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Ecole Polytechnique Privée (Agrément N°02-2009) – Boulevard Khalifa Karoui – Sa

Ecole Polytechnique Privée (Agrément N°02-2009) – Boulevard Khalifa Karoui – Sahloul 4054 Sousse Tél. : (00216) 73 277 877 / (00216) 50 995 885 – Fax : (00216) 73 243 685 www.polytecsousse.tn Rapport de Projet de Fin d’Etudes Thème : Allocation des Ressources Radio dans les réseaux 4G-LTE Réalisé par : Mr. Mohamed Amine GRAMI Encadrant: Mr. Nabil TABBANE : Maître de Conférence (Sup’Com) Mr. Kais AMEUR : Chef Service Optim Radio (Tunisie Télécom) Travail proposé et réalisé en collaboration avec : Tunisie Télécom Année Universitaire : 2011/2012 i DEDICACES Je dédie, ce mémoire de mon projet de fin d’étude A l’âme de ma chère tante Nejiba Je prie le bon Dieu pour que son âme repose en paix. A mes chers parents Abderrazek et Nabiha Aucun hommage ne pourrait être à la hauteur de l'amour Et de l'affection dont ils ne cessent de me combler. Qu'ils trouvent dans ce travail Un Témoignage de mon profond amour et éternelle reconnaissance. Que Dieu leur procure bonne santé et longue vie. A mes sœurs Rawdha, Noura et Ines Pour tout l’amour et l’affectation que je leur porte. Je leur souhaite un grand avenir A mes oncles, mes tantes A mes très chers cousins A mes très chères cousines Pour tout le soutien moral qui me l’apportent A tous les membres de ma grande famille. A tous ceux qui m’ont aidé afin de réaliser ce travail, Votre cher « Mohamed Amine» ii REMERCIEMENTS C’est un devoir bien agréable que de venir rendre hommage, au terme de ce travail, à ceux sans lesquels il n’aurait pas pu être réalisé. Il m’est agréable d’exprimer mes vifs et sincères remerciements à Mr. Nabil TABBANE, Maitre de conférence à l’école supérieure de communication de Tunis pour ses qualités humaines, pour son encadrement, sa disponibilité et ses conseils fructueux qu’il m’a prodigués le long de mon projet ; je le remercie du fond du cœur. Mes vifs remerciements s’adressent également à Mr. Kais Ameur Ingénieur à Tunisie télécom pour son encadrement, sa disponibilité et son aide. Finalement, je remercie les membres de jury : Mr. ………… Mr. …………… Mr. …………… qui me feront l’honneur d’évaluer mon travail. iii AVANT PROPOS Ce présent rapport a été élaboré dans le cadre de la préparation du diplôme National d’ingénieur en Télécommunications et Réseaux au sein de l’Ecole Polytechnique de Sousse et en collaboration avec Tunisie Télécom. Ce projet consiste à améliorer l’allocation des ressources radio pour les réseaux 4G-LTE. iv Résumé Les réseaux mobiles et sans fil ont connu un essor sans précédent ces dernières années. Ainsi, avec les avancées réalisées au niveau des couches MAC et physique, une nouvelle technologie appelé LTE classé 4G a vu le jour. Les réseaux radio cellulaires LTE-4G ont opté pour l’accès en mode paquets et en utilisant l’OFDMA comme technique d’accès multiples en sens descendant - Down Link. La gestion des ressources a été largement traitée dans la littérature ou plusieurs techniques basées sur une optimisation heuristique ont été proposées. Les ressources sont allouées en fonction de l’information de l’état du canal radio liant l’émetteur et le récepteur. L’utilisation optimale de la puissance et de la bande fréquentielle permet de donner l’accès à un grand nombre d’utilisateurs et de réduire l’interférence chez les autres récepteurs. La politique d’ordonnancement pour la gestion de ressource radio n’est pas encore standardisé pour la technologie LTE. Le choix est pris par l’opérateur et dépend de plusieurs facteurs. Dans notre projet, nous nous sommes intéressés aux algorithmes d’ordonnancement. Nous avons comparé les performances de trois principaux algorithmes : PF, MLWDF et EXPPF et nous avons mis en exergue l’ordonnanceur le plus adéquat pour chaque situation. Mots-clés: LTE, Couche MAC, Algorithmes d’allocation de ressources, Optimisation de Schedulers, Techniques d’accès OFDMA v Sommaire Introduction .............................................................................................................................. 1 Chapitre 1 : Présentation générale ......................................................................................... 3 Introduction ............................................................................................................................ 3 1.1. Evolution des systèmes cellulaires : .............................................................................. 3 1.2. Croissance de nombre d’abonnés mobiles : ................................................................... 5 1.3. Evolution des services : .................................................................................................. 6 1.4. LTE (Long Term Evolution) : ........................................................................................ 7 1.5. Le réseau EPS (Evolved Packet System) ....................................................................... 8 1.6. L’accès LTE .................................................................................................................... 9 1.6.1. Architecture ............................................................................................................... 9 1.6.2. Caractéristiques ....................................................................................................... 10 1.6.3. Méthode d’accès ..................................................................................................... 12 1.7. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Acces) ......................................... 12 1.7.1. Services exigeants et canal radio contraignant : ..................................................... 12 1.7.2. Principe de l’OFDMA : .......................................................................................... 13 1.7.3. OFDMA dans le Système LTE ............................................................................... 14 1.7.4. Ordonnancement en OFDMA ................................................................................. 15 1.8. Advanced LTE : ............................................................................................................. 16 1.9. Importance de l’ordonnancement .................................................................................. 16 Conclusion ............................................................................................................................ 17 Chapitre 2 : Les algorithmes d’ordonnancement ................................................................ 18 Introduction .......................................................................................................................... 18 2.1. Algorithmes classiques .................................................................................................. 19 2.1.1. Round Robin (RR) .................................................................................................. 19 2.1.2. Allocation aléatoire ................................................................................................. 20 2.1.3. Bilan et discussion ................................................................................................. 20 2.2. Algorithmes équitables .................................................................................................. 21 2.2.1. Fair Queuing (FQ) : ................................................................................................ 21 2.2.2. Max-Min Fair (MMF) ............................................................................................. 21 2.2.3. Le Weighted Fair Queuing (WFQ) ......................................................................... 22 2.2.4. Bilan et discussion .................................................................................................. 22 2.3. Algorithmes opportunistes ............................................................................................. 23 vi 2.3.1 Maximum Signal-to-Noise Ratio (MaxSNR) : ........................................................ 23 2.3.2. Proportional Fair (PF) ............................................................................................. 25 2.3.3. Modiﬁed Largest Weighted Delay First (M-LWDF) .............................................. 27 2.3.4. Exponentiel Proportional Fair (EXPPF) ................................................................. 27 2.3.5. Bilan et discussion : ................................................................................................ 27 Conclusion ............................................................................................................................ 28 Chapitre3 : Analyse et Evaluation des performances ......................................................... 30 Introduction .......................................................................................................................... 30 3.1. Choix de l'outil: ............................................................................................................. 30 3.1.1. Network simulation : NS (version2 ou 3) ............................................................... 30 3.1.2. OPNET (Optimized Network Engineering Tools) ................................................. 30 3.1.3. OMNET + + ............................................................................................................ 31 3.1.4. Matlab ..................................................................................................................... 31 3.1.5. LTE-Sim ................................................................................................................. 31 3.2. Evaluation des performances. ....................................................................................... 31 3.2.1. Modèle système ...................................................................................................... 31 3.2.2. Critères de performance .......................................................................................... 34 3.2.3. Scenarios de simulation .......................................................................................... 35 Conclusion ............................................................................................................................ 47 Conclusion générale ............................................................................................................... 49 vii LISTE DES FIGURES Figure1.1 : Evolution des systèmes cellulaires…………………………………………………. Figure 1.2 : Architecture du réseau EPS……………………………………………………….. Figure1.3 : Architecture de l’E-UTRAN……………………………………………………….. Figure 1.4 : Coexistence et Interfonctionnement 3G – 4G…………………………………… Figure 1.5 : Répartition des sous-porteuses dans l’OFDMA………………………………….. Figure 1.6 : Les symboles OFDM …………………………………………………………….. Figure 1.7 : Répartition des ressources entre les utilisateurs en OFDMA……………………. Figure 1.8 : L’Organisation des Ressource Bloc dans LTE…………………………………… Figure 1.9 : Principe d’ordonnancement des paquets…………………………………………. Figure 2.1: Maximisation du débit via l’allocation MaxSNR………………………………….. Figure 2.2 : Problème d’iniquité due au positionnement géographique des utilisateurs……….. Figure 3.1: Cellule multi utilisateur…………………………………………………………….. Figure 3.2 : Modèle de mobilité aléatoire………………………………………………………. Figure 3.3 : Génération de flot de donnés………………………………………………………. Figure 3.4 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre d’utilisateurs………. Figure 3.5 : Evolution de délai de bout en bout en fonction de nombre d’utilisateurs………… Figure 3.6 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre d’utilisateurs………. Figure 3.7 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre d’utilisateurs……… Figure 3.8 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre d’utilisateurs…….. Figure 3.9 : Evolution du débit utile en fonction de nombre d’utilisateurs…………………… Figure 3.10 : Evolution du délai de bout en bout en fonction du nombre d’utilisateurs……….. Figure 3.11 : Evolution du délai de bout en bout en fonction du nombre d’utilisateurs……….. Figure 3.12 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre d’utilisateurs…… Figure 3.13 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre d’utilisateurs…… Figure 3.14 : Evolution de taux des paquets perdus en fonction de nombre d’utilisateurs……... Figure 3.15 : Evolution du débit utile en fonction de nombre d’utilisateurs…………………… Figure 3.16 : Evolution du délai de bout en bout en fonction du nombre d’utilisateurs……….. Figure 3.17 : Evolution du délai de bout en bout en fonction du nombre d’utilisateurs……….. Figure 3.18 : Evolution du taux des paquets perdus en fonction de la vitesse…………………. Figure 3.19 : Evolution du débit en fonction de la vitesse………………………………..…… Figure 3.20 : Evolution du délai de bout en bout en fonction de la vitesse…………………….. 5 8 10 12 13 14 15 15 17 24 25 32 32 33 36 37 38 38 39 40 40 41 42 42 43 44 44 45 46 47 47 viii LISTE DES TABLEAUX Tableau 2.1: Classification qualificative des ordonnanceurs…………………………………… Tableau 3.1 : paramètres de simulation………………………………………………………… 28 34 ix GLOSSAIRE 3GPP 3rd Generation Partnership Project AMPS Advanced Mobile Phone System BER Bit Error Ratio CDMA Code Division Multiple Acces DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial DAB Digital Audio Broadcasting EPS Evolved Packet System EXPPF Exponentional Proportional Fair FQ Fair Queuing GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications HARQ Hybrid Automatic Repeat ReQuest HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSUPA High Speed Uplink Packet Access IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Internet Protocol IMT International Mobile Telecommunications LTE Long Term Evolution MAC Medium Access Control MIMO Multiple-Input Multiple-Output MMF Max-Min Fair MLWDF Modiﬁed Largest Weighted Delay First MCS Modulation and Coding Scheme OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PF Proportional Fair QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quaternary Phase Shift Keing RA Random Allocation RB Ressource Bloc RR Round Robin x RNC Radio Network Controler SNR Signal to Noise Ratio SAE System Architecture Evolution SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division Multiple Access UE User Equipement UR Unité uploads/Ingenierie_Lourd/ allocation-des-ressources-radio-dans-les-reseaux-4g-lte.pdf