Réseaux Hétérogènes et Communications Device-to-Device

L’augmentation du nombre de transferts de données entre les utilisateurs dans les réseaux cellulaires est un sujet de recherche primordial depuis le début des années 2000. En effet, en 2014, l’augmentation globale du trafic mondial était de 70% [Cisco 15]. Cette augmentation, ajoutée aux besoins des utilisateurs en termes de débit (depuis 2012, le trafic de vidéos représente plus de la moitié du trafic mobile mondial [Cisco 15]), a conduit à l’adoption de nouveaux modèles cellulaires, de la 2G, EDGE, 4G, en passant par la 3G. Les nouvelles recherches sur les réseaux cellulaires se concentrent maintenant sur les réseaux de communication sans fil de 5ème génération, aussi connu sous le terme 5G ([Ericsson 15, Tullberg 14, Usman 15, Pervaiz 15, Sofotasios 15, Chen 15]). D’ici 2020, un utilisateur téléchargera en moyenne 1 térabit de données par an [Agiwal 16]. Bien que la 5G ne soit pas encore définie [Pirinen 14] (que ce soit en termes pratiques, techniques ou scientifiques), il est clairement établi qu’elle devra cadrer avec les exigences suivantes [Li 14] :
— volume de données mobiles 1000 fois plus élevé par unité de surface,
— débit de données de 10 à 100 fois plus élevé par utilisateur,
— nombre d’appareils connectés de 10 à 100 fois plus élevé,
— durée de vie de la batterie pour les appareils de faible puissance multipliée par 10,
— réduction de la latence par 5 de bout en bout.

Pour définir les différents travaux qui pourraient conduire à ces fins, plusieurs programmes de recherche internationaux sont proposés pour coordonner les travaux sur la 5G [Pirinen 14], notamment Horizon 2020 et 5G Infrastructure Partenariat Public Privé (5GPPP). Ces programmes permettent de mettre en commun les nombreux projets continentaux et internationaux liés à la 5G, comme METIS [Tullberg 14].

Dans leurs travaux récents, les équipes du projet METIS ont concrètement identifié les composantes technologiques qui seront intégrées dans la 5G [Tullberg 14] :
1. Massive Machine Communications (Communications Massives entre Machines) (MMC),
2. Moving Networks (Réseaux Mouvants) (MNs),
3. Ultra-Dense Networks (Réseaux Ultra-Denses) (UDNs),
4. Ultra-Reliable Communication (Communications Ultra Fiables) (URC),
5. Communications directes Device-to-Device (D2D).

Réseaux Hétérogènes et Communications Device-to-Device

Généralités sur le D2D

L’émergence de nouvelles applications incluant de la distribution de contenus de grande taille et la publicité en fonction de la position des utilisateurs a introduit, depuis quelques années, de nouveaux cas d’usages pour les communications cellulaires, mettant en exergue le besoin d’une nouvelle technologie de communication qu’est le Device-to-Device. Au delà de l’aspect applicatif très intéressant, le D2D possède de nombreux avantages : ce type de communication peut augmenter considérablement l’efficacité spectrale des réseaux – on augmente en effet considérablement le facteur de réutilisation des fréquences [Park 15, Ma 15a] et la capacité des réseaux – , et réduire la latence des communications, dans le cas de communications proches. Les communications D2D sont définies comme des communications directes entre deux mobiles ne transitant pas par la station de base (Base Station – BS) ou le réseau cœur. Ces communications peuvent utiliser soit le spectre cellulaire [Usman 15, Shen 15] (dans ce cas, on parle de communication Inband), ou un autre spectre, sans licence. Dans ce dernier cas, on parle de communication Outband [Al-Hourani 14, Usman 15, Shen 15]. Nous reviendrons sur le partage de spectre dans la section 1.5. De nos jours, les utilisateurs mobiles sont en demande croissante de services avec de hauts débits de données, que ce soit pour le partage de vidéos [Shen 15], les jeux en ligne, le réseautage social, etc. Le D2D est une réponse concrète aux différentes problématiques techniques liées à cette demande croissante, notamment pour une utilisation dans un rayon d’action très faible. Dans de telles applications, le D2D peut augmenter énormément l’efficacité spectrale du réseau tout entier. De plus, l’utilisation du D2D permet d’entrevoir des résultats prometteurs en termes de débit, de latence, de qualité de service [Ma 15a], mais aussi, et surtout, en terme d’efficacité énergétique.

Les Réseaux Hétérogènes

Les réseaux hétérogènes représentent une innovation très prometteuse pour les réseaux sans fil au sein de la 5G. Le trafic de données augmentant de manière exponentielle, et l’efficacité des liens approchant leurs limites [Damnjanovic 11], il devient nécessaire d’augmenter le nombre de cellules au sein des maillages territoriaux. Même si, dans les zones peu couvertes, il est assez aisé d’augmenter la couverture en y ajoutant plusieurs cellules (et ceci n’augmentant que très peu l’interférence inter-cellules), le problème est plus complexe dans les zones denses. En effet, dans ces dernières, l’ajout d’antennes à fort gain augmente inévitablement les interférences inter-cellules. Ainsi, l’utilisation de stations de base à plus petite puissance d’émission est une solution à cette problématique, dans le but final d’augmenter la qualité de service (QoS) et d’expérience (QoE) des utilisateurs. En plus d’accroitre les possibilités de connexions, l’ajout de cellules de petite taille permet de pallier le problème de la faible capacité de pénétration des antennes conventionnelles [Soh 13]. Introduits dans la norme LTE-Advanced, les réseaux hétérogènes (ou HetNets) représentent un mélange de grandes et de petites cellules, appelées par leurs anglicismes macrocells et smallcells.

Architectures des réseaux mobiles 4G

Initialement, les réseaux mobiles étaient utilisés pour la transmission de données vocales simples. Cependant, les usages évoluant énormément depuis le début des années 2000 et l’utilisation accrue d’internet, le mobile est devenu un point d’accès au web à part entière. De nouveaux types d’abonnements aux opérateurs apparaissent dans le milieu des années 2000. L’évolution des usages mobiles, que ce soit en termes de téléchargement de données web, d’envois de SMS/MMS, ou de streaming sur un téléphone, et le besoin toujours plus fort en bande passante, a amené à la définition d’un nouveau standard mis en place en 2013 en France : la 4G, encore appelée LTE (pour Long-Term Evolution). Cette norme met en place de nombreuses améliorations par rapport à la 3G, qui apportent :
— une augmentation des débits montants et descendants,
— une réduction de la latence,
— une meilleure efficacité spectrale,
— une optimisation automatique du réseau.

Types de cellules dans les réseaux hétérogènes

Les réseaux hétérogènes sont constitués de cellules de différentes tailles. Cette taille correspond clairement à leur zone de couverture . On distingue deux grands types de cellules :
1. Les grandes cellules (ou macrocells), correspondant aux cellules classiques des opérateurs téléphoniques
2. Les petites cellules (ou small cells) .

Macrocellules

Les macrocellules permettent la fourniture de services à faible bande passante. A l’inverse des petites cellules, elles possèdent un large rayon de couverture, permis par une grande puissance d’émission (celle-ci variant de 5 à 40W [Damnjanovic 11]). De par leur rayon étendu, elles offrent à l’usager une mobilité élevé au sein de la cellule. Les macrocellules représentent, dans la 4G, les cellules des stations de base, ou eNodeB.

Petites cellules

Les petites cellules, encore appelées small cells ou LPN (pour Low Power Nodes), sont des stations de base à faible puissance, celle-ci s’étalant de quelques dizaines de milliwatts à 2W. Cette faible puissance n’offre évidemment qu’une zone de couverture assez restreinte, comparée à celle des macrocells. Cependant, leur utilisation est très intéressante, notamment en environnement interne : on imagine en effet très bien l’implantation de LPN au sein de bâtiments opaques, dépourvus de réseaux cellulaires classiques. Au delà de cette application « indoor », les petites cellules permettent un déchargement (ou « offload ») efficace des macrocells à l’intérieur d’une grande cellule, et, par conséquent, une diminution du cout annuel du réseau macro-cellulaire pour l’opérateur de près de 70% [Claussen 07]. Enfin, ces LPN permettent de transmettre un débit de données beaucoup plus élevé que les macrocells.

On distingue 3 types de LPN :
1. Les picocellules
2. Les femtocellules
3. Les nœuds relais .

Picocellules
Les picocellules sont principalement des antennes omnidirectionnelles implantées en intérieur ou en extérieur. On les appelle plus communément des Hotspots.

Femtocellules
Les femtocellules sont principalement déployées par les utilisateurs. A l’instar des picocellules, ce sont des antennes omnidirectionnelles qui peuvent être « ouvertes» (n’importe qui peut se connecter à la cellules) ou « fermées » (accès à la station sécurisé par une clé). Ces cellules sont souvent sources d’interférences pour les terminaux.

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Table des matières

Introduction générale
Nomenclature
1 Réseaux Hétérogènes et Communications Device-to-Device
1.1 Généralités sur le D2D
1.2 Les Réseaux Hétérogènes
1.2.1 Architectures des réseaux mobiles 4G
1.2.2 Types de cellules dans les réseaux hétérogènes
1.2.2.1 Macrocellules
1.2.2.2 Petites cellules
1.2.2.3 Nœuds relais
1.2.3 Réseau homogène – réseau hétérogène
1.2.4 Sélection de la cellule
1.2.5 Gestion des interférences
1.2.6 Handover
1.3 Les différentes topologies de communications D2D
1.3.1 DR-OC
1.3.2 DC-OC
1.3.3 DR-DC
1.3.4 DC-DC
1.4 Création des liens entre les UE en D2D
1.5 Utilisation des ressources radio en D2D
1.5.1 Inband D2D
1.5.1.1 Underlay Inband D2D
1.5.1.2 Overlay Inband D2D
1.5.2 Outband D2D
1.5.2.1 Outband D2D contrôlé par le réseau
1.5.2.2 Outband D2D autonome
1.6 Conclusion
2 Efficacité Énergétique de Liens D2D avec relais
2.1 Modèle basique des communications D2D
2.2 Modélisation des distances entre appareils et symboles utilisés
2.3 Modèles de calcul d’énergies consommées
2.3.1 Puissances d’émission
2.3.2 Topologie DC-DC
2.3.3 Topologie DR-DC
2.3.4 Topologie EB-DR-DC
2.3.5 Processus temporels
2.3.6 Énergie totale pour toutes les topologies
2.3.7 Énergie globale
2.4 Identification de la « Zone Optimale de Relais »
2.5 Analyse numérique avec un beacon de longueur identique à la longueur du message
2.5.1 Consommation totale d’énergie avec une variation de xr
2.5.2 Consommation totale d’énergie en faisant varier dAB
2.5.3 Différences de consommation d’énergie pour toutes les topologies
2.6 Analyse numérique avec variation de la longueur du beacon
2.6.1 Consommation énergétique totale avec variation de xr
2.6.2 Différences de consommations énergétiques pour toutes les topologies
2.6.3 Choix de topologie en fonction de xr
2.7 Utilisation de relais dans un réseau dégradé avec création de clusters à l’aide d’un algorithme Fuzzy C-Means
2.7.1 Travaux antérieurs
2.7.2 Problématique et modèle
2.7.2.1 Problématique
2.7.2.2 Modèle
2.7.3 Métriques
2.7.4 Allocation cellulaire
2.7.5 Allocation D2D en cluster
2.7.5.1 Formation de clusters de relais D2D
2.7.5.2 Attribution du spectre et relais
2.7.5.3 Ratio de « trous » dus au Fuzzy C-Means
2.7.5.4 Énergie consommée
2.7.5.5 Interférences
2.8 Conclusions
3 Analyse de communications D2D au sein des réseaux cellulaires
3.1 Small-scale fading
3.1.1 Caractérisation du small-scale fading
3.1.2 Modèles statistiques de canaux d’évanouissement
3.1.2.1 Modèle de Rayleigh
3.1.2.2 Modèle de Nakagami-m
3.1.2.3 Modèle de Rice
3.2 Introduction à la géométrie stochastique
3.2.1 Définition et utilisation
3.2.2 Modélisation des réseaux cellulaires D2D
3.2.2.1 Modélisation spatiale
3.2.2.2 Le Processus Poisson Point marqué
3.2.3 Caractérisation des interférences
3.3 Métriques de performance en géométrie stochastique pour les télécommunications
3.3.1 Probabilité de couverture
3.3.1.1 Probabilités de couverture avec un canal de Rayleigh
3.3.2 Probabilité de perte
3.3.3 Débit
3.3.4 Efficacité énergétique
3.3.4.1 Modèle de consommation de puissance
3.3.4.2 Efficacité spectrale par unité d’aire
3.3.4.3 Efficacité énergétique
3.4 Modèles et partages de spectre étudiés
3.4.1 Modèle de Réseau
3.4.1.1 Stations de Base
3.4.1.2 Equipements utilisateurs
3.4.2 Partages de spectre
3.4.2.1 Underlay Inband
3.4.2.2 Overlay Inband
3.4.2.3 Outband
Conclusion générale

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