Disponibilit´e
L’indisponibilit´e est g´en´eralement d´efinie comme ´etant la somme des indisponibilit´es des nœuds du r´eseau [10]. D’apr`es cette d´efinition, une indisponibilit´e d’un grand nombre de nœuds dans le r´eseau a un poids plus grand qu’une indisponibilit´e d’un petit nombre de nœuds. Cependant, cette d´efinition peut conduire `a des indisponibilit´es sup´erieures `a 100%. Pour cette raison, nous d´efinissons l’indisponibilit´e comme ´etant le pourcentage du temps o`u le r´eseau est totalement ou partiellement d´efaillant.
1.1. Les r´eseaux sans fils
Des d´efinitions des recommandations G.826, G.827, G.828 et G.8201 de l’ITU sont rapport´ees ci-dessous:
Bloc : un bloc est un ensemble de bits cons´ecutifs associ´es au conduit, chaque bit appartenant `a un bloc et un seul. Des bits cons´ecutifs peuvent ne pas ˆetre contigus dans le temps.
D´efauts : les trois cat´egories suivantes de d´efaut relatives au signal entrant sont d´efinies: • d1 perte du signal;
• d2 signal d’indication d’alarme; • d3 perte de verrouillage de trames.
Bloc erron´e : bloc dont un ou plusieurs bits sont erron´es
Seconde erron´ee : p´eriode d’une seconde comportant un ou plusieurs blocs erron´es ou au moins un d´efaut.
Seconde gravement erron´ee : p´eriode d’une seconde comportant un taux de blocs er-ron´es ´egal ou sup´erieur `a 30% ou au moins un d´efaut. L’ensemble des secondes gravement erron´ees est un sous-ensemble des secondes erron´ees.
Etat indisponible :
• Crit`eres applicables `a un sens: une p´eriode d’indisponibilit´e commence au d´ebut de dix secondes gravement erron´ees cons´ecutives. Ces dix secondes font partie du temps d’indisponibilit´e. Une nouvelle p´eriode de disponibilit´e commence au d´ebut de dix secondes cons´ecutives ne comportant pas de seconde gravement erron´ee. Ces dix secondes font partie du temps de disponibilit´e.
• Crit`ere applicable `a un conduit ou `a une connexion bidirectionnel: un conduit ou une connexion bidirectionnel est en ´etat d’indisponibilit´e si un sens ou les deux sont en ´etat d’indisponibilit´e.
Disponibilit´e dans diverses topologies de r´eseaux
Figure 1.8: ´Etoile. ´
Etoile Si les probabilit´es de panne sont ind´ependantes, la disponibilit´e totale est: A =
n
Y
i=1
1.1. Les r´eseaux sans fils
Figure 1.9: Arbre.
Arbre Il r´esulte de notre d´efinition de la disponibilit´e qu’un r´eseau en arbre est disponible si et seulement si toutes ses liaisons sont disponibles.
Si les probabilit´es de panne sont ind´ependantes, la disponibilit´e totale est: A =
n
Y
i=1
(1 − pi1...il) (1.16) Il convient de noter que la redondance sur une liaison r´eduit la probabilit´e de panne, mais ne modifie pas la formule g´en´erale ci-dessus.
Figure 1.10: Anneau.
Anneau La disponibilit´e d’un anneau est la probabilit´e qu’il n’y ait pas plus d’une panne sur cet anneau.
Si les probabilit´es de panne sont ind´ependantes, la disponibilit´e totale est: A = n Y i=1 (1 − pk) + n X i=1 pi Y 1≤j≤n j6=i (1 − pj) (1.17) R´esilience
La r´esilience est la capacit´e du r´eseau `a fournir et maintenir un niveau de service acceptable malgr´e les erreurs et les proc´edures exceptionnelles.
Alors que la disponibilit´e d’une connexion `a fibre optique est tout ou rien, les tech-niques de modulation et codage adaptatifs permettent `a une liaison hyperfr´equence d’utiliser des modulations de bas d´ebit en cas de conditions d´egrad´ees.
1.1. Les r´eseaux sans fils
La topologie en anneau a la r´esilience la plus ´elev´ee: en cas de panne d’une liaison, chaque nœud reste connect´e au r´eseau. Seule une double panne provoque une interruption de service.
La topologie en arbre avec redondance offre une protection contre les pannes d’´equipements, mais pas contre les d´efaillances d’un site et n’offre pas de redondance de conduit.
La SDN sans fil am´eliore la connectivit´e de l’utilisateur final et la QoS, permet la planification multi-r´eseau, am´eliore la s´ecurit´e et permet la localisation de l’utilisateur [3].
Les sp´ecifications concernant la qualit´e de service peuvent ˆetre d´efinies selon plusieurs param`etres [7]:
• Le d´ebit agr´eg´e est la quantit´e totale de donn´ees que le r´eseau peut transmettre, exprim´ee en bit/s/m2.
• Le d´ebit limite, ou d´ebit `a 5%, est le plus mauvais d´ebit qu’un utilisateur peut raisonnablement recevoir lorsqu’il est `a port´ee du r´eseau.
• Le d´ebit maximum est le meilleur d´ebit qu’un utilisateur peut esp´erer obtenir dans des conditions de configuration plausible du r´eseau.
• La latence est la dur´ee entre la stimulation et la r´eponse.
Les sp´ecifications d´ependent de l’application: la vid´eo haute d´efinition n´ecessite des d´ebits ´elev´es, alors que les applications dans le domaine de la s´ecurit´e ou les applications ludiques interactives donnent la priorit´e `a une faible latence.
Affectation `a une Station de Base
L’affectation `a une Station de Base est une question essentielle dans les r´eseaux h´et´erog`enes multi-tier, et elle devrait prendre encore plus avec l’introduction des r´eseaux 5G, o`u la SDN permettra des strat´egies d’affectation ´elabor´ees, dont le but sera l’optimisation de la QoS pour l’utilisateur final.
De nombreuses approches proposent une affectation bas´ee sur un seul crit`ere. Dans [44], l’utilisateur se connecte `a la BS qui offre le SINR le plus ´elev´e. En connectant l’utilisateur `a la BS qui offre la puissance moyenne re¸cue maximum sur le long terme, o`u les files d’attente des BS sont toutes pleines, il est prouv´e dans [45] que le nombre de niveaux et la densit´e des BS n’affecte que peu la probabilit´e de panne et le d´ebit ergodique moyen. En connectant l’utilisateur `a la BS qui offre le plus fort signal, il est prouv´e dans [33] que la probabilit´e de couverture est ind´ependante du nombre de niveaux, des puissances ´emises, de la densit´e des BS et de la distribution de fading.
Cependant, l’affectation `a une Station de Base ne doit pas ˆetre bas´ee uniquement sur la puissance ou le SINR. La charge peut ˆetre un param`etre plus important [46].
1.1. Les r´eseaux sans fils
La sym´etrie entre les liaisons descendante et montante n’est pas indispensable. L’affectation `
a une Station de Base avec d´ecouplage des deux liaisons a ´et´e ´etudi´ee dans [47]. Pour une liaison montante sous condition de partage du spectre, si tous les niveaux ont le mˆeme rapport signal sur interf´erence (SIR) cible, l’affectation bas´ee sur la distance est optimale dans de nombreuses configurations d’att´enuation et de contrˆole de puissance. Pour les deux sens, en cas de partage orthogonal du spectre, l’allocation optimale consiste `
a partager le spectre entre les niveaux en proportion du nombre d’utilisateurs associ´es `a chaque niveau.
L’optimisation de l’affectation `a une Station de Base sous le crit`ere de proportional fairness a ´et´e ´etudi´ee dans [48] et [49].
L’affectation `a une Station de Base conjugu´ee `a l’allocation de ressources a ´et´e ´etudi´ee dans [50] dans le cadre d’un algorithme distribu´e bas´e sur une tarification dynamique et dans [51], o`u il a ´et´e prouv´e qu’un protocole efficace et non manipulable (ie l’int´erˆet de l’utilisateur est de d´eclarer honnˆetement ses informations) pour une combinaison optimale de l’affectation `a une Station de Base et des strat´egies d’allocation de ressources est n´ecessairement NP-hard.
1.1.7 Coˆut
La Figure 1.11 indique le coˆut total de possession (Total Cost of Ownership, TCO) pour les liaisons `a fibre optique et backhaul hyperfr´equence. ([Source: Analysys Mason, 2011]).
Figure 1.11: TCO des liaisons `a fibre optique et backhaul hyperfr´equence `a 150 Mbit/s en zone urbaine.
1.1. Les r´eseaux sans fils
Alors que le coˆut d’une liaison hyperfr´equence est ind´ependant de la distance, le coˆut d’une fibre est une fonction lin´eaire de la distance. De plus, la fibre est plus on´ereuse en zone urbaine. La fibre en zone urbaine ne peut ˆetre ´economique que pour les tr`es courtes distances. Cependant, cette comparaison doit ˆetre interpr´et´ee avec prudence: les coˆuts de g´enie civil repr´esentent une grande partie des d´epenses de capex pour la fibre. Ils peuvent repr´esenter jusqu’`a 80% du coˆut total, surtout en zone urbaine. Dans de nombreux cas et notamment dans les zones de d´eveloppement, ces d´epenses sont de toute fa¸con indispensables pour l’investissement d’infrastructure (routes, chemins de fer, canalisation, ´electricit´e). C’est pourquoi le param`etre pertinent pour la comparaison fibre/sans fil est le coˆut additionnel g´en´er´e par la fibre.
Le Backhaul peut repr´esenter plus de la moiti´e des coˆuts op´erationnels d’un op´erateur sans fil. En Am´erique du Nord et en Europe, il est souvent plus opportun d’utiliser des liaisons lou´ees; en d’autres lieux, le r´eseau est souvent auto-construit, avec des options de partage d’infrastructure et de concentration du dernier kilom`etre par un pˆole [52].
Une comparaison des capex et opex `a 5 ans pour une liaison point `a point et une fibre lou´ee est pr´esent´ee Figure 1.12 [53].
Figure 1.12: Capex et opex cumul´es pour un r´eseau LTE macro-cell, Ann´ee 5. La fibre lou´ee a un capex plus faible, mais s’av`ere beaucoup plus coˆuteuse apr`es quelques ann´ees.
Un des principaux d´efis pour les r´eseaux radio 5G est que la consommation d’´energie et le coˆut par liaison n’augmentent pas. ´Etant donn´e que l’on pr´evoit une multiplication
1.1. Les r´eseaux sans fils
du d´ebit par lien par un facteur d’environ 100, il est n´ecessaire de r´eduire la consommation d’´energie par bit et le coˆut par bit par un facteur d’environ 100 [7]. Deux approches per-mettent de r´eduire la consommation d’´energie d’une liaison radio: les small cells r´eduisent la distance au terminal; en massive MIMO, les pertes d’´energie sont plus faibles car les faisceaux sont plus directifs [54].
Efficacit´e ´energ´etique
Les questions d’efficacit´e ´energ´etique ont ´et´e longuement analys´ees dans [55] et des moyens d’´economie d’´energie ont ´et´e propos´es:
• La gestion des ressources radio peut permettre d’´economiser l’´energie par identifica-tion des faibles charges de trafic et diff´erenciation des services. La commutation en fonction du trafic peut permettre d’´economiser beaucoup d’´energie lorsque le trafic est faible. La tol´erance au retard d’applications tels que l’email ou le chargement de fichier peut ˆetre exploit´ee afin de r´eduire les variations de la charge de trafic. Plusieurs questions importantes, la collaboration entre cellules voisines, l’´equilibre efficacit´e ´energ´etique et le QoS, l’allocation de bande passante, les MIMO et les antennes directionnelles n´ecessitent une ´etude plus approfondie.
• Les strat´egies de d´eploiement de r´eseau permettent d’´economiser l’´energie. Les pi-cocells et femtocells d’int´erieur r´eduisent l’att´enuation. Les r´eseaux relais r´eduisent l’att´enuation et l’interf´erence. Les r´eseaux coop´eratif, o`u les nœuds relais codent les paquets re¸cus de diff´erents flux avant de les transmettre permettent de diminuer le nombre de transmissions.
• A courte distance, le SIMO (single input, multiple output) peur ˆetre plus ´econome en ´energie que le MIMO `a cause de la consommation des circuits. En OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access), une strat´egie pertinente d’allocation de canal permet d’´economiser l’´energie. Ces domaines n´ecessitent une ´etude plus approfondie.
L’approche r´epandue ”bits-par-Joule” ne prend pas en compte tous les param`etres pertinents. Une mesure de l’efficacit´e ´energ´etique, prenant en compte la puissance ´emise et la consommation des circuits, est imp´erative. En particulier, l’id´ee commun´ement admise que le Multiple Frequency Shift Keying (MFSK) est plus ´econome en ´energie que le M-ary Quadrature Amplitude Modulation (MQAM) peut ˆetre r´efut´ee lorsque la consommation du circuit est prise en compte, notamment pour les applications `a courte distance.
Des solutions pour le backhaul cellulaire ont ´et´e analys´ees dans [52]:
• Les hyperfr´equences, qui n´ecessitent un investissement initial ´elev´e, mais des coˆuts op´erationnels bas.