule diminue.
63
Figure 4.09 : SINR en fonction de 𝛽𝑚
Figure 4.10 : Performance de la stratégie 3 avec 𝛽𝑚 = 1
64
Figure 4.11 : Performance de la stratégie 3 avec 𝛽𝑚 = 2
Figure 4.12 : Performance de la stratégie 3 avec 𝛽𝑚 = 3
65
Figure 4.13 : Performance de la stratégie 3 avec 𝛽𝑚 = 4
4.6.4 Optimisation de la stratégie d’annulation d’interférence
La stratégie d’annulation d’interférence permet au récepteur d’annuler un nombre optimal de
signaux interférents reçus par l’usager. On désigne ce nombre de signaux à annuler par le terme «
contraintes d’annulation ». Ce nombre de contraintes d’annulation varie d’un usager à un autre,
selon l’interférence que subit cet usager.
Il est clair que le processus d’annulation est de plus en plus complexe en augmentant le nombre
de signaux interférents à annuler. En effet, le nombre de contraintes d’annulation détermine le degré
de complexité d’implémentation de la stratégie d’annulation d’interférence proposée. On cherche
alors dans cette section à optimiser la performance de cette stratégie. En effet, on propose d’imposer
deux bornes, supérieure et inférieure, pour les valeurs des coefficients d’annulation 𝑎𝑢,𝑗,𝑟. Par
conséquent, la stratégie d’annulation d’interférence proposée n’exécute pas l’annulation des signaux
66
interférents correspondant à des coefficients supérieurs à la valeur de la borne supérieure. De même,
la valeur minimale du coefficient d’annulation ne peut être inférieure à la borne inférieure imposée.
On constate que les valeurs des deux bornes supérieure et inférieure affectent la performance
de la stratégie d’annulation d’interférence. Par conséquent, on cherche à déterminer les valeurs des
deux bornes qui ne dégradent pas la performance du réseau, principalement en termes de gain en
débit du réseau.
La figure 4.14 illustre l’interface pour simuler l’optimisation des stratégies :
Figure 4.14 : Interface de la simulation de l’optimisation des stratégies
67
(1) C’est dans cette zone qu’on visualise le résultat
(2) Cette partie indique la distance entre l’UE est les cellules femto déployées dans la cellule
macro
(3) C’est dans cette partir qu’on saisit les bornes (supérieure ou inférieure)
- La borne supérieure
Dans une première étape, on cherche à déterminer la valeur de la borne supérieure, notée 𝐴𝑢,
qui permet de simplifier l’implémentation de l’algorithme tout en préservant un meilleur gain en
débit du réseau. En effet, les signaux interférents ayant des coefficients d’annulation supérieures à
la borne Au ne seront pas annulés. Par la suite, cette borne supérieure sera traduite dans la stratégie
d’annulation de l’interférence DL par la condition suivante :
𝑆𝑖 𝑎𝑢,𝑗,𝑟 > 𝐴𝑢 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑎𝑢,𝑗,𝑟 = 1, 𝑗 ∈ 𝐽𝑢 𝑒𝑡 u ∈ 𝐿
Cette borne supérieure reflète la complexité de la stratégie d’annulation d’interférence. En outre,
une valeur de la borne supérieure proche de 1 augmente le nombre de signaux à annuler, ce qui rend
le processus d’annulation d’interférence plus complexe. Par contre, plus la valeur de cette borne est
proche de 0, moins on annule de signaux interférents, ce qui risque de ne pas diminuer l’interférence
assez suffisamment pour atteindre le SINR optimal pour chaque usager.
Afin de déterminer la valeur optimale de 𝐴𝑢 , on procède à des simulations en utilisant les valeurs
de 𝐴𝑢 suivantes 𝐴𝑢 = 0.53, 𝐴𝑢 = 0.51, 𝐴𝑢 = 0.50
On mesure le gain en débit du réseau pour ces scénarios. Ensuite, on les compare avec celle obtenue
dans le cas où aucune borne supérieure n’est utilisée (c.-à-d. 𝐴𝑢 = 1).
𝐴𝑢 1 0.53 0.51 0.50
Débits (bps) 6.25×106 4.98×106 4.×106 3.63×106
Gain de débit 1.89 1.50 1.21 1.1
Tableau 4.06: Débit et gain de débit en fonction de 𝐴𝑢
On peut voir sur le tableau 4.06 que pour 𝐴𝑢 = 0.51 et 𝐴𝑢 = 0.50, la performance du réseau
commence à se dégrader c’est-à-dire le débit tend vers le débit obtenu sans avoir utiliser une
stratégie d’annulation d’interférence mais pour 𝐴𝑢 = 0.53 le débit est encore tolérable. Alors la
borne supérieure 𝐴𝑢 = 0.53 est donc considéré comme la borne optimale.
68
Figure 4.15 : Performance du réseau dans le cas où aucune borne supérieure n’est utilisée
(c.-à-d. 𝐴𝑢 = 1)
69
Figure 4.16 : Performance du réseau dans le cas où 𝐴𝑢 = 0.53
70
Figure 4.17 : Performance du réseau dans le cas où 𝐴𝑢 = 0.51
71
Figure 4.18 : Performance du réseau dans le cas où 𝐴𝑢 = 0.50
- La borne inférieure
D’une façon similaire à la borne supérieure, on cherche dans ce paragraphe à déterminer la
valeur optimale de la borne inférieure. En effet, cette valeur détermine la précision du processus
d’annulation. En outre, sans déployer une borne inférieure, la plus petite valeur que peut avoir
le coefficient d’annulation est égale à 0, équivalent à une annulation parfaite. Or, une annulation
parfaite d’un signal interférent est pratiquement impossible à réaliser à cause des imperfections de
l’estimation du canal et les erreurs de reconstruction du signal. On insère donc une borne inférieure,
72
notée 𝐴𝑙, pour les coefficients d’annulation afin de prendre en considération ces imperfections lors
du calcul des taux d’annulation. Par la suite, cette borne inférieure sera traduite dans la stratégie
d’annulation d’interférence proposée par l’expression suivante :
𝑎𝑢,𝑗,𝑟 = max(𝐴𝑙 , 𝑎𝑢,𝑗,𝑟) , 𝑗 ∈ 𝐽𝑢 𝑒𝑡 u ∈ 𝐿
Afin de déterminer la valeur optimale de 𝐴𝑙, on a procédé à des simulations de l’algorithme
d’annulation pour les valeurs de 𝐴𝑙 suivantes 𝐴𝑙 = 0.51 , 𝐴𝑙 = 0.52 et 𝐴𝑙 = 0.53
𝐴𝑙 𝐴𝑢 =1 0.51 0.52 0.53
Débits (bps) 6.25×106 5.35×106 4.22×106 3.84×106
Gain de débit 1.89 1.62 1.28 1.16
Tableau 4.07: Débit et gain de débit en fonction de 𝐴𝑙
D’après le tableau 4.07, le débit commence à tendre vers le débit obtenu sans avoir utiliser une
stratégie d’annulation d’interférence c’est-à-dire que la performance du réseau est complètement
perturbée. Al = 0.51 est donc la valeur optimale pour la borne inférieure, les signaux ont comme
coefficient d’interférence inferieure à Al = 0.51 ne seront pas annuler.
73
Figure 4.19 : Performance du réseau dans le cas où aucune borne inférieure n’est utilisée
74
Figure 4.20 : Performance du réseau dans le cas où 𝐴𝑙 = 0.51
75
Figure 4.21 : Performance du réseau dans le cas où 𝐴𝑙 = 0.52
76
Figure 4.22 : Performance du réseau dans le cas où 𝐴𝑙 = 0.53
77
4.6.5 Comparaison des 3 stratégies
D’après les résultats qu’on a obtenus, pour la stratégie 3, on doit diminuer la valeur de 𝛽𝑚 pour
obtenir une meilleure performance du macro cellule. Pour la stratégie 2, l’amélioration de la
performance dépend de la valeur de 𝛼 car plus on augmente 𝛼, on obtient un meilleur résultat (Débit
élevé). Les stratégies 2 et 3 ont des meilleurs résultats que la stratégie 1 mais comme les stratégies
2 et 3 sont liées aux paramètres 𝛼 et 𝛽𝑚 donc elles présentent un inconvénient car plus ces deux
paramètres augmentent plus le calcul est complexe. On a vu aussi que quand le nombre de femto
cellule déployée dans la macro cellule augmente, le calcul au niveau du récepteur devient de plus
en plus compliqué, donc on a proposé une optimisation pour remédier à cette complexité de calcul.
Le tableau 4.06 illustre les valeurs des coefficients d’annulation, d’après les résultats on remarque
que plus ce coefficient est faible plus le SINR se maximise et la capacité de la cellule aussi.
Stratégies Coefficients d’annulation
Stratégie 1 0.27
Stratégie 2 𝛼 faible 0.63
Stratégie 2 𝛼 important 0.12
Stratégie 3 βm = 1 0.11
Stratégie 3 βm = 2 0.23
Stratégie 3 βm = 3 0.35
Stratégie 3 βm = 4 0.46
Tableau 4.08: Les coefficients d’annulation
4.7 Conclusion
Pour conclure, on a obtenu par la simulation que parmi les trois stratégies qu’on a proposées, les
stratégies 2 et 3 offrent le meilleur résultat mais l’efficacité de ces stratégies dépendent des valeurs
𝛼 , 𝛽𝑚 et on a aussi proposé une solution pour la complexité de calcul quand le nombre de femto
cellule augmente.
78
CONCLUSION GENERALE
Ce mémoire nous a permis d’étudier les différentes stratégies d’annulation d’interférence dans la
voie descendante et de simuler ces stratégies sous le simulateur qu’on a conçu sous MATLAB. Dans
le chapitre 1 on a parlé du LTE pour qu’on puisse introduire le concept de réseau hétérogène dans
le second chapitre. L’introduction des petites cellules ont pour objectif d’améliorer la performance
globale et la couverture du réseau suite à l’augmentation de demande.
Cependant, l’introduction des petites cellules est un risque d’interférence au moment où la cellule
macro et les petites cellules émettent sur la même fréquence au même moment, cette interférence
va avoir une influence sur la performance globale du réseau. On a deux types d’interférence qui
peut se produire dans le réseau Hetnet : l’interférence co-tier et l’interférence cross-tier. La
coordination d’interférence et le control de puissance sont deux techniques qu’on peut remédier aux
problèmes d’interférence.
Dans le chapitre trois, on a proposé trois stratégies pour l’annulation d’interférence qui consiste à
sélectionner et puis annuler les puissances interférentes. Les stratégies consistent à optimiser le
SINR, durant la simulation, on a constaté que plus le coefficient d’annulation diminue plus le SINR
se maximise et le débit aussi. Le coefficient d’annulation sert donc à atténuer les signaux interférents
provient des cellules voisines. On a prouvé à travers les simulations au niveau système une
amélioration de la capacité du réseau HetNet en termes de gain en débit. Les techniques
d’annulation se fait au niveau du récepteur c’est-à-dire au niveau de l’UE.
Les stratégies qu’on a proposées dans ce mémoire sont similaires aux control de puissance, leur
point commun est qu’ils ne sont pas normalisés par le 3GPP. Dans ce travail, on a proposé une
annulation d’interférence au niveau de la réception avec des techniques non normalisées. La suite
du travail est donc de faire l’étude de la coordination d’interférence qui est normalisée par le 3GPP
et s’applique à l’émetteur (eNodeB). Le eICIC est la coordination d’interférence utilisée par le LTE-
A en ce moment. Le principe de eICIC est de réduire significativement la puissance d’émission
d’une cellule interférent (agresseur) sur certaines sous-trame, afin de réduire l’interférence sur ces
sous-trame pour les UE servis par une cellule victime. Pour se faire, la cellule agresseur transmet
des sous-trames presque vides (ABS Almost Blank Subframes) pour que les petites cellules puissent
profiter de transmettre leurs trames. La combinaison de eICIC avec les stratégies d’annulation sera
donc réalisable car l’un se fait à l’émission au niveau de l’eNodeB et l’autre à la réception au niveau
de l’UE.
79
ANNEXES
ANNEXE 1 : LES EQUIPEMENTS UTILISES DANS UN FEMTO CELLULE
Pour illustrer les équipements utilisés dans une cellule femto, prenons le SFR femto utilisé par
l’opérateur SFR.
L’utilisation de femto cellule nous permis d’avoir une excellente qualité pour toutes les
possibilités du téléphone mobile (appels, SMS, et aussi Internet, e-mails, etc.…). Et ceci dans
toutes les pièces de notre domicile : même dans 500𝑚2.
La figure A1.01 montre la synoptique de l’installation du SFR femto.
Figure A1.01 : Synoptique de l’installation de SFR femto
Et la figure A1.02 montre les équipements qui constitue un SFR femto.
Figure A1.02 : Les équipements qui constituent un SFR femto
80
(1) Le boîtier SFR Femto
(2) Un support pour boîtier SFR Femto
(3) Un câble Ethernet
(4) Une alimentation électrique monobloc
(5) Le guide d’installation et d’utilisation
Après on doit connecter notre boitier SFR femto avec un BOX ou Modem ADSL/FIBRE
Figure A1.03 : Installation du support
Connectez le port Ethernet de votre boîtier SFR Femto au port Ethernet libre du Box avec le câble
Ethernet puis alimenter le boitier et de vérifier que le boîtier SFR Femto est bien allumé :
l’interrupteur doit être positionné sur la position « I » comme la figure A1.04 le montre.
Figure A1.04 : Alimentation du boitier SFR
81
ANNEXE 2 : MESURE DE LA QUALITE DU SIGNAL RADIO ET DE LA PUISSANCE
RECUE REALISEE AU NIVEAU DE LA COUCHE PHYSIQUE (RSRP ET RSRQ)
Le mobile (User Equipment ou UE) et la station de base (eNB) effectuent périodiquement des
mesures radios pour connaître la qualité du lien radio (canal de propagation).
La station de base émet des signaux de références (RS – Reference Signal) permettant d’estimer la
qualité du lien du canal radio. Un signal de référence (RS) est un signal émis par l’émetteur et connu
par le récepteur, ce signal ne transmet aucune information. Cependant, le récepteur compare la
séquence reçue à la séquence émise (donc en clair la séquence que le récepteur aurait dû recevoir
dans l’idéal) et à partir de la différence entre les deux, le récepteur estime la déformation apportée
par le canal de transmission (multi-trajets, effets de masque, atténuation, interférences, …).
Cette séquence connue est émise sur toute la cellule, il s’agit d’un signal broadcasté spécifique par
cellule. Par conséquent il doit être émis avec une puissance suffisante pour couvrir la cellule et
avoir des propriétés particulières (puissance constante par exemple, autocorrélation nulle, faible
intercorrélation) pour différencier le signal reçu d’une cellule à une autre. Dans le cadre du LTE,
les séquences utilisées sont des séquences de Zadoff-Chu transmise sur une modulation QPSK. Le
motif est identique à chaque sous trame, à un décalage en fréquence près entre les cellules de
manière à limiter l’interférence et améliorer ainsi la réception du RS. La puissance du CRS peut
aussi être augmenté en cas de fort trafic (et donc d’interférence) par rapport à la puissance des
données via le Power Boosting pour la voie descendante.
L’UE quant à lui envoie un signal de référence de sonde, nommé SRS permettant à l’eNB de
déterminer la qualité du canal montant et de maintenir la synchronisation
Les mesures effectuées (signaux de références aussi appelés pilotes– CRS – Cell Reference signal
indiquant que le signal de référence est spécifique à la cellule) sont relayées aux couches supérieures
afin de planifier des Handovers (Intra-inter cellules et inter RAT c’est-à-dire d’autres technologies
comme la 3G, le Wi-FI, …).
L’UE se sert des mesures des signaux de références afin d’estimer (indicateur) le niveau du signal
reçu (RSRP) permettant ainsi, en mode de veille, de sélectionner la meilleure cellule. La mesure
impacte donc la gestion de la mobilité de l’UE (RRM : Radio Ressource Management).
Les formules A2.01 et A2.03 illustrent les calculs du RSRP et RSRQ.
𝑅𝑆𝑅𝑃(𝑑𝐵𝑚) = 𝑅𝑆𝑆𝐼(𝑑𝐵𝑚) − 10×log (12×𝑁) (A2.01)
82
Avec RSSI est la puissance du signal sur la bande de de fréquence utilisé, il s’agit donc de la
puissance mesurée en provenance de toutes les stations de base et N nombre de ressource block
physique.
𝑅𝑆𝑆𝐼 = 𝐵𝑟𝑢𝑖𝑡 + 𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑′𝑒𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑢𝑙𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑛𝑡𝑒+ 𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑢𝑙𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑡é𝑟𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑡
(A2.02)
Et on peut alors exprimer le RSRQ.
𝑅𝑆𝑅𝑄 =𝑅𝑆𝑅𝑃
𝑅𝑆𝑆𝐼/𝑁
(A2.03)
83
BIBLIOGRAPHIE
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[2] A. Latrach, « Stratégies d’annulation d’interférence sur le lien descendant d’un réseau sans fil
LTE hétérogène », Mémoire de maîtrise, Université de Québec INRS-Énergie, Matériaux et
Télécommunications, 2012
[3] A. Triki, « Gestion de l’Interférence Radio dans le Système 4G/LTE en Utilisant l’Approche
ICIC », Mémoire de Mastère présenté en vue de l’obtention du Diplôme de Mastère en Informatique
(option : Réseaux et Systèmes Multimédia), Ecole Nationale des Sciences de l’Informatique.
[4] C. Tata, « Contribution d’un modèle novateur améliorant la performance dans le réseau de la
sécurité publique sur LTE hétérogènes », Thèse présenté à l’Ecole de technologie Supérieure de
Montréal, 18 Septembre 2014
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à base de la technologie MC-CDMA », Mémoire en vue de l’obtention d’un diplôme de Magister
en électronique à Université Fehrat Abbas – Sétif Faculté de Technologie.
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[8] T. Ghariani, « Conservation de l’énergie sur des environnements de réseaux d’accès radio
hétérogène vers des réseaux auto-organisant », Thèse de doctorat, Ecole doctorale : Informatique,
Télécommunications et Electronique de Paris.
[9] M.Kottkamp, « Testing LTE-Advanced », Rhode&Schwartz, Janvier 2012.
[10] O. Rhouma, « Gestion d’interférence dans un réseau LTE hétérogène par contrôle d’admission
cognitif », Mémoire présenté pour Maître ès sciences pour l’obtention du grade en
84
télécommunications, Université du Québec Institut National de la recherche scientifique energie,
Matériaux et Télécommunication.
[11] A.Demeke, « Self-Organizing Networks (SON) »,Master’s Thesis Autumn 2014, Department
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[12] H. Burchardt, « Interference Management in Wireless Cellular Networks », A thesis submitted
for the degree of Doctor of Philosophy. The University of Edinburgh. May 6, 2013.
[13] S.Sánchez,« LTE-Advanced HetNet Investigations Under Realistic Conditions »,Master’s
Thesis, Aalborg University Danemark, September 2013 – June 2014.
[14] M. Kottkamp, «LTE-AdvancedTech nology Introduction », Rhode&Schwartz, 2015.
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Mars 2011.
[18] J. Andrews: « Power control in two-tier femtocell networks, IEEE Trans. Wireless Commun »,
Août 2009.
85
FICHE DE RENSEIGNEMENT
Nom : RANAIVOSON
Prénoms : Andriantsoa Safidiniaina Sylvain
Adresse : 1116 D 165 Mahazoarivo Sud ANTSIRABE
Contact : +261 34 91 884 45
E-mail : [email protected]
Titre du mémoire :
ANNULATION D’INTERFERENCE DL ENTRE MACRO ET
FEMTO CELLULE DANS LE RESEAU HETNET LTE-A
Nombre de page : 86
Nombre de tableau : 11
Nombre de figure : 44
Directeur de mémoire :
Nom : RASAMOELINA
Prénoms : Jacques Nirina
Grade : Assistant de l’enseignement et de recherche
86
RESUME
L’introduction des petites cellules dans le réseau LTE-Advanced est l’un des technologies clé afin
d’atteindre les spécifications exigées par la recommandation UIT-R Recommandation M1645. Le
concept de réseau hétérogène a pour objectif d’améliorer la qualité de service suite à l’augmentation
sans cesse de la demande et de la forte connectivité. Les petites cellules émettent à une puissance
faible par rapport au macro cellule et partage la même ressource. Il serait donc possible que le macro
cellule et les petites cellules utilisent la même ressource à un certain moment, il y a donc un risque
d’interférence entre la macro et les petites cellules et cette interférence peut causer une dégradation
de la qualité de service. On a donc besoin des techniques pour annuler ou atténuer cette interférence.
On a proposé trois stratégies au niveau de la réception pour le problème d’interférence dans la voie
descendante. Les stratégies ont pour objectif de maximiser le SINR en utilisant le coefficient
d’annulation et pour améliorer le débit.
Mots clés : Hetnet, femto cellule, macro cellule, annulation d’interférence, coefficient d’annulation,
SINR
ABSTRACT
The introduction of small cells in LTE-A is one of the technologies to achieve the requierment of
UIT-R Recommandation. The heterogenous network concept is objective to improve the quality of
service following the increase in demand and the strong connectivity. The small cells emit to low
power in relation to micro cell and share the same resource. It is therefore possible that the micro
cell and the small cell use the same resource at a certain moment, there is therefore a risk of
interference between the macro cell and small cells and its interference that interference may cause
degradation of the queality of service. So, we need technics to cancel or attenuate its interference.
We proposed three strategies at the reception for the interference problem in the DL. Strategies have
the objective to maximize the SINR by using the cancellation coefficient and to improve the
throughput.
Keywords: Hetnet, femtocell, microcell, interference cancellation, cancellation coefficient, SINR
