Standard 3GPP LTE-Advanced

6.2.3. Différents modes de LTE-A . . . 104

6.2.4. Partage de ressources . . . 104

6.3. Outils d’optimisation des réseaux cellulaires hétérogènes . . . 105

6.3.1. Description des outils . . . 105

6.3.2. Calcul du bilan de liaison radio . . . 107 6.4. Étude de la capacité et la consommation d’énergie des réseaux

hété-rogènes. . . 109 6.4.1. Gain de déploiement des RNs en capacité et consommation énergétique . . 110 6.4.2. Étude de compromis énergie-capacité des réseaux cellulaires hétérogènes . . 112 6.4.3. Attachement des UEs aux RNs/eNB . . . 113 6.5. Optimisation de la consommation d’énergie : Ordonnancement et

en-dormissement . . . 113 6.5.1. Endormissement partiel des RNs . . . 113 6.5.2. Algorithme d’ordonnancement et d’endormissement des nœuds . . . 114 6.5.3. Étude de performances . . . 115 6.6. Synthèse et Discussion . . . 117

6.1 Introduction

6.1. Introduction

Ces dernières années, les réseaux cellulaires ont subi une évolution accélérée afin de répondre à la croissance rapide de charge du trafic généré par les terminaux mobiles de nouvelle généra-tion : Cisco prévoit une augmentagénéra-tion de 18 fois le trafic des données mobiles entre 2011 et 2016 [Cis12]. Cependant, cette évolution s’accompagne d’une augmentation importante de la consomma-tion énergétique : dans un réseau cellulaire, environ 80% de l’énergie est consommée par la staconsomma-tion de base. Pour des raisons d’augmentation du prix de l’énergie, les opérateurs s’intéressent à réduire la consommation d’énergie de 20 à 50%, [Rep08]. Lors de développement des réseaux cellulaires comme GSM et UMTS, ce problème n’a pas été abordé, alors qu’avec LTE-Advanced (Long Term Evolution) ceci constitue un défi majeur.

Ce présent travail fait partie du projet ECOSCells (Efficient Cooperating Small Cells) qui a pour but principal de déployer un réseau cellulaire de haut débit et efficace en consommation d’énergie [ECO09]. L’idée est de déployer dans une macro cellule un ensemble de cellules de petite taille de façon à réduire la distance entre les utilisateurs et la station de base afin de leur offrir un débit im-portant. Cette architecture mène à des problèmes de configuration de réseau de collecte (backhaul) qui doit pouvoir supporter une très grande capacité de trafic. Dans ce chapitre, nous nous intéressons à l’étude de la capacité et de la réduction de la consommation énergétique des réseaux cellulaires hétérogènes de type LTE-Advanced Relay [104]. Ce réseau est composé de plusieurs macro-cellules. Dans chacune, un ensemble de nœuds relais notés RN (Relay Node) est déployé. La macro, notée eNB (evolved Node-B), couvre une grande surface. Elle utilise une antenne tri-sectorielle qui per-met de transper-mettre à quelques centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres. Les RNs perper-mettent d’étendre la couverture de la macro ou de renforcer le débit dans les zones où se concentrent de nombreux utilisateurs. Ces nœuds utilisent une antenne omnidirectionnelle pour couvrir quelques dizaines de mètres. Selon la qualité du lien radio, un terminal mobile (noté, UE : User Equipement) peut se connecter soit au RN, soit au eNB. Le RN relaie le trafic utilisateur vers le eNB par un lien radio, voir Fig. 6.1.

Figure 6.1.: Réseau hétérogène LTE-Advanced Relay : les utilisateurs mobiles/fixes se connectent soit à la station de base macro soit à la station relai.

Dans le chapitre 4, des modèles d’optimisation des réseaux radio maillés ont été présentés dans le but de calculer une configuration optimale du réseau (en termes d’allocation de ressources, puis-sance de transmission, routage, etc.) qui maximise le débit des stations ou minimise la consommation d’énergie globale. Une première contribution de ce chapitre est d’améliorer ces modèles d’optimisa-tion pour qu’ils soient utilisés dans le cadre des réseaux cellulaires hétérogènes en se basant sur les spécifications 3GPP [3GP10a, 104, 3GP10b]. L’avantage de ces outils est qu’ils permettent d’une

6.2 Préliminaires : les réseaux cellulaires LTE-A

part, de gérer l’attachement des utilisateurs au réseau (eNB ou RN) et d’autre part, de calculer une configuration optimale des stations de base (eNB et RN) dans le but de maximiser la capa-cité du réseau cellulaire avec une consommation efficace d’énergie. Dans ce chapitre, la capacapa-cité du réseau représente le débit moyen total qu’une macro cellule peut atteindre tout en respectant une contrainte d’équité de partage de ressources entre les UEs. Dans le précédent chapitre, nous avons mis en évidence l’avantage du contrôle de puissance pour améliorer la capacité du réseau et la consommation d’énergie. Il faut noter que le taux de conservation d’énergie1 dû à l’utilisation du contrôle de puissance dépend en particulier du valeur du coût fixe Cc : plus il est important plus le taux de conservation d’énergie est faible. Vu que les valeurs de consommation de Cc ainsi que le coût de transmission dépendent de type du nœud2, nous posons la question si le contrôle de puissance continue est suffisant pour réduire la consommation d’énergie. Il est peut être intéressant de réduire aussi le coût fixe CC. Dans l’objectif de réduire la consommation énergétique des réseaux cellulaires hétérogènes, plusieurs travaux se sont focalisés sur l’énergie à économiser lorsque le réseau est peu chargé et que des stations peuvent être mises en veille. La plupart de ces travaux exploitent l’évolution du trafic dans la journée : lorsque la charge est faible pendant une durée suffisante (en particulier pendant la nuit), certaines stations sont éteintes et leurs clients pris en charge par celles qui restent en fonction [BALV12, KT12]. Différentes techniques sont mises en œuvre pour garantir que le service soit néanmoins satisfaisant, en particulier en s’inspirant des algorithmes de contrôle de topologie des réseaux de capteurs [TRV13]. Comme deuxième contribution de ce chapitre, nous nous intéressons à la consommation énergétique des stations de base relais, définies par LTE-Advanced, même si le réseau est chargé. Nous exploitons les capacités d’endormissement partiel et rapide des équipements pour économiser de l’énergie au cours d’une trame [FMM+11]. Nous proposons, tout d’abord, une heuristique calculant un ordonnancement des nœuds et leur mise en veille partielle selon deux stratégies différentes. Ensuite, nous quantifions le gain énergétique de ces stratégies dans des scénarii basés sur 3GPP.

La suite de ce chapitre est organisée comme suit. Tout d’abord, nous décrivons les principes fondamentaux de la nouvelle technologie de 4ème génération LTE-Advanced en se basant sur le standard 3GPP. Ensuite dans la Section 6.3, nous détaillons les modifications et les améliorations que nous avons apportées sur les outils d’optimisation présentés dans le chapitre 4, afin de les utiliser dans le cadre des réseaux cellulaires hétérogènes. Ceci nous permet d’étudier la capacité et la consommation d’énergie de ce type de réseau. Dans la Section 6.5, nous nous intéressons en particulier au problème de la consommation énergétique. Nous présentons une heuristique qui gère d’une part, l’ordonnancement des nœuds relais et d’autre part, leur mise en veille partielle selon deux stratégies différentes. Finalement, nous clôturons ce chapitre par une conclusion et quelques perspectives.

6.2. Préliminaires : les réseaux cellulaires LTE-A

Dans cette section, nous présentons la technologie LTE-Advanced et nous décrivons essentiel-lement les concepts liés à cette technologie que nous allons évoquer tout au long de ce chapitre. L’objectif de cette section est de comprendre les caractéristiques et les nouvelles fonctionnalités de cette technologie. Nous nous focalisons, en particulier, sur les concepts que nous prenons en compte dans nos outils d’optimisation.

6.2 Préliminaires : les réseaux cellulaires LTE-A 6.2.1. Standard 3GPP LTE-Advanced

LTE-Advanced est un standard de réseau mobile développé par le groupe 3GPP. Il a été retenu par IUT (Union internationale des télécommunications) comme étant un candidat de système de quatrième génération. Afin de répondre aux exigences émises par l’IMT-Advanced3 (comme l’effi-cacité spectrale, latence, mobilité, haut débit), LTE-Advanced (Release4 10) a apporté un ensemble d’améliorations de la norme LTE (Release 8) [BHW12]. Parmi les principales améliorations nous citons en particulier les points suivants :

– Agrégation de porteuses : consiste à servir un utilisateur sur plusieurs porteuses en même temps. Ceci permet d’obtenir une largeur de bande d’environ 100 MHz (agrégation de cinq porteuses de largeur de bande de 20MHz) avec laquelle on peut atteindre un débit de 1Gbits/s en voie descendante.

– Support d’un réseau hétérogène : c’est un avantage important de LTE-A qui consiste à déployer des stations (pico, femto, relai) de faible puissance dans des cellules macro. Ceci permet d’amé-liorer la qualité de service (le débit en particulier) dans des zones denses ou mal couvertes (en Indoor/Outdoor, urbain ou rural).

– Amélioration d’antennes multiple : LTE-A a introduit un nouveau mode de transmission afin de prendre en charge une configuration MIMO 8x8 en voie descendante.

Dans ce chapitre nous nous intéressons en particulier à la partie hétérogène du réseau LTE-A et à l’allocation de ressources. Néanmoins, le lecteur intéressé peut se reporter aux rapports techniques [3GP10b, 104].