Generalites sur le reseau 5G

Suite à la forte pénétration des appareils nomades (tablettes et smartphones) dans le secteur de la téléphonie mobile, on constate actuellement une explosion du trafic de données dans les réseaux cellulaires et locaux sans fil. Les performances de ces dispositifs mobiles ont permis en effet de faire évoluer les usages, avec la prolifération d’applications gourmandes en débit et utilisant la géo localisation (visioconférence, vidéo streaming, cloud computing, info trafic, etc.). A ceci se rajoute en perspective les communications sans fil entre objets (« Internet Of Things ») qui ferait passer le volume de données transférées par mois à 11 hexabytes durant l’année 2017, avec une progression annuelle de 66%. Le réseau 4G LTE augmentait la capacité moyenne de trafic par utilisateur de 500kbps en 2012 à 4Mbps l’année 2017. Cette nouvelle génération de réseau cellulaire ne devrait rapidement plus suffire seule à faire face à progression du trafic mobile.

Une alternative consiste à déployer des points d’accès WiFi et de petites cellules (macro, femto, pico cellule) en zone urbaine dense et à l’intérieur des bâtiments afin de décharger une partie du trafic. Ainsi de nombreuses solutions ont déjà été proposées afin d’augmenter la capacité des réseaux: l’agrégation de porteuses pour le LTE-Advanced, l’utilisation des bandes TV libres en UHF et VHF, l’utilisation de modulations complexes associées à la réduction de la taille des cellules, et enfin en tirant partie de la diversité du canal de propagation par une architecture MIMO.

GENERALITES SUR LE RESEAU 5G 

Les réseaux mobiles ont connu de nombreuses évolutions depuis une trentaine d’années. Ces innovations technologiques ont permis d’offrir de plus en plus de services aux différents utilisateurs avec des débits croissants. Alors que la 4G est en cours de déploiement, la 5G, encore à l’état de recherche, constitue le futur des réseaux mobiles. L’économie numérique entame une nouvelle phase de son évolution notamment avec le développement de l’Internet des objets et la future 5G. Ces avancées ouvrent la voie à l’avènement d’une véritable société connectée.

Aujourd’hui, il y aurait 15 milliards d’objets connectés au niveau mondial. En 2020, leur nombre pourrait atteindre 50 milliards et leur chiffre d’affaires 22,9 milliards de dollars. La valeur proviendrait surtout des services créés qui reposeront en grande partie sur le traitement massif des données (Big Data). L’architecture même des réseaux pourrait évoluer pour répondre à une demande croissante de qualité de service, de fiabilité et de rapidité. La 5G est présentée comme l’ensemble des technologies dont le but est notamment d’améliorer l’efficacité spectrale en transmettant plus de contenus avec un débit plus élevé. La densification des cellules constituerait une partie de cette réponse.

Evolutions du réseau mobile

Les systèmes de communication sans fil les plus répandus sont incontestablement les systèmes de communication mobiles dont la première génération (1G) a été déployée en 1980. Exploitant pour la première fois la structure cellulaire de la couverture, ces systèmes ont permis l’amélioration de la capacité du réseau ainsi que le support de la mobilité. La deuxième génération (2G), appelée « Global System for Mobile Communication-GSM », n’a été déployée qu’en 1990. Ces systèmes ont effectue les tout premiers pas dans la transmission de données ouvrant ainsi la porte à une nouvelle aire de communication sans fil ou de nouveaux services, tel que la navigation web, le téléchargement, le « streaming » des vidéos et les services bancaires en ligne, ont fait leurs apparition.

Cependant, l’utilisation de ces services a augmenté significativement le trafic des donnes dans les réseaux (2G) qui n’étaient plus en mesure, à l’époque, de satisfaire toutes les exigences des usagers. Offrant un débit allant jusqu’à 2Mbps grâce à la technique d’accès multiple par répartition en codes à large bande, (wide band code division multiple access-WCDMA), les systèmes de troisième générations (3G) sont apparus pour répondre à la forte demande de trafic des données. Cette demande n’a pas cessé d’augmenter depuis et a même forcé la migration vers les systèmes de quatrième génération (4G), communément connus sous le nom de ‘Long Term Evolution-Advanced”. Ce standard, qui a été défini par un groupe d’associations de télécommunications appelé 3GPPP, a exploité les techniques les plus avancées, tel que la transmission multi-antennes, la transmission et réception coordonnés à travers des points multiples, le relayage, etc., afin d’atteindre des débits avoisinant le 1Gbps. L’avancée impressionnante réalisée par les systèmes 4G ne sera cependant pas suffisante pour faire face à l’explosion du volume de trafic des données prévue dans les années à venir. Ce déluge de données sans précédent sera, en fait, causé par la forte croissance du nombre d’appareils connectés sur les réseaux (téléphones intelligents, tablettes, etc.), d’une part, et le partage des vidéos à très haute définition via surtout les medias sociaux tel que You Tube et Face book, d’autre part. Les prévisions suggèrent qu’en 2020 le trafic par consommateur augmentera jusqu’à 20 fois le trafic actuel. Visant à satisfaire cette exigence, Aujourd’hui, des études sur les systèmes de cinquième génération (5G) ont été récemment entamées par des industriels et groupes de recherche. Elles ont démontré qu’on peut exploiter la bande de fréquences millimétriques jusqu’ici inutilisée.

Le terme 5G était déjà évoqué par les industriels de l’électronique dans les années 1980. En France, le 22 septembre 2015, l’ARCEP (Autorité de régulation des communications électroniques et de la poste) a autorisé Orange à tester des technologies 5G dans les bandes de 3,7 GHz, 10,5 GHz et 17 GHz dans la ville de Belfort (Territoire de Belfort, Franche-Comté). En 2015, le centre mathématiques et algorithmiques de Huwei à Paris propose des technologies démontrant des débits compatibles avec les pré-requis de la 5G : Le GFDM pour la forme d’onde, le Massive MU-MIMO (pour le système d’antennes avec des techniques de pré codages nonlinéaires) et enfin le full duplex radio (qui combine les modes TDD et FDD). L’ensemble de ces technologies ont permis de démontrer lors d’essais « outdoor » à Chengdu en Chine en octobre 2015 des efficacités spectrales « downlink » de 50 bps/Hz et une capacité du nombre de liens multiplié par 3 en « uplink » sur des fréquences en dessous de 6 Ghz.

Pour atteindre un débit requis par le réseau 5G, différents techniques peuvent être utilisé comme l’utilisation de forme d’onde GFDM, l’utilisation de fréquence plus élevée et l’utilisation des technologies de relais.

Le réseau 5G

Les réseaux 5G va être conçus pour pouvoir ouverts, flexible, et évoluer plus facilement que les réseaux traditionnels, et ne sera pas basés sur des technologies de cheminement et de commutation [1]. Elles pourront fournir la communication convergente de réseau à travers des réseaux de multitechnologies, et fournissent le système de communication ouvert pour coopérer avec les systèmes satellites, les réseaux cellulaires, les nuages et les centres des données, les passages à la maison, et beaucoup plus de réseaux et de dispositifs ouverts. En plus, les systèmes 5G pourront autonomes et suffisamment adapter sur les situations dépendant de la QoS exigé pour manipuler les réseaux axés sur les applications dynamiquement. L’intégrité de sécurité, d’élasticité, de robustesse et de données sera la première priorité dans la conception des futurs réseaux [2]. La technologie d’accès radio 5G sera une composante clé de la société gérée en réseau. Elle répondra la demande élevée de croissance et d’augmentation de trafic de la connectivité avec une largeur de bande large. Elle soutiendra également des nombres massifs des dispositifs reliés et rencontrera le temps réel, les besoins de communication de haute fiabilité. Le but général de 5G est de fournir la connectivité omniprésente pour n’importe quel genre de dispositif et n’importe quel genre d’application qui peut tirer bénéfice d’être relié. Il accélère le développement de la communication entre objets. Les réseaux 5G ne seront pas basés sur une technologie d’accès radio spécifique. Plutôt, 5G est une brochure des solutions d’accès et de connectivité adressant les demandes et des conditions de communication mobile au delà de 2020. Les spécifications de 5G incluront le développement d’une nouvelle interface d’air flexible qui sera dirigé vers des déploiements des bandes larges. Cet interface visera également des scénarios de largeur de bande large et à grande quantité de trafic, aussi bien que les nouveaux scénarios qui impliquent des communications en temps réel avec des conditions extrêmes en termes de latence et fiabilité.

Les exigences du réseau 5G
Afin de permettre la connectivité pour une étendue des applications très large, avec de nouvelles caractéristiques et conditions, les possibilités de réseau d’accès sans fil de 5G doivent sortir lointain au delà de ceux des générations précédentes de communication mobile. Ces possibilités incluront la capacité massive de système, débits très élevés, la latence très basse, la fiabilité et la haute disponibilité, la consommation de coût et d’énergie de dispositif très basse, et les réseaux de rendement optimum.

Grande capacité 

Des demandes du trafic des systèmes de communication mobile sont prévues pour augmenter considérablement [3] [4]. Pour soutenir ce trafic d’une manière accessible, les réseaux 5G doivent fournir des données avec un coût moins cher comparé aux réseaux d’aujourd’hui. En outre, l’augmentation de la consommation de données aura comme conséquence une augmentation de consommation d’énergie des réseaux. 5G doit donc consommer l’énergie sensiblement inférieure par rapport aux réseaux cellulaires courants. L’augmentation exponentielle dans des dispositifs reliés, tels que le déploiement des milliards de capteurs sans fil et de dispositifs semblables pour la connectivité massive de machine, placera des demandes sur le réseau pour soutenir les nouveaux paradigmes dans la gestion de dispositif et de connectivité qui ne compromettent pas la sécurité. Chaque dispositif produira ou consommera un peu de données, dans la mesure où ils ont limité individuellement, ou même conjointement l’impact sur le volume de trafic global. Cependant, le nombre final de dispositifs reliés défie sérieusement les capacités du réseau et le contrôle des raccordements.

Débits très élevés

Chaque génération de communication mobile a été associée à des débits plus élevés comparés à la génération précédente. Dans le passé, une grande partie du foyer a été sur le débit maximal qui peut être soutenu par une technologie d’accès sans fil dans des conditions idéales. Cependant, des possibilités plus importantes sont le débit qui peut être fourni réellement dans des conditions réelles dans différents scénarios du réseau5G :
– les taux d’informations excéderaient 10Gbps dans les scénarios spécifiques tels que les environnements extérieurs, d’intérieur et denses.
– les débits de plusieurs 100Mbps devraient généralement être réalisables dans les environnements urbains et suburbains.
– les débits au moins de 10Mbps devraient être accessibles presque partout, y compris des secteurs ruraux peu abondamment peuplés dans les pays développés et en voie de développement.

Très basse latence

La latence très basse sera conduite par la nécessité de soutenir de nouvelles applications. Certains ont envisagé des cas de l’utilisation 5G, tels que la sécurité routière et la commande des processus critiques d’infrastructure et d’industrie, peut exiger la latence beaucoup inférieure comparée à ce qui est possible avec les systèmes de communication mobile d’aujourd’hui. Beaucoup de services distribueront la capacité et le stockage informatiques près de l’interface d’air. Ceci créera de nouvelles possibilités pour la communication en temps réel et permettra la fiabilité de service dans une variété de scénarios, s’étendant du divertissement à la commande de processus industriel.

Fiabilité et disponibilité du réseau

Le réseau 5G devrait également permettre la connectivité avec une grande fiabilité et une grande disponibilité. Pour des services critiques, tels que la commande de l’infrastructure critique et la sécurité routière, la connectivité avec certaines caractéristiques, telles qu’une latence maximum spécifique devrait avoir des spécificités. Plutôt, la perte de connectivité et la déviation de la qualité des conditions de service doivent être extrêmement rares.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LE RESEAU 5G
1.1 Introduction
1.2 Evolutions du réseau mobile
1.3 Le réseau 5G
1.3.1 Les exigences du réseau 5G
1.3.2 Le réseau d’accès pour le 5G
1.3.3 Applications du réseau 5G
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 : ETUDES TECHNOLOGIQUES DU RESEAU 5G
2.1 Introduction
2.2 Les architectures en couches des réseaux
2.2.1 Le modèle de référence OSI d’ISO
2.2.2 Architecture en couches du réseau 5G
2.2.3 Principes généraux de conception pour la couche PHY et couche MAC
2.3 Les techniques de multiplexage
2.3.1 GFDM
2.3.2 GFDMA
2.3.3 MIMO : Multiple Input Multiple Output
2.4 Technologie de relais pour les réseaux 5g
2.4.2 Relais multi-sauts
2.4.3 Relais mobile
2.4.4 Relais hétérogène
2.4.5 Communication entre EUs (D2D : device to device) aidée par relais
2.4.6 Relais multiple « backaul »
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 : DIMENSIONNEMENT DU RESEAU 5G
3.1 Introduction
3.2 Les différents scénarios dans le réseau 5G
3.2.1 Scénarios pour les Macro cellules
3.2.2 Scénarios pour les Micro cellules
3.3 Dimensionnement d’un réseau 5G
3.3.1 Processus de dimensionnement du réseau 5G
3.3.2 Choix de la bande de fréquence
3.3.3 Choix du type de Dimensionnement
3.3.4 Modèles de propagation
3.4 Bilan de Liaison
3.4.2 Puissance émise
3.4.3 Sensibilité de réception
3.4.4 Affaiblissement maximum tolérable
3.5 Dimensionnement suivant la couverture
3.5.1 Système de réseau d’accès 5G
3.5.2 portée d’une station de base et d’une station de relais
3.5.3 Détermination du nombre de stations de relais à utiliser
3.5.4 Répartition des stations de relais dans une zone à couvrir
3.5.5 Contrôle d’admission d’utilisateur
3.5.6 Contrôle de Puissance
3.5.7 Arrangement d’Association d’utilisateurs basé par Voronoi
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 : RESULTATS DE SIMULATIONS DE DIMENSIONNEMENT DU RESEAU 5G
4.1 Introduction
4.2 Description de l’outil de dimensionnement
4.2.1 Spécification des besoins
4.2.2 Interface du logiciel
4.3 Dimensionnement orienté couverture
4.3.1 Calcul de pertes du chemin
4.3.2 Calcul de la portée de la station de base ou de la station de relais
4.3.3 Calcul de nombre des stations de relais à déployer
4.3.4 Simulation de dimensionnement d’une zone
4.4 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES

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