presentation for ressource allocation in lte femtocell

1. MEMOIRE
présenté en vue de l’obtention du
Diplôme de Mastère recherche
Spécialité: Système de communications
Présentée et soutenue par:
Alioune Laba Ndiaye
Allocations avancées des ressources dans les reseaux LTE femtocells
Encadreur:
Mr Ridha Boualllegue
Laboratoire de recherche :

2.  Sommaire
1-Introduction
2-Vue générale sur la LTE et concept de femtocells
3-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en downlink
4-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en downlink base sur la théorie des jeux
5-Simulation et interprétation
6-Conclusion et perspectives
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3. Introduction
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 Long Term Evolution(LTE) est une technologie mobile qui présente une évolution de l’UMTS après HSDPA et HSUPA
,aussi appelé 3,9G ou super 3G
 L’idée est que la 3G LTE permettra
Qu’est-ce que LTE ?
 Fonctionnement en mode IP
• Temps de latence beaucoup plus faible
• Un debit élevé jusqu’à 100 Mbps
Afin d’assurer la compétitivité et les promesses non encore tenues par la 3G
Pourquoi LTE ?

4. 2-Vue générale sur la LTE et concept de
femtocells
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5. Evolution des reseaux mobiles
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2G
2G +
3G
3G +
4G
GSM : 9,6 Kbit/s
UMTS : 2 Mbit/s
EDGE : 384 Kbit/s
GPRS : 171 Kbit/s
LTE : 150 Mbit/s
HSPA+ : 42 Mbit/s
HSDPA : 14,4 Mbit/s
Evolution en terme de :
 Capacité et couverture;
 Débit;
 Qualité de Service.

6. Objectifs du LTE
Débits 100
Mbps/50Mb
ps
Latence
réduite
RTT 10ms
Interconnexion
avec les autres
reseaux 3G
Bande
passante
modulable
Mobilité
allant
jusqu’à
500Kmh/
Efficacité
spectrale
ameliorée
Novelle
architecture
simplifié du
réseau
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7. Nouvelles technologies de retransmissions radios :
Changements principales
 OFDMA sur la liaison descendante (DL)
 SC-FDMA sur la liaison montante (UL)
 MIMO
Nouvelle architecture réseau:
 Station de base enrichie en fonctionnalités (eNodeB)
 nouveau cœur de réseau EPC (Evolved Packet Core)
Nouveau architecture protocolaire
 Réduction de la complexité
 Suppression des canaux dédiés
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8. Architecture du réseau lte
EPC
E-UTRAN
 Architecture du réseau lte devient très simplifié
 Le RNC de la 3G est éliminé et ses fonctionnalités son
affectées à l’eNB
Avantages
 Distribution de la charge de traitement du RNC sur l’eNB
 Réduction de la latence
 Les interfaces permettent de réduire les pertes de
paquets pendant l’intra E-UTRAN
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9.  Ils prennent généralement en charge les accès pour
les téléphones de 3e génération(3G)
Concept de femtocell
 les cellules femto sont des points d’acces sans fil de
faible puissance
 Les femtocells sont des stations de bases de petites tailles
 Souvent utile pour les utilisateurs indoor
 Le concept femtocell vise à combiner l’acces fixe à
large bande et la téléphonie cellulaire
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10. Vue générale sur le réseau HetNet
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Rayon : 2 Km
Utilisateurs : 32 – 100+
Rayon : 10 - 30 m
Utilisateurs : 4 – 8
Rayon : 2 Km
Utilisateurs : 32 – 100+
Rayon : 100 m
Utilisateurs : 8 –
32
Rayon : 5 Km
Utilisateurs : 1000+

11. Architecture de réseau LTE-Femtocell
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Macro UE
Femto UE
eNB
eNB
Broadband IP
Access
HeNB Broadband Access
Gateway
HSS
HeNB-GW /
Security GW
MME/S-GW
P-GW
Operator’s IP
Services
E-UTRAN
EPC
X2
S1
SGi
S1-U / S1-MME
S6-a
 La HeNB se connecte au EPC à travers les interfaces S1-U et S1-MME.
 Pour soutenir un grand nombre de HeNBs, une passerelle (HeNB-GW) est utilisée entre les HeNBs et EPC.
Uu
Uu

12. Avantages des femtocells
 Etendre la capacité et la couverture du réseau,
 Abaisser les élevés de l’infrastructure de réseau,
 Réduire la consommation de la batterie
Pour l’abonné :
 Assurer une meilleure couverture intérieure
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Pour l’operateur:
 Diminuer la charge de la macrocell,
 Réduire le rayonnement du mobile,

13. Défis des femtocells
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Défis
de
Femtocell
Qualité de service
Gestion de l’interférence
Auto-organisation Consommation énergétique
Mobilité
Sécurité
Le déploiement des femtocells fait face à des défis techniques de même que économique

14. 3-Aperçu sur les algorithmes d’ordonnacement en
downlink
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15. Algorithmes d’ordonnacement en Downlink
 Algorithmes utilisés pour l’allocation des ressources radio
 Amélioration des performances du système en augmentant l’efficacité spectrale et l’équité dans le
réseau
 Trouver un compromis entre l’efficacité et l’équité entre les utilisateurs
Plusieurs famille d’algorithmes ont été définit dont certaines ont des caractéristiques
communes
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16. Les algorithmes opportunistes(1)
Proportional Fair (PF)
 Il permet de faire le compromis entre le taux de données et le debit pour chaque
utilisateur,
 Il est utilisé pour les flux Non Temps Réel(NRT)
 PF alloue les ressources en tenant en compte de la nature du canal et le debit de
l’utilisateur,
 Le planificateur PF est représenté comme suit:
𝒂 =
𝒅𝒊 𝒕
𝒅𝒊
𝒅𝒊(𝒕) : Débit correspondant au CQI de l’utilisateur i.
𝒅𝑖:Debit maximal supporté par le RB
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17. Les algorithmes opportunistes(2)
Exponential Proportional Fairness(EXP/PF)
 EXP/PF maximise le debit des systèmes en garantissant un retard borné
 Il assure l’équité proportionnelle entre les utilisateurs
 EXP/PF soutient les applications multimédia dans une modulation et codage adaptatif
 EXP/PF choisit l’utilisateur k pour la transmission de la manière suivante:
K=𝑚𝑎𝑥𝑖
𝑎 𝑖
𝑑 𝑖 𝑡
𝑑 𝑖
exp 𝑎 𝑖 𝑊𝑖 𝑡 −𝑋
1+ 𝑋
X=
1
𝑁 𝐼 𝑎𝑖 𝑊𝑖(t) 𝑊𝑖 𝑡 : 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑖 𝑡𝑜𝑙𝑒𝑟é 𝑝𝑎𝑟 𝑙𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑥
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18. L’algorithme basé sur le délai
 Il supporte plusieurs données en temps réel
 Il essaie d’équilibrer les retards paquets pondéré et utilise la reconnaissance sur l’état efficace du
canal
 Il choisit l’utilisateur k pour la transmission de façon suivante:
K=𝑚𝑎𝑥𝑖 𝑎𝑖
𝑑 𝑖 𝑡
𝑑 𝑖
𝑊𝑖 𝑡 𝑎𝑖 =−log(𝛿𝑖)𝑇𝑖
Maximum-Largest Weighted Delay First (M-LWDF)
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19. Etude comparative des algorithmes
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algorithmes références Équité
partielle
Équité
générale
Condition
du canal
complexité Statut du
buffer
PF
EXP/PF
M-LWDF

20. 4-Proposition d’un algorithme d’ordonnancement en
downlink base sur la théorie des jeux
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21. Solution d’ordonnacement dans les reseaux LTE
femtocells
 Le but est d’adapté un jeu de négociation basé sur la théorie des jeux en utilisant la
valeur de Shapley et les jeux de faillites,
 Distribution de la bande passante entre les classes de services,
 Améliorer la planification de l’allocation en liaison descendante en utilisant EXP-RULE
modifié avec le mécanisme de jeton virtuel,
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22. Présentation de notre solution
utilisateurs
Distributions des ressources en utilisant la théorie des
jeux
Allocation des ressources à base d’un
ordonnanceur modifié basé sur le mécanisme des
jeton virtuels
P1,N1 P3,N3P2,N2
B3B2B1
1e niveau
2e niveau
Classe P1
Classe P3Classe P2
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23. Les étapes de notre algorithme
Les utilisateurs sont divisés en trois(3) classes P1,P2 et P3
Classification des utilisateurs par priorité(1)
 La classe P1 représente les utilisateurs femtocells
 La classe P3 concerne les autres
 La classe P2 représente les utilisateurs de même operateur
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24. Les étapes de notre algorithme
Distribution de la bande passante par jeux de faillite(2)
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25. Les étapes de notre algorithme
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)
Cette allocation se fera en deux(2) phases:
1er phase: utilisation de la valeur de Shapley pour assurer l’équité entre les différents utilisateurs,
Cette valeur est définie comme suit:
∅𝑖 v = 𝑆𝜖𝑁 𝑆 −1 !(𝑛− 𝑆 )!
𝑛!
(V(s) –V(S{i})
V est le gain moyen pour chaque joueur
Ou:
∅𝑖 v :est la fonction du joueur i
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26. Les étapes de notre algorithme
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)
1er phase: utilisation de la valeur de Shapley pour assurer l’équité entre les différents utilisateurs,
Nous définissons le scenario suivant:
 La bande passante par flux est donnée
comme suit={242,8,4,2}
 La bande passante C=c1,c2,c3=32Mbps (50RBs
par TTI)
 N=A,B,C les acteurs de notre scenario
 Les classes suivantes : vidéo=A, VoIP=B et
CBR=C
Le jeux de la bande passante est modélisé comme
(N;𝑣𝑐 𝑔) ou |N|=3
𝑣𝑐 𝑔 𝑆 =max{ 𝐶𝑗 − 𝐼𝜖𝑁S 𝑔𝑖, 0 }
v(N)=𝐶𝑗
Notre fonction caractéristique est défini comme suit
:
V(1)=max{ 𝐶𝑗 −(8,4𝑘 𝐵 +2𝑘 𝐷),0}
V(2)=max{ 𝐶𝑗 −(242𝑘 𝐵 +2𝑘 𝐷),0}
V(3)=max{ 𝐶𝑗 −(242𝑘 𝐴 + 8,4𝑘 𝐵),0}
V(1,2)=max{ 𝐶𝑗 −2𝑘 𝐶,0}
V(1,3)=max{ 𝐶𝑗 −(8,4𝑘 𝐵,0}
V(2,3)=max{ 𝐶𝑗 −(242𝑘 𝐴,0}
V(1,2,3)= 𝐶𝑗 −
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27. Les étapes de notre algorithme
Allocation des ressources à base d’un ordonnanceur modifié base sur les jeton virtuel(3)
2er phase: allocation des ressources liées à chaque catégorie de flux
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28. Les étapes de notre algorithme
Ordonnancement des paquets niveau file d’attente
On se base sur l’algorithme EXP-RULE modifié
 EXP-RULE supporte des applications multimédias dans une modulation et codage
adaptatif
 l’utilsateur peut appartenir à un flux temps réel(RT) ou Non Temps
Réel (NRT)
 EXP-RULE choisit l’utilisateur j comme suit:
• 𝜇𝑖(t) est le débit de données de l’utilisateur i à
l’instant t
• 𝑊𝑖(t) est le retard du paquet HOL
• 𝜇𝑖(t): Est le debit moyenne supporté par le canal
𝑇𝑖 ∶le plus grand retard que l’utilisateur peut tolérer
𝛿𝑖 : Probabilité de retard violé
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J= 𝑚𝑎𝑥𝑖 𝛼𝑖
𝜇 𝑖(𝑡)
𝜇 𝑖
Exp (
𝑎 𝑖 𝑊𝑖(𝑡) − 𝑎𝑊
1+ 𝑎𝑊
)

29. Simulation et interprétation
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30. Paramètres de simulation
2-Paramètres de simulation
 Le debit
1-Les indicateurs de performances à étudier:
 Le taux de perte de paquets (PLR)
 Le délai de transite
 l’indice de l’equité
 Vidéo bitrate :242 kbps
 Scheduling time(TTI) :1 ms
 Radius : 1km
 Slot duration :0,5ms
 Bandwidth : 10 Mhz
 Frame structure :FDD
 Simulation duration:120 s
 VoIP bitrate :8,4 kbps
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31. Résultats de simulation
1-taux de pertes de paquets pour les flux vidéos
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32. Résultats de simulation
2-taux de pertes de paquets pour les flux VoIP
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33. Résultats de simulation
3-indice de l’équité pour les flux vidéo,
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34. Résultats de simulation
4-average throughput pour le flux vidéo,
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35. Résultats de simulation
5-l’efficacité spectrale
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36. Conclusion
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 Etude des algorithmes d’ordonnancement en downlink basé sur des principes mathématiques
 Evaluation des performances du système en se basant sur la théorie des jeux,
 Vue générale sur les reseaux hétérogènes,