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Etude des scénarios de clustering des réseaux 4G de TT pour la migration vers une architecture 5G Cloud-RANpar El Bouhani Abdelbasset FSB - Master 2021 |
ConclusionA travers ce chapitre, nous avons exposé un vu sur la planification réseaux et la cloud-RAN, en présentant tout d'abord le principe de planification avec le bilan de liaison puis en présentant la concept cellulaire, modèle de propagation .la deuxième parti inclus les concepts du cloud -RAN principalement, V-RAN et l'OPEN-RAN et ces architectures en fin les avantages de l'utilisation du déférentes Cloud dans les réseaux mobiles 39 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture Chapitre 3 Le réseaux 5G capacité et couvertureIntroductionLes réseaux mobiles de 5éme génération dont la mise en service est prévue en 2020 constituent l'expression d'une maturité inégalée en matière d'objectifs technique et économiques et de technologies prévues pour l'atteinte de ces objectifs. Ils prévoient l'intégration des concepts de convergence et d'agilité et visent une unification universelle des standards et protocoles. Les propositions relatives au réseau d'accès doivent prendre en compte les spécificités du futur standard en termes d'architecture, de services, de débits et des bandes spectrales envisagées. Nous présentons dans ce chapitre introductif les principes de base de la 5G en mettant l'accent sur les objectifs, l'architecture physique et logique et les nouveaux concepts technologiques qui font de cette norme, une véritable révolution dans le domaine des communications mobiles. 1 Vision et objectifs du futur réseau 5G 1.1 Evolution des standards actuels Les normes de communications mobiles de 4éme génération en service depuis 2011 ont été conçues avec des objectifs bien précis en termes de qualité de service et débits supportés. Pour cela, les principaux objectifs visés par le projet IMT-Advanced (International Mobile Télécommunication - Advanced) étaient de pouvoir atteindre des débits maximums de 100 Mbit/s en mobilité à 360 km/h et de 1 Gbit/s pour les usagers stationnaires, une largeur de bande évolutive jusqu'à 100 MHz et une efficacité spectrale de 15 bit/s/Hz pour le sens descendant et 6.75 bit/s/Hz pour le sens montant. La première version du standard LTE (3GPP Release 8 et 9) sortie en 2008, était incapable d'atteindre l'intégralité des objectifs escomptés. Les versions ultérieures (LTE-A, B et C) éditées dans les Releases 10, 11, 12 et 13 ont vu l'introduction de nouvelles technologies telles que l'agrégation de porteuses, le MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) et la prise en charge des communications de type machine (MTC, Machine-Type Communication). 40 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture Cette évolution technologique, malgré les améliorations apportées, s'est confrontée à une explosion spectaculaire du trafic, du nombre d'utilisateurs et des contenus multimédia. Dans le rapport de mobilité trimestriel de novembre 2018 publié par Ericsson, le trafic mondial a augmenté de 88% entre le dernier trimestre de 2017 et celui de 2018. Le taux de pénétration mobile est de 104% avec un total de 7.9 milliards d'abonnés dans le monde. La figure au-dessus rapporte l'évolution du trafic mondial data entre les années 2013 et 2018. A cette allure, les standards actuels arriveront à leurs limites très prochainement.
Figure 20.Evolution du trafic data mondial Deux principaux facteurs ont favorisé le consensus universel sur la nécessité d'une évolution révolutionnaire vers la 5éme génération de réseaux mobiles. D'une part, la demande croissante en services large bande et, d'autre part, le désir de supporter et de créer des services basés sur l'Internet des objets et les communications entre machines [3]. Il est clair que cette révolution technologique entrainera un changement radical dans la conception et la définition des objectifs du futur standard. 1.2 Les objectifs du standard 5G Le nouveau système de communication 5G promet un accès illimité à l'information, le support de technologies sans fil très performants et l'introduction de services commerciaux innovants. Le tableau au-dessus décrit les performances ciblées par le futur standard et qui sont définies dans le 41 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture projet IMT-2020 [4]. On note une augmentation considérable du débit montant et descendant et des bandes passantes pouvant atteindre 1 GHz. Un objectif ultime de la 5G est la convergence des réseaux existants. Le réseau 5G sera un réseau hétérogène supportant une multitude de standards et permettant la configuration et la gestion automatique de nouveaux services. Un autre objectif du standard est la réduction de la consommation énergétique du système global. Cette réduction sera le résultat de l'usage extensif des outils logiciels pour l'implémentation des fonctions réseau ou pour la création et la gestion des services applicatifs.
Tableau 3.Performances du réseau 5G ciblées par le projet IMT-2020. 1.3 Classes de communications supportées Trois scénarios d'utilisation ont été envisagés par l'IMT-2020 [4]. Les spécificités de chaque scénario ont été prises en compte dans l'élaboration de la norme : *Communication Large bande mobile améliorée (eMBB, enhanced Mobile Broad Band). Il s'agit du service mobile voix et data classique offert par les réseaux mobiles existants. L'amélioration envisagée portera sur les débits utilisateur, la qualité de la couverture et le support des technologies hétérogènes. * Communication ultra-fiable à très faible latence (URLLC, Ultra-reliable and Low Latency Communications). Ce scénario couvre les applications de gestion intelligente du transport, les systèmes Véhicule-à-Tout (V2X, Vehicule-to-Everything), la télémédecine, les réseaux électriques Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture intelligents, etc. Ce scénario est caractérisé par les contraintes strictes sur la synchronisation, les délais de transmission et la disponibilité. * Communication massive de type machine (mMTC, massive Machine Type Communications). Il s'agit des systèmes de collecte de données massives à partir d'un grand nombre de machines telles que des capteurs et des outils de mesure intelligents. Ces données seront utilisées pour l'aide à la décision, l'automatisation et la prédiction selon le contexte de l'application considérée. La mesure des polluants dans l'eau ou dans l'atmosphère est l'une des applications MTC dans le domaine de l'écologie. 1.4 Activités de standardisation Le 3GPP coordonne les travaux de normalisation sous les directives de l'ITU-R qui a défini les grandes lignes du projet IMT-2020. Le planning initial du projet prévoit la ratification de la 1ere version complète de la norme lors de la Conférence Internationale des Radiocommunications qui se tient en 2019. La normalisation a été réalisée en deux phases d'une durée équivalente. La 1ère phase a été achevée et publiée dans les Releases 14 et 15 en mars 2017 et septembre 2018, respectivement. La phase 2 publiée dans la Release 16.
42 Figure 21.Planification du processus de standardisation de la 5G Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture 1.5 Architecture du réseau 5G La figure au-dessus décrit l'architecture simplifiée du réseau 5G. Les stations de base sont soit des gNB fournissant des terminaisons de protocoles du plan utilisateur et du plan de contrôle, soit des ng-eNB. Les gNB sont les stations de base 5G natives supportant les fonctionnalités radio 5G par défaut alors que les stations de base ng-eNB sont des stations de base 4G mises à niveau pour supporter les services radio 5G dans le but d'assurer une migration progressive entre les deux standards. Les stations gNB et ng-eNB sont interconnectées via l'interface Xn. L'ensemble de ces stations constitue le réseau d'accès de nouvelle génération (NG-RAN, Next Generation-Radio Access Network). L'interconnexion des gNB et ng-eNB avec le réseau coeur (5GC, 5G Core) se fait avec les fonctions réseau AMF (Access and Mobility Management Function) et UPF (User Plan Function) du coeur à travers l'interface NG.
43 Figure 22.Architecture du réseau 5G Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture La fonction AMF est chargée de la signalisation non liée aux données utilisateur (mobilité, sécurité, ...). Elle supporte des terminaux utilisateurs (UE, User Equipment) avec différents profils de mobilité. L'UPF gère les fonctionnalités liées aux données utilisateur (routage de packets, QoS, reporting du trafic utilisateur...). AMF et UPF sont les fonctions du réseau coeur qui s'interfacent avec le réseau d'accès. Les autres fonctions du réseau coeur sont représentées sur la figure au-dessus qui décrit l'architecture fonctionnelle du réseau 5G. Une brève description de ces fonctions est donnée dans le tableau après la figure.
44 Figure 23.Architecture fonctionnelle du réseau 5G.
45 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture Tableau 4.Description des fonctions du réseau 5G D'un point de vue architecture, le déploiement de la 5G est prévu en deux phases représentées sur la figure au-dessus. La 1ère phase est un déploiement assisté ou non-autonome (NSA, Non-Stand Alone). Un réseau d'accès mixte LTE-ngRAN est interconnecté avec un réseau coeur LTE mis à niveau pour supporter des fonctions 5G de base (5G EPC, 5G Evolved Packet Core) en parallèle avec les services LTE (options 1 et 3). Cette architecture utilise LTE comme entité de gestion du plan de contrôle tandis que le plan utilisateur est géré par les deux standards. Cette double connectivité permettra le support des débits 5G avec une meilleure couverture LTE. Cette architecture évoluera vers un déploiement autonome (SA, Stand-Alone) où le réseau coeur est un réseau natif 5G. Cependant, les fonctions radio LTE continueront à être prises en charge (Options 5 et 7). Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture
46 (a) (b) Figure 24.Modes de déploiement autonome (a) et non-autonome (b) du réseau 5G 2 Les technologies émergentes de la 5G Pour atteindre les objectifs de la 5G, des travaux extensifs ont été menés pour proposer des solutions innovantes permettant de garantir les performances souhaitées. Ces avancées technologiques couvrent aussi bien les aspects liés à l'interface radio et à la couche réseau que ceux liés à l'amélioration de l'expérience utilisateur, la sécurité et l'efficacité énergétique du système. 2.1 Technologies liées à l'interface radio L'interface radio est la partie critique de tout système de radiocommunications mobiles. La modélisation du canal évolue de plus en plus pour remédier de ses effets sur les signaux transmis. Les très hauts débits ciblés par la norme ainsi que les nouveaux scénarios envisagés nécessitent la mise à niveau des technologies radio employées dans les réseaux existants. La nouvelle interface radio appelée la Nouvelle Radio (NR, New Radio) intègre toutes les améliorations et paramétrages apportés par le standard 5G De nouvelles techniques de modulation ont été étudiées pour l'interface radio 5G. L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) et ses variantes ont obtenu le consensus de la 47 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture communauté scientifique et industrielle pour leur faible complexité et leur capacité à réduire l'émission hors bande pour une meilleure optimisation du spectre [8]. Un nouveau paramétrage des formes d'ondes (numérologie) est prévu en fonction des cas d'utilisation. Des méthodes d'accès non-orthogonales seront probablement préférées pour le multiplexage spatio-temporel des utilisateurs. La méthode SIC (Successive Interference Cancellation) est l'une des méthodes non-orthogonales sur laquelle, des améliorations sont en cours pour définir les méthodes d'accès supportées par l'interface radio 5G Le MIMO massif est l'une des technologies prévues pour améliorer l'efficacité spectrale du système. L'idée est d'utiliser un grand nombre d'éléments d'antennes en réseau pour générer des profils de rayonnement très directifs. Cette technique est particulièrement destinée aux hotspots dans les réseaux hétérogènes où l'usage des fréquences millimétriques réduit la taille des éléments et les interférences inter-cellules. Le support de plusieurs modes de transmission, en l'occurrence FDD (Frequency Division Duplex), TDD (Time Division Duplex), et le mode flexible (structure unifiée de la trame supportant les deux modes) contribuera également à l'amélioration de l'efficacité spectrale. 2.2 Technologies liées à l'architecture du réseau La conception de l'architecture du réseau 5G repose sur la notion de fonction réseau plutôt que celle d'entité réseau. Ce nouveau paradigme basé sur le service a permis d'incorporer les outils informatiques pour la virtualisation des fonctions réseau. La centralisation des traitements logiciels avec la notion de réseau d'accès virtualisé (C-RAN, Cloud- Radio Access Network) et le découpage virtuel du réseau (NS, Network Slicing) constituent les piliers de la vision 5G. L'implémentation du C-RAN et du Network Slicing est réalisée à l'aide de deux technologies émergentes en communications mobiles : les réseaux logiciels (SDN, Software Defined Network) et la virtualisation des fonctions réseaux (NVF, Network Virtualization Function). Le SDN et la NVF sont des outils permettant de créer un réseau logique programmable constitué de fonctions réseaux virtualisées interconnectées par des liens logiques et implémentées sur une infrastructure physique programmable telles que des processeurs génériques de type ATCA 48 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture (Advanced Telecommunications Computing Architecture). La même infrastructure pourra donc être reprogrammée pour implémenter n'importe quelle fonction réseau désirée. Avec ces outils, les objectifs en termes de très haute capacité de traitement, de latence et de support d'un très grand nombre d'utilisateurs/objets connectés peuvent être atteints. Le C-RAN centralise le traitement en bande de base et les fonctions des couches supérieures pour former un pool de ressources à configuration et allocation dynamique, tandis que les unités radio sont déployées de manière distribuée. Le C-RAN est donc un ensemble d'unités de traitement centralisées permettant de créer et de configurer des émetteurs/récepteurs virtuels reliées aux unités radio distantes. L'autre nouveauté du standard qui est le Network Slicing ou découpage virtuel du réseau a pour objectif la configuration "d'une tranche" du réseau pour chaque scénario de communication au lieu de la réservation de toutes les ressources du réseau de manière statique à tous les cas d'utilisation qui ne requièrent pas les mêmes paramètres de configurations et ne sollicitent pas toutes les fonctions du réseau. Une tranche du réseau est une collection de fonctions réseau logiques configurées pour un cas d'utilisation spécifique. L'opérateur peut donc configurer des tranches de réseau de manière dynamique pour répondre à des scénarios précis du marché. La figure au-dessus illustre le principe du Network Slicing du réseau 5G. Dans cet exemple, trois tranches sont définies dont la tranche 1 pour les communications eMBB, la tranche 2 pour les applications de conduite automatisée pour des communications machine à machine (D2D, Device to Device) et la tranche 3 pour les communications massives d'objets (mIoT, massive Internet of Things). Pour chaque tranche, une configuration spécifique du réseau d'accès (RAT, Radio Access Technology) est utilisée. Les fonctions réseau du plan utilisateur (UP, User Plan) et du plan de contrôle (CP, Control Plan) au niveau du coeur sont sollicitées différemment selon la tranche considérée. 49 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture
Figure 25.Principe du Network Slicing 3.Le réseau d'accès 5G 3.1. Architecture Le NG-RAN en mode autonome est formé de stations de bases distribuées de nouvelle génération gNB au-dessus. Un gNB est composé d'une unité centrale (CU, Central Unit), et d'un ensemble d'unités distribuées (DU, Distributed Unit). Certaines fonctions de la couche physique de bas niveau peuvent être détachées du DU et implémentées dans une unité radio distante (RU, Remote Unit). 50 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture
Figure 26.Architecture du réseau d'accès 5G Les fonctions du gNB sont réparties en couches selon le modèle représenté sur la figure au-dessus. Cette pile protocolaire supporte les fonctions attribuées au gNB : - Gestion des ressources radio ; - Compression, cryptage et protection de l'intégrité des données utilisateur ; - Routage des données du plan de contrôle et du plan utilisateur vers l'UPF et l'AMF ; - Etablissement et terminaison de connexions ; - Gestion des sessions ; - Le Network Slicing ; - Distribution des messages NAS (Non-Access Stratum) ; - Partage du RAN entre operateurs ; - Gestion de la double connectivité. 51 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture
Figure 27.Pile protocolaire du NG-RAN. 3.2 Répartition fonctionnelle du NG-RAN Les fonctions radio au niveau du gNB sont réparties entre les noeuds logiques (CU, DU et RU) afin de permettre une meilleure distribution de la charge et une optimisation des liens entre ces différentes unités. En supposant qu'un point de séparation (frontière logique entre deux noeuds du NG-RAN) peut être défini soit entre deux couches (inter-couches) soit au sein de la même couche (intra-couche), huit points de séparation ont été proposés comme indiqué sur la figure au-dessus. Le point de séparation de haut niveau (HLSP, High Level Split Point) correspond à l'interface entre le CU et le DU/RU appelée F1. L'interface entre le RU et le CU/DU est le point de séparation de bas niveau (LLSP, Low Level Split Point). L'option 2 (PDCP/High RLC) a été retenue comme point de séparation de haut niveau. Pour le point de séparation de bas niveau, le choix reste à confirmer entre l'option 6 (Low MAC/ High PHY) et l'option 7 (High PHY/Low PHY). Notons que, pour une meilleure flexibilité, l'une ou l'autre des répartitions peut être utilisée ou les deux en même temps (répartition en cascade). 52 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture
Figure 28.Répartition fonctionnelle du NG-RAN 3.3 Couche physique de l'interface radio La forme d'onde du lien descendant est l'OFDM conventionnel avec préfixe cyclique (CP-OFDM, Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [16]. La même forme d'onde est adoptée pour le lien montant avec en option un pré-codage par transformée de Fourier discrète (DFT, Discret Fourier Transform) qui peut être activé et désactivé.
Figure 29.Blocs de génération de la forme d'onde de l'interface radio. Dans l'objectif de supporter des scénarios de déploiement variés et un large intervalle de fréquences porteuses, la Nouvelle Radio supporte plusieurs espacements entre porteuses. Les espacements adoptés obéissent à la relation : Äf=2?? 15 (kHz), ??= {0,1,2,3} 53 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture Les espacements 15 kHz, 30 kHz et 60 kHz peuvent être employés avec les fréquences porteuses en dessous de 6 GHz (FR1, Frequency Band 1). Pour les déploiements à des fréquences supérieures à 24 GHz (FR2, Frequency Band 2), les espacements de 60 kHz et de 120 kHz peuvent être utilisés. La durée du préfixe cyclique est de 4.7 ìs pour la numérologie 0 (Äf = 15 kHz) et évolue inversement avec l'espacement entre porteuses. Une option de préfixe cyclique étendu est supportée pour la numérologie 2 (Äf = 60 kHz). Le tableau au-dessus récapitule les numérologies supportées et les configurations possibles du préfixe cyclique correspondantes à chacune d'elles.
Tableau 5.Numérologies supportées par le NG-RAN La largeur de bande maximale supportée par la Nouvelle Radio est de 100 MHz pour la bande FR1 et 400 MHz pour la bande FR2. Pour obtenir des largeurs de bande plus élevées, l'agrégation de porteuses est utilisée jusqu'à 16 canaux. Les modulations QPSK, 16-QAM, 64-QAM et 256-QAM sont supportées dans les deux sens. Dans le cas où c'est la forme d'onde DFT-OFDM qui est utilisée pour lien montant, la modulation ð/2_BPSK peut être utilisée pour réduire le PAPR (Peak-to-Average Power Ratio). Le codage canal de la NR est basé sur les codes LDPC (Low Density Parity Check) pour les données et les codes polaires pour la signalisation. De nouvelles bandes spectrales ont été définies dans la Nouvelle Radio. Ces nouvelles bandes appartiennent aux deux grandes bandes FR1 (450 - 6000 MHz) et FR2 (24250 - 52600 MHz). Les bandes spectrales NR comprennent ainsi les bandes existantes en 4G, les nouvelles bandes dans le groupe FR1 et les nouvelles bandes dans le groupe FR2. Le tableau au-dessus fournit une liste exhaustive des bandes spectrales 5G adoptées par le 3GPP dans la Release 15. Les bandes n72, n77, n79, n257, n257, n258, n260 et n261 sont les bandes NR nouvellement introduites. 54 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture Cependant, selon la disponibilité du spectre qui diffère d'une région à une autre, d'autres plages peuvent être employées.
55 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture Tableau 6.Bandes spectrales adoptées pour la 5G. Notons que, en plus des modes duplex FDD et TDD, les modes SDL (Supplementary Downlink) et SUL (Supplementary Uplink) sont supportés pour certaines bandes spectrales. En mode SDL, le terminal mobile est configuré avec deux liaisons descendantes et une seule liaison montante. Pour 56 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture le mode SUL, c'est la configuration inverse à savoir deux liaisons montantes pour une liaison descendante 4 Le réseau de transport 5G Le réseau de transport relie les entités logiques du réseau. Il assure la transmission des données du plan de contrôle et du plan utilisateur entre deux fonctions réseaux conformément aux spécifications des protocoles de l'interface correspondante. Le réseau de transport 5G est divisé en 3 segments illustrés sur la figure au-dessus. Le backhaul est la liaison entre le CU et le coeur du réseau (5GC). Il est généralement implémenté à l'aide des technologies de transport optique à très haut débit de type WDM (Wavelength Division Multiplexing). Il est prévu que des débits allant jusqu'à 400 Gbit/s soient possibles sur des distances pouvant atteindre 200 km pour la liaison backhaul avec support de l'architecture point à multipoints.
Figure 30.Réseau de transport 5G Au niveau du NG-RAN, le transport est composé de deux segments : le midhaul entre le CU et le DU et le fronthaul entre le DU et le RU. Selon le déploiement adopté par l'opérateur, on peut avoir l'un ou l'autre des segments ou les deux simultanément. La liaison midhaul transporte les données de l'interface F1 qui correspond au point de séparation de haut niveau (HLSP). C'est une liaison IP/Ethernet qui doit supporter des débits allant jusqu'à 100 Gbit/s sur des distances de 0 à 40 km. Pour la liaison fronthaul, le 3GPP continue à étudier les options proposées par les différents consortiums. Le tableau au-dessus présente les principales propositions avancées pour le fronthaul 5G.
57 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture Figure 31.Technologies de transport proposées pour le fronthaul 5G. 5 5G couverture et capacité 5.1 calcule capacité La technologie 5G donne accès à des débits dépassant largement ceux de la 4G, avec des temps de latence très courts et une haute fiabilité, tout en augmentant le nombre de connexions simultanées par surface couverte Le taux de Transfer de données approximatif de la 5G NR peut être calculé à l'aide de la formule suivante :
Ou dans : I est le nombre de porteuses composantes agrégées dans une bande. Rmax = 948/1024. Pour le j-éme composant carrier, V(j) layers : est le nombre maximum de couches Qm(j) : est l'ordre de modulation maximum Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture F(j) : est le facteur d'échelle, il peut au moins prendre les valeurs 1 et 0.75, est signalé par bande et par bande par combinaison de bandes. p. : est la numérologie NR Tp., s : est la durée moyenne du symbole OFDM dans une sous-trame pour la numérologie p.. Tp.,s =10exp(-3)/(14*2p.) : en supposant le préfixe cyclique normal. N BW(j).p., PRB : est l'allocation maximale de RB dans la bande passante BW(j) avec la numérologie. BW(j) : est la bande passante maximale prise en charge par L'UE dans la bande ou la combinaison de bandes donnée. OH(j) : est le surcout et prend les valeurs suivantes, . [0.14], pour la gamme de fréquence FR1 pour DL . [0.08], pour la gamme de fréquence FR1 pour UL . [0.18], pour la gamme de fréquence FR2 pour DL . [0.10], pour la gamme de fréquence FR2 pour UL Le calcule est basé sur la norme 3GPP TS 38.306.
58 Figure 32.Spécification 38.306 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture 5.2 Dimensionnement d'un réseau 5G Le dimensionnement de la couverture d'un réseau consiste à déterminer le nombre des sites nécessaire pour couvrir une zone donnée. On va se baser sur le bilan de liaisons (RLB: Radio Link Budget), qui permet d'estimer le taux perte du trajet (Path Loss). Pour cela, il est nécessaire de choisir un modèle de propagation approprié, Le résultat final obtenu est la taille de la cellule à couvrir. Cette démarche se résume dans la figure suivante :
59 Figure 33.Calcul de Dimensionnement de couverture 60 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture Initialement nous devons déterminer l'affaiblissement de parcours maximal (Maximum Allowable PathLoss MAPL) en passant par le bilan de liaison (RLB). 5.2.1 Bilan de liaison: Le bilan de liaison permet de calculer les pertes de propagation maximale admissible notée MAPL (Maximum Allowable Power Losses) pour un mobile situé au bord de la cellule qui peut l'atteindre tout en gardant le niveau de sensibilité de la station de base. Il permet de prédire le rayon de couverture de la cellule en se basant sur la fréquence de fonctionnement, le modèle de propagation et les paramètres de l'émetteur (Tx) et du récepteur. En effet, il s'agit d'additionner tous les éléments du gain (augmentation) ou de perte (diminution) dans la puissance du signal radio entre chaque extrémité. Ce bilan est nécessaire pour savoir si deux noeuds peuvent communiquer entre eux. Il dépend en particulier du type de l'eNodeB, de l'environnement radio et du modèle de propagation entre l'émetteur et le récepteur. Pour le 5G, l'équation RLB de base peut être écrite comme suit (en dB) :
Avec : - PathLoss : perte de trajet totale rencontré par le signal provenant de l'émetteur au récepteur (dB) - TxPower : La puissance transmise par l'antenne de l'émetteur (dBm) - TxGains : Gain d'antenne d'émission (dBi) - TxLosses : les pertes de l'émetteur (dB) - RequiredSINR : Minimum de SINR requis (dB) - RxGains : Gain d'antenne de réception (dB) 61 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture - RxLosses : Les pertes du récepteur (dB) - RxNoise : Bruit du récepteur (dB) Dans le cas d'un affaiblissement de parcours maximal, la puissance reçue devient donc la sensibilité du récepteur. La différence entre la puissance de l'émetteur et la sensibilité de récepteur donne l'affaiblissement maximum qu'on peut tolérer, il est calculé de la manière suivante : MAPL = Pire - IM + RXg - K + SHG - RX Avec : -MAPL (Maximum AllowablePathLoss): L'affaiblissement maximal de parcours, exprimé en dB. C'est le paramètre qu'on veut déterminer à travers l'établissement d'un bilan de liaison. -PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) : ou EIRP (Equivalent IsotropieRadiated Power), est la puissance rayonnée équivalente à une antenne isotrope. -IM = Marge d'interférence -RXg = Gain d'antenne de réception -K = Perte de câble -SHG = Gain de soft handover -RX = Sensibilité de réception 5.2.2 Paramètres du bilan de liaison 4 Puissance d'émission : La puissance d'émission est la puissance maximale de la station de base (eNodeB) ayant une valeur typique pour la macro cellule 43-46 dBm au niveau du connecteur d'antenne. La puissance de transmission maximale de 23 dBm pour le UEde transmission maximale de 23 dBm pour le UE. 4 Gain d'antenne : Le gain d'antenne est défini comme étant la puissance rayonnée par l'antenne, dans une direction donnée, par rapport à la puissance rayonnée par une antenne omnidirectionnelle parfaite qui Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture rayonne uniformément dans toutes les directions. Il est exprimé en dB mais pour signifier que l'antenne de référence utilisée est isotrope, il est d'usage de parler de dBi. Un concept est lié à celui de gain est la surface effective d'une antenne, qui en rapport avec la taille est la forme de celle-ci. La relation entre gain et la surface effective de l'antenne est donnée par: Avec : - A : Aire équivalente de l'antenne - ë : Longueur de l'onde rayonnée L'antenne isotrope de référence à un gain G=1 et donc une aire équivalente A = ë2/4ð. Il dépend principalement de la fréquence porteuse, de la taille de l'antenne et du type du dispositif. Le gain d'antenne de station de base typique est de 15 à 18 dBi. De même, selon le type de l'appareil, le gain de l'antenne du mobile varie de -5 dBi à 10 dBi. 4 Les pertes : Comprend la perte du câble et la perte du corps à la fois à l'eNodeB et UE. Perte du câble est de perte entre l'antenne de l'équipement et de l'amplificateur à faible bruit qui dépend de la longueur du câble, du type de câble et de bande de fréquence. Elle varie de 1 à 6 dB pour eNodeB et 0 dB pour UE. Perte du corps se produit lorsque l'UE se tient près de la tête de l'utilisateur et à la planification pratique, il est considéré comme 0 dB. 4 PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) : La puissance rayonnée par une antenne est appelée Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente (PIRE) ou Effective Isotropic Radiated Power (EIRP). Elle correspond à la puissance qu'il faudrait fournir à une antenne isotrope pour obtenir le même champ à la même distance. La PIRE est donnée en dBm par la formule suivante 62 Avec : 63 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture - P : la puissance fournit à l'entrée de l'antenne - G : le gain de l'antenne étudiée -Lr : une perte supplémentaire dans la direction considérée
Tableau 7.Paramètres pour le calcul de PIRE ? Sensibilité du récepteur : Un récepteur est caractérisé par sa sensibilité. La sensibilité « S » est le niveau de puissance minimal de réception pour éviter la coupure du lien radio. Elle est donnée par la formule suivante : Avec : K : Constante de Boltzmann (1,388062 × 10puissance (-23) × Jk puissance (-1). T : Température ambiante en (k). Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture BRX: Largeur de bande de réception, elle dépend du nombre de blocs ressources requis et la largeur d'un bloc de ressources. SINRrequis : : Valeur du SINR requise au récepteur, c'est un indicateur de la performance du système plus il est faible plus le système est performant, dépend du nombre de blocks de ressources BRX, débit d'information requis etc. NF : RF Noise Figure (dB) : dépend du mode de duplexage et l'écart duplex. IM : Marge d'implémentation (dB) : dépend du constructeur, elle tient compte des erreurs d'échantillonnage et de quantification, etc. GRX,d: Gain de diversité de réception (dBi) : dépend du type de récepteur et du nombre d'antennes. 4 La bande passante : LTE fonctionne dans différentes largeurs de bande passante, y compris 1,25 MHz, 2,5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz et 20 MHz à la fois pour la liaison montante et descendante. La sélection de la largeur de bande est reliée directement à la capacité de la station de base, plus la bande est large plus le trafic qui peut prendre en charge est grand. Lors de la planification pratique, pour une première fois de déploiement, le dimensionnement se fait par une bande passante de 5 MHz, 10 MHz. 4 Marge de shadowing: L'effet de Masque: Le shadowing, ou l'effet de masque (slow fading) est la variation du signal dû aux obstacles qui existent dans le milieu de propagation radio, tel que les bâtiments et la morphologie du terrain vallées, collines...). 5.2.3 Calcul du bilan de liaison pour les liens montant et descendant: Ces tableaux englobent les paramètres, les formules nécessaires au calcul d'un bilan de liaison pour les liens montant et descendant, ainsi que les différents seuils et large prise en compte et qui sont proposés par la norme. 64 4 Formules de calcul pour la liaison Montante: Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture
65 Tableau 8.Bilan de liaison Montant 66 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture
Figure 34.Modèle de bilan de liaison uplink ? Formules de calcul pour la liaison Descendante:
67 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture
Tableau 9.Bilan de Liaison Descendant
Figure 35.Modèle de bilan de liaison downlink 5.2.4 Modèles de propagation RF: Les méthodes de prédiction de couverture aujourd'hui utilisées mixent avantageusement les approches empiriques et déterministes. Les méthodes empiriques utilisent des résultats expérimentaux pour estimer la couverture radio. Elles nécessitent de grandes campagnes de mesure, et ne tiennent que très peu compte de la réalité géographique de terrain. Au contraire, les méthodes déterministes intègrent les effets de relief (au niveau macro), sans tenir compte des propriétés locales. Les méthodes déterministes procèdent soit par profil (comme pour les méthodes empiriques), et dans ce cas négligent l'effet des chemins latéraux et les effets liés à l'environnement `micro' Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture (immeubles, forêts,) ; soit par des approches semblables au lancer de rayon mais avec dans ce cas un coût de calcul assez prohibitif. Notons que ces prédictions nécessitent plusieurs types d'information : relief et type de terrain... Les opérateurs doivent donc acquérir ces bases de données. Les données de terrain proviennent en général des images satellites qui permettent aujourd'hui d'estimer l'élévation locale de terrain avec une résolution de l'ordre de 3m. Ces données coûtent relativement chères. Les méthodes utilisées intègrent en général les 2 approches. - Les méthodes empiriques intègrent en général la prise en compte des effets de masque et de diffraction sur le profil entre émetteur et récepteur, puis pondèrent ces prédictions par des coefficients déterminés par les formules empiriques des différents modèles de propagation (Okumura-Hata ou Cost231-Hata). Le modèle de propagation est une formule mathématique utilisée pour caractériser la propagation de l'onde radio entre émetteur et récepteur, qui dépend des facteurs suivant: y' Type de terrain. y' Les hauteurs des antennes d'émission et de réception. y' Fréquence de l'onde. y' Distance parcourue par l'onde. y' Caractéristique et densité des bâtiments. y' saison (hiver, printemps.) 5.2.5 Propagation en espace libre (Free Space): On parle de propagation en espace libre lorsque le signal traverse un milieu vide sans obstacle. Bien que ce modèle soit idéal, il peut être considéré comme point de départ pour tout autre modèle. L'affaiblissement de parcours dans un espace libre est donné par: 68 Avec d, F et c sont respectivement la distance parcourue, la fréquence et la célérité de la lumière. Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture 5.2.6 Le modèle Okumura-Hata: C'est le modèle le plus utilisé au niveau des outils de planification cellulaire, il basé sur des mesures effectués dans les environnements de Tokyo par Okumura. Ce modèle est appliqué pour des cellules de taille relativement grandes (de rayon supérieur à 1 Km). Les conditions d'applications du modèle sont les suivant: F: désigne la fréquence en MHz ? [150,1000] hb: désigne la hauteur de la station de base en mètre ? [30,200] hm: désigne la hauteur du terminal mobile en mètre ? [1,10] L'affaiblissement selon ce modèle en tenant compte des degrés d'urbanisation est précisé dans ce tableau:
Tableau 10Modèle OKUMURA-HATA 69 70 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture 5.2.6 Le modèle cost231-Hata: Ce modèle vient modifier le modèle Okumura-Hata qui opère uniquement pour une plage de fréquences inferieures à 1000MHz pour pouvoir opérer sur la bande 1500-2000MHz dans les zones urbaines, puis l'ajuster, en ajoutant le terme correctif pour tous les autres environnements (sous urbain et rural). L'affaiblissement lu(dB) est précisé dans le tableau suivant:
Tableau 11.Modèle COST231-HATA 6 SPECIFICATION DES BESOINS Cette application doit nous permettre de dimensionner la couverture radio d'une zone bien définie avec des différents modèles de propagation telle qu'Okumura-Hata, Cost213-Hata. Elle se base sur un ensemble de paramètres d'entrée qui sont propres à l'opérateur, équipementier et les besoins clientèles. Paramètres d'entrée
Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture 7 Réalisation 1 Environnement matériel: ? Fabriquant: Lenovo ideapad110. ? Processeur: Intel(R) Core (TM) i3-4005U CPU@ 1.70 GHz ? Mémoire RAM: 6 Go. ? Disque dure: 500 Go ? Système d'exploitation: Windows 10. 2 Environnement Logiciel Visual studio 2010 Professionnel C'est une suite de logiciels de développement pour Windows conçue par Microsoft. La dernière version s'appelle Visual Studio 2015. Visual Studio est un ensemble complet d'outils de développement permettant de générer des applications web ASP.NET, des services web XML, des applications bureautiques et des applications mobiles. Visual Basic, Visual C++, Visual C# utilisent tous le même environnement de développement intégré (IDE), qui leur permet de partager des outils et facilite la création de solutions faisant appel à plusieurs langages. Par ailleurs, ces langages permettent de mieux tirer parti des fonctionnalités du Framework .NET, qui fournit un accès à des technologies clés simplifiant le développement d'applications web ASP et de services web XML grâce à Visual Web Développer.
71 Figure 36.Logo VS code 72 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture 3 Langage de programmation JavaScript est un langage de programmation de scripts principalement employé dans les pages web interactives et à ce titre est une partie essentielle des applications web. Avec les technologies HTML et CSS, JavaScript est parfois considéré comme l'une des technologies coeur du World Wide Web.
Figure 37.Logo JS 4 Description du fonctionnement de l'application et de ses interfaces: Cette application permet de calculer le débit et la couverture c'est une interface diviser En deux partie : -Première partie pour le calcule débit -La deuxième pour le calcul de la couverture avec le choix du modèle de la propagation Nous choisissons un calcule de deux modèles on mode urbaine et un calcule en espace libre
Figure 38.Interface application 73 Chapitre 3 : Le réseaux 5G capacité et couverture |
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