New scheduling Algorithm for LTE.pdf

MEMOIRE DE MASTERE TRAITEMENT DE LINFORMATION ET COMPLEXITE DU VIVANT

OPTION

IMAGE AND LIVING

CO-OPERATED WITH

THE MATHEMATICS AND COMPUTING MASTER

OF PARIS DESCART UNIVERSITY

ELABORE PAR

HANA JOUINI

INGENIEUR EN INFORMATIQUE

FST09

Allocation des ressources radio dans les

rseaux LTE

REALISE A :

LABORATOIRE SYSCOM (ENIT)

TUNISIE TELECOM

M. Mohamed ESCHEIKH: maitre assistant au laboratoire SYSCOM (ENIT) Encadrant

Mr. Kais AMEUR : Chef Service Optim Radio (Tunisie Tlcom) Co-encadrant

AU : 2012/2013

MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE ET DE LA TECHNOLOGIE

UNIVERSITE TUNIS EL MANAR

COLE NATIONALE DINGENIEURS DE TUNIS

Remerciements

A

A

Je tiens remercier mon encadrant Monsieur Mohamed ESCHEIKH pour ses conseils construc-

tifs, sa disponibilit et sa patience, ainsi que Monsieur Kais AMEUR pour sa confiance.

Je tiens aussi remercier mes chers parents et toutes les personnes qui ont particip de prs ou de

loin la finalisation de ce travail.

DDICACES

aaa

Je ddie ce travail ma famille, Ali et Jihene.

i

Table des matires

Table des matires 1

Introduction gnrale 1

1 Architecture systme et interface radio LTE 21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Larchitecture EPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1 User Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network . . . . . . . . . . . . . . 41.2.3 Evolved Packet Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Scheduling en mode downlink dans linterface radio LTE . . . . . . . . . . . . . . . 61.3.1 Architecture protocolaire de linterface radio . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.1.1 Structure dune pile protocolaire dans un rseau LTE . . . . . . . 61.3.1.2 Les protocoles de transport de linterface radio LTE . . . . . . . . 71.3.1.3 Les canaux de communication de linterface radio LTE . . . . . . 9

1.3.2 Informations de contrle changes sur linterface radio LTE . . . . . . . . 101.3.2.1 Informations de contrle transmises en mode uplink . . . . . . . . 111.3.2.2 Informations de contrle transmises en mode downlink . . . . . . 121.3.2.3 Indicateur de contrle de format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3.2.4 Indicateur hybride ARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4 Processus de scheduling en mode downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 Gestion des ressources radio (RRM) et scheduling en mode Downlink 152.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 Gestion des ressources radio (RRM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

ii

ENIT TABLE DES MATIRES

2.3 Critres de classification des algorithmes dordonnancement . . . . . . . . . . . . . 172.4 Stratgies dordonnancement dans les systmes LTE en mode downlink . . . . . . . 18

2.4.1 Stratgies Channel-anaware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4.1.1 First In First Out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4.1.2 Round Robin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4.1.3 Blind Equal Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.4.1.4 Resource Preemption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4.1.5 Weighted Fair Queuing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4.1.6 Limites des stratgies Channel-anaware . . . . . . . . . . . . . 22

2.4.2 Stratgies Channel-aware/QoS-unaware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.2.1 Maximum Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.2.2 Proportional Fair Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4.2.3 Throughput to Average . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4.2.4 Joint Time and Frequency domain schedulers . . . . . . . . . . . . 232.4.2.5 Delay sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4.2.6 Limites des stratgies Channel-aware/QoS-unaware . . . . . . . 24

2.4.3 Stratgies Channel-aware/QoS-aware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4.3.1 Schedulers pour la garantie des exigences en termes du taux de dbit 242.4.3.2 Schedulers pour la garantie des exigences en terme du dlai dat-

tente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3 Nouvelle stratgie dallocation des ressources radio pour les systmes LTE 273.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2 Stratgies de rfrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2.1 La stratgie "Best CQI" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.2.2 La stratgie "Round Robin" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3 Principe de lalgorithme de scheduling propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.3.1 Lalgorithme de scheduling "MY_SCH_Not_Fair" . . . . . . . . . . . . . . 293.3.2 Lalgorithme de scheduling propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.4 Environnement logiciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.5 Prsentation et interprtation des rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.5.1 Modle et paramtres de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.5.2 Modles simuls et rsultats obtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

iii

ENIT TABLE DES MATIRES

3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Conclusion gnrale 43

iv

Table des figures

1.1 Architecture globale du rseau EPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Architecture dtaille du rseau EPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Architecture de levolved UMTS terrestrial radio access network (EUTRAN) . . . . 41.4 Architecture de levolved packet core (EPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5 Structure gnrale dune pile protocolaire de linterface radio LTE . . . . . . . . . . 61.6 Protocoles de la couche L2 de linterface radio LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.7 Structure de la couche L2 de la liaison downlink de linterface radio LTE . . . . . . 91.8 Canaux de communication de la liaison descendante de linterface radio LTE . . . . 101.9 Canaux de communication de la liaison montante de linterface radio LTE . . . . . . 10

2.1 Ordonnoncement de p RBs entre deux UEs avec lalgorithme TDRR . . . . . . . . . 192.2 Ordonnoncement de p RBs entre deux UEs avec lalgorithme FDRR . . . . . . . . . 20

3.1 Structure du module LTE Downlink System Level Simulator . . . . . . . . . . . 333.2 Rpartition des eNBs dans la configuration considre . . . . . . . . . . . . . . . . 343.3 Positions des 15 UEs vis vis de leNB laquelle ils sont attachs . . . . . . . . . . 363.4 Valeurs du BLER et du throughput avec 15 UEs actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.5 Variation de la valeur de CQI de lUE2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.6 Dbit moyen de lUE 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.7 Positions des 35 UEs dans le rseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.8 Valeurs du BLER et du throughput avec 35 UEs actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.9 Variation des valeurs des CQIs des UEs UE1et UE30 en fonction du temps . . . . . . 403.10 Variation des valeurs des dbits des UEs UE1et UE30 en fonction du temps . . . . . 413.11 Valeurs du BLER et du throughput avec 35 UEs actifs et une dure de simulation gale

10000TTIs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

v

Liste des tableaux

1.1 Description des protocoles de la couche L2 de linterface radio LTE . . . . . . . . . 8

3.1 Paramtres caractristiques (nombre de RBs par TTI pour chaque largeur de bandepassante) par secteur deNB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2 Paramtres de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Nombre dUEs servis et non servis selon lalgorithme de scheduling pour le SCNA-

RIO 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.4 Nombre dUEs servis et non servis selon lalgorithme de scheduling pour le SCNA-

RIO 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Nombre dUEs servis et non servis selon lalgorithme de scheduling pour le SCNA-

RIO 2-BIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

vi

Introduction gnrale

Les mcanismes dordonnancement de paquets (packet scheduling) jouent un rle fondamentaldans la gestion des ressources radio (RRM) des rseaux cellulaires dans la mesure o ils visent optimiser, selon des critres spcifiques, laccs aux ressources temporelles et frquentielles. Ces m-canismes permettent lallocation des ressources radio en prenant en considration certains paramtresrelatifs ltat des canaux de transmission et aux exigences des utilisateurs en termes de qualit deservice (QoS).

En outre, les rseaux cellulaires nouvelles gnrations, notamment les rseaux LTE et LTE-Advanced,soulvent des questions doptimisation avec plusieurs lments dont on doit tenir compte simultan-ment. En effet, ils visent amliorer lefficacit spectrale et augmenter la capacit du rseau tout enprenant en considration les exigences des applications en termes de qualit de service et le besoin degarantir un minimum dquit entre utilisateurs dont le nombre est en constante augmentation.

Ces faits runis exigent, en consquence, ladaptation ce nouveau contexte et ladoption de nou-veaux mcanismes et techniques dordonnancement de paquets. Ces nouveaux mcanismes sont ame-ns assurer une gestion efficace des ressources radio et pour diffrencier les services fournissantainsi la qualit de service exige. Parmi ces mcanismes, on distingue ceux agissant au niveau de lacouche MAC (medium access control) des stations de base LTE (eNBs) et servant slectionner desutilisateurs parmi ceux actifs afin de leurs allouer des units de ressources radio selon des critres biendfinis.

Les schedulers MAC de leNB ordonnancent les utilisateurs utilisant aussi bien la liaison montanteque descendante. Cette dernire est souvent nettement plus sollicite en termes de throughput parcomparaison celle montante, nous nous intressons dans ce mmoire au scheduling sur la liaisondescendante et en particulier lallocation du canal physique partag PDSCH (physical downlinkshared channel).

Les algorithmes dordonnancement sur la liaison descendante dans les systmes LTE ncessitentdes paramtres dentres. Ces derniers concernent deux types dinformations :

Le premier type correspond des informations collectes au niveau de la couche physique au-

vii

prs du mobile pour calculer lindicateur de qualit de canal (CQI). Ce dernier indique un tauxde transmission de donnes sur la liaison descendante (throughput) convenable ou encore unschma de modulation et de codage (MCS) donn. Ces informations sont envoyes de la part delutilisateur la station de base sur la liaison montante au scheduler.

Le deuxime type correspond des donnes collectes au niveau des couches suprieures pourcalculer lindicateur de qualit de service (QoS). La QoS mesure en termes de gigue, de dbit,de dlais de transmission et de taux de perte de paquets, exprime la capacit acheminer dansde conditions acceptables un type de medias donn.

Ces informations sont collectes priodiquement et exploites de la part du scheduler afin de performerles dcisions dallocation des units de ressources radio (ressources bloc) et du schma de modulationet de codage appropri pour les prochaines allocations. Cette dcision sera communique aux mobilesvia le canal physique descendant de contrle PDCCH (Physical Downlink Control Channel).

Cest dans ce contexte que sinscrit notre sujet de mastre intitul Allocation de ressources radiodans les rseaux LTE qui a pour objectif dtablir une recherche bibliographique sur les mthodesde gestion des ressources radio et de proposer une mthode nouvelle qui alloue les ressources radio entenant compte de certains critres dordonnancement.

La suite de ce rapport est organise de la manire suivante :Le premier chapitre sera consacr la prsentation des architectures matrielle et protocolaire

dun systme LTE. Nous rappelons en particulier la structure de la pile protocolaire de linterfaceradio LTE.

Nous tablirons dans le deuxime chapitre une classification des algorithmes dordonnancementen se basant sur un ensemble de paramtres et de mtriques utiliss dans llaboration des algorithmesdordonnancement.

Dans le troisime chapitre nous allons prsenter un modle de simulation dcrivant les interactionsentre un ensemble dutilisateurs mobiles au voisinage dune eNB. Ce modle sera utilis pour menerune tude de performances permettant de comparer un algorithme que nous avons propos avec troisautres algorithmes dordonnancement savoir Best CQI, Round Robin et MY_SCH_Not_Fair.

1

Chapitre 1

Architecture systme et interface radio LTE

1.1 Introduction

tant donn que notre sujet porte sur lallocation des ressources radio dans les systmes de qua-trime gnration, nous consacrons ce premier chapitre la dfinition des principaux concepts de baselis aux rseaux LTE. Nous prsenterons larchitecture globale des systmes LTE. Pour cela, nousdcrirons tout dabord les composantes matrielles dun rseau LTE, ensuite son architecture protoco-laire et plus particulirement les protocoles de communication de linterface radio qui interviennentdans lopration de scheduling.

1.2 Larchitecture EPS

Un rseau LTE, tel que dfinis par le 3GPP, est un simple rseau bas sur un modle darchitectureappel evolved packet system (EPS). LEPS couvre trois parties (figure 1.1 et figure 1.2) :

Le terminal mobile : appel aussi user equipment (UE) et il permet la communication aveclinterface daccs radio du rseau LTE.

Linterface daccs radio : appele evolved UMTS terrestrial radio access network (EUTRAN)et permet lacheminement des paquets entre le rseau cur et lUE. Le sens de transmission desdonnes allant de lEUTRAN vers lUE est appele liaison descendante ou downlink (DL). Laliaison dans lautre sens, cest--dire celle acheminant les donnes de lUE vers lEUTRAN estappele liaison ascendante ou uplink (UL). Linterface de communication entre lUE et lEU-TRAN est appele Uu.

Le rseau cur : appel evolved packet core (EPC), il se base exclusivement sur la technologie

2

ENIT Chapitre 1 : Architecture systme et interface radio LTE

de commutation de paquets (paquet switching) et offre tous ses services en IP. LEPC commu-nique avec lEUTRAN via linterface S1 et avec le monde externe (rseaux externes, internet. . .)via linterface SGi.

FIGURE 1.1 Architecture globale du rseau EPS

FIGURE 1.2 Architecture dtaille du rseau EPS

3


1.2.1 User Equipment

Dans un rseau LTE le dispositif de communication est appel user equipment (UE). LUE peutavoir la capacit de grer des informations relatives aux technologies daccs radio quil supporte,aux bandes de frquences sur lesquelles il peut transmettre et recevoir les donnes et sa capacit detransmission et de rception. Les UEs transmettent ces informations, sur linterface daccs radio, sousforme de messages de signalisation lEUTRAN. Ce dernier exploite ces informations pour assurerun contrle adquat des UEs.

1.2.2 Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network

Le composant evolved UMTS terrestrial radio access network (EUTRAN) est illustr dans la figure1.3.

FIGURE 1.3 Architecture de levolved UMTS terrestrial radio access network (EUTRAN)

La partie EUTRAN gre les communications radio entre lUE et lEPC et elle est compose pardes stations de base appeles evolvoed NodeB (eNB). Les eNBs sont connectes entre elles via desinterfaces X2 et avec lEPC via des interfaces S1. LeNB soccupe de deux fonctions principales [1] :

Lenvoi des donnes lensemble de ses UEs sur la liaison downlink et la rception des messagesde signalisation (informations de contrle) envoys de la part des UEs sur la liaison uplink.

4


Le contrle de lexploitation bas-niveau des UEs, en envoyant des messages de signalisation telsque les commandes lies aux oprations de handover.

Les diffrents types de messages de signalisation changs entre lUE et leNB seront dtaills dansla section 1.3.2.

Linterface daccs radio ne comporte pas de contrle centralis et les fonctions supportes parles entits de contrle dans des rseaux tels que lUMTS sont partages entre leNB et lEPC afindacclrer la mise en place de la connexion et de rduire le temps ncessaire au transfert de donnes.

Chaque station de base est relie lEPC au moyen de linterface S1 zt elle peut galement treconnecte dautres eNBs voisines via linterface X2. Cette dernire est utilise pour le transfertdes messages de signalisation lors des oprations de handover. Linterface X2 est facultative puisquetoutes ses fonctionnalits sont supportes par linterface S1 dune faon indirecte et plus lente.

1.2.3 Evolved Packet Core

La figure 1.4 dtaille la composition de base de la partie evolved packet core (EPC) :

FIGURE 1.4 Architecture de levolved packet core (EPC)

Home Subscriber Server (HSS) : Cest une base de donnes comportant des informations rela-tives aux abonns dun mme oprateur.

Mobility Management Entity (MME) : cest lentit responsable de : Lauthentification des utilisateurs en utilisant les informations recueillies du HSS. La collecte et lchange, avec les UEs, des informations lies leur mobilit. La slection des ressources ncessaires ltablissement de la connexion avec un UE tel que

le S-GW et le P-GW.

5


Serving Gateway (S-GW) : Cest le point de connexion entre lEUTRAN et lEPC puisquiljoue le rle de passerelle pour le routage des paquets.

Packet Data Network Gateway (P-GW) : Cest le point dinterconnexion entre lEPC et lesrseaux externes IP.

1.3 Scheduling en mode downlink dans linterface radio LTE

Linterface radio permet le transfert des donnes entre lUE et leNB. Ce transfert doit rpondre des exigences en termes de qualit de service tout en optimisant laccs une ressource spectralelimite.

Dans la suite de cette partie, nous allons rappeler le principe de fonctionnement de linterface radiodans les rseaux LTE pour pouvoir par la suite dcrire le processus de scheduling en mode downlink.

1.3.1 Architecture protocolaire de linterface radio

1.3.1.1 Structure dune pile protocolaire dans un rseau LTE

A chaque interface de larchitecture EPS est associe une pile de protocoles permettant lchangedes donnes et des messages de signalisation entre les lments du rseau. La pile protocolaire LTE(figure 1.5) comporte deux plans, un plan usager dont le rle est de grer lacheminement des donnesutiles dans le rseau et un plan de contrle qui gre les messages de signalisation changs entre leslments du rseau et elle est compose de trois types de protocoles :

Protocoles du plan usager permettant la cration et le traitement des paquets relatifs aux don-nes des utilisateurs.

Protocoles du plan de contrle permettant la cration et le traitement des paquets relatifs auxmessages de signalisation.

Protocoles de transport assurant le transport point point des donnes.

FIGURE 1.5 Structure gnrale dune pile protocolaire de linterface radio LTE

6


Dans ce qui suit, nous dcrirons les protocoles de transport de linterface Uu responsable de lta-blissement de la connexion entre lUE et leNB ce qui nous amnera expliciter le principe de fonc-tionnement du scheduler qui rside dans la couche transport.

1.3.1.2 Les protocoles de transport de linterface radio LTE

Les protocoles de transport de linterface radio sont regroups en deux couches L1 et L2 (Figure1.6). L1 (couche physique de linterface radio) comporte les fonctions numriques et analogiques detraitement de signal que lUE et leNB utilisent pour lenvoi et la rception des paquets, tandis que L2qui correspond la couche 2 du modle OSI (couche liaison de donnes) est constitue des protocolesmedium access control (MAC), radio link control (RLC) et packet data convergence protocol (PDCP).Le tableau 1.1 rcapitule les principales fonctionnalits des protocoles de la couche L2.

FIGURE 1.6 Protocoles de la couche L2 de linterface radio LTE

La fonction de scheduling est assure au niveau de leNB par les protocoles de la sous-coucheMAC. Elle spcifie comment les ressources de linterface radio sont alloues et utilises en modedownlink et en mode uplink. La figure 1.7 prsente la composition de la couche transport en sous-couches et linteraction entre ces dernires.

7


Protocoles Rles

- la compression et la dcompression des en-ttes des paquets IP.- Le chiffrement et le dchiffrement des donnes utileset des messages de signalisation.- Le contrle de lintgrit des messages de signalisation.

PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

RLC (Radio Link Control)

- La correction derreurs en utilisant la technique automaticrepeat request (ARQ) [2].- La concatnation, la segmentation et le r-assemblementdes paquets SDU RLC.

MAC (Medium Access Control)

- le mapping entre les canaux logiques et les canaux de transport.- Le multiplexage/dmultiplexage des paquets SDU MAC qui fontpartie dune ou plusieurs canaux logiques.

- Lacheminement des informations de scheduling.- La gestion de lallocation des ressources radio par lexcutionde lalgorithme de scheduling.- La correction derreurs travers le mcanisme hybridautomatic repeat request (HARQ) [3].- La slection du format de transport. Le format de transport faitrfrence des informations telles que la taille du bloc de transport(TB) et le schma de modulation.

RRC (radio ressource control)

- La gestion de connexion RRC qui inclut ltablissement et la librationde la connexion RRC entre lUE et leNB.- Ltablissement et la libration des ressources radio pour le transport desmessages de signalisation ou les donnes utilisateurs entre lUE et leNB [4].- Le broadcast des informations systme.- Le paging.- Transmission des messages de signalisation.

- La mesure de contrle qui fait rfrence aux configurations des mesuresralis par le terminal ainsi que les mthodes de les rapporter leNodeB.- Le support des procdures de mobilit inter-cellules ou le handover.

TABLE 1.1 Description des protocoles de la couche L2 de linterface radio LTE

Chaque sous-couche reoit de la sous-couche suprieure deux flux de donnes SDUs pour chacundes UEs actifs (un flux de donnes IP et un flux de contrle RRC). Elle effectue ensuite des traitementssur les paquets et les envoie sous forme de PDUs la sous-couche infrieure.

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FIGURE 1.7 Structure de la couche L2 de la liaison downlink de linterface radio LTE

1.3.1.3 Les canaux de communication de linterface radio LTE

Les interactions entre sous-couches se basent sur des canaux de communication pour le transfertdes paquets. On distingue trois types de canaux pour un systme LTE :

Les canaux logiques : oprent entre les couches RLC et MAC et ils sont dfinis selon le typedinformation quils transportent (par exemple : signalisation du plan de contrle ou donnes duplan usager).

Les canaux de transport : oprent entre la couche MAC et la couche physique et ils sont distin-gus par le mode de transport des donnes sur linterface radio.

les canaux physiques : utiliss par la couche physique et ils sont dfinis par les caractristiquesphysiques des canaux de transmission.

Les canaux de communication de linterface radio LTE sont dcrits dans lannexe 1 et les interactionsentre ces canaux (logiques, de transport et physiques) sont dcrites dans les figures 1.8 et 1.9 respec-tivement en mode downlink et uplink. Un canal logique ne peut tre port que par un seul canal detransport, mais ce dernier peut transporter plusieurs canaux logiques. De mme pour les canaux de

9


transport et les canaux physiques. Certains canaux physiques (PDCCH et PHICH) ne sont associs ni des canaux de transport ni des canaux logiques. En effet, ils portent uniquement des informationsrelatives la couche physique. Linterface radio LTE comporte sept couches logiques (PCCH, BCCH,CCCH, DCCH, DTCH, MCCH et MTCH) utiliss tous pour les transmissions downlink, alors quela liaison uplink nutilise que trois canaux (CCCH, DCCH et DTCH). Les informations issues descanaux logiques sont transportes sur quatre canaux de transport (PCH, BCH, DL-SCH et MCH) enmode downlink et sur un seul canal de transport (UL-SCH) en mode uplink. La couche physique r-serve cinq canaux (PBCH, PDSCH, PMSCH, PDCCH et PHICH) pour la liaison downlink et troiscanaux (PRACH, PUSCH et PUCCH) pour la liaison uplink.

FIGURE 1.8 Canaux de communication de la liaison descendante de linterface radio LTE

FIGURE 1.9 Canaux de communication de la liaison montante de linterface radio LTE

1.3.2 Informations de contrle changes sur linterface radio LTE

On peut classifier les informations de contrle changes entre une eNB et les UEs actifs qui luisont connects en quatre catgories :

Informations de contrle transmises en mode uplink. Informations de contrle transmises en mode downlink.

10


Indicateurs de contrle de format. Indicateur dARQ hybride.s

1.3.2.1 Informations de contrle transmises en mode uplink

Ce sont des informations de contrle transmises priodiquement sur la liaison uplink de lUE leNB sous forme dindicateurs de qualit de canal pour permettre leNB de mieux grer lensembledes UEs actifs. LeNB utilise ces informations de contrle afin dadapter dynamiquement la transmis-sion sur la liaison downlink. Ces informations sont :

Indicateur de qualit de canal (CQI) : Cest une valeur numrique, code sur 4 bits, compriseentre 0 et 15. Cette valeur indique le taux de donnes maximal quun UE peut grer avec untaux derreur par bloc (BLER) infrieur ou gal 10%. Le CQI, comme cest le cas du taux dedonnes, dpend principalement de la valeur du rapport signal sur interfrence et bruit (SINR)mesure sur le canal descendant au niveau de lUE. La mesure du CQI dun UE donn estinfluence aussi par le niveau de performance de ce dernier. Ce niveau se traduit par la capacitde lUE traiter les donnes pour de faibles valeurs de SINR.

Indicateur de rang (RI) : Lindicateur de rang indique le nombre maximal de signaux diffrentsque peut recevoir simultanment en liaison downlink un UE. Ce qui revient dire que RI repr-sente le nombre maximum de signaux quon peut multiplexer spatialement en transmission surla mme liaison downlink. Ce nombre est compris entre 1 (1 seule antenne au niveau du secteurde leNB) et N (N : nombre dantennes par secteur dans leNBs). Ainsi, le RI est gale 1 dansune configuration SISO (Single Input Single Output) et il est gale 2 dans une configurationMIMO 22 (Multiple Input Multiple Output). LUE calcule son RI correspondant au nombredantennes qui maximise son dbit en liaison downlink. Lobjectif dun RI optimis est de maxi-miser la capacit du canal radio downlink sur lensemble de la bande passante disponible.

Indicateur de matrice de prcodage (PMI) : Lindicateur de matrice de prcodage spcifie lamatrice de prcodage que leNB doit applique sur les flux de donnes avant de les transmettre.En choisissant judicieusement cette matrice, il est possible de maximiser le nombre de bits dedonnes susceptibles dtre reus par lUE via lensemble des antennes. Ceci ncessite toutefoisla connaissance de la qualit du canal pour chaque antenne en liaison downlink que lUE peutidentifier par le biais des mesures. Sil connat les matrices de prcodage admissibles, lUE peuttransmettre un rapport PMI leNB et proposer une matrice approprie.

Requtes dordonnancement (SR) : Si lUE possde des donnes en attente de transmission surle canal physique de contrle montant (PUSCH), il peut dclencher une demande de scheduling.

Hybrid ARQ acknowledgements : Ce sont les accuss de rception envoys sur la liaison uplink

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en rponse aux transmissions envoys par leNB lUE sur le canal downlink partag (DL-SCH).

1.3.2.2 Informations de contrle transmises en mode downlink

Ce sont des informations de contrle transmises de leNB lUE sur la liaison downlink pourpermettre leNB dinformer et de contrler les UEs qui lui sont connects en les alertant avantlenvoi des donnes ou en envoyant des demandes dadaptation des paramtres de transmission delUE. Ces informations sont :

Commandes dordonnancements envoys sur la liaison downlink : leNB peut alerter lUE surles futures transmissions sur le canal partag en liaison downlink (PDSCH).

Privilges dordonnancement en liaison uplink : leNB accorde lUE des privilges de trans-mission sur la liaison uplink.

Commandes de contrle de la capacit de transmission en liaison uplink : leNB peut galementrgler la puissance avec laquelle les UEs mettent, par lutilisation des commandes de contrlede capacit de transmission.

1.3.2.3 Indicateur de contrle de format

LeNB envoie les indicateurs de contrle de format sur la liaison downlink pour informer les UEssur lorganisation des donnes et des informations de contrle sur la liaison downlink.

1.3.2.4 Indicateur hybride ARQ

Ce sont les accuss de rception envoys sur la liaison downlink en rponse aux transmissionsenvoys par les UEs leNB sur le canal ascendant partag (UL-SCH).

1.4 Processus de scheduling en mode downlink

Le scheduler de leNB alloue les canaux de communication pour les transmissions uplink et down-link sur linterface radio LTE. Le scheduler, dploy dans la couche MAC de leNB, se base pour laprise des dcisions dallocation sur des informations de contrle issues des changes entre leNB etlUE telles que le CQI ou le SR. On distingue deux fonctions principales pour un scheduler MAC[13] :

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Le scheduling des canaux partags : correspond lallocation des canaux physiques partagsPDSCH et PUSCH utiliser lors de la transmission des donnes du plan usager et de la majoritdes messages de signalisation du plan de contrle.

Le scheduling du canal de contrle : correspond lallocation du canal physique de contrlePDCCH. Le PDCCH informe les UEs sur les dcisions dallocation des canaux PDSCH etPUSCH. La transmission de cette information est vitale pour le scheduler, en effet, si les UEsne sont pas informs sur les dcisions dallocation, les ressources radio ne seront pas utilises.

Etant donn que nous focalisons particulirement lallocation des ressources radio transmettant lesdonnes du plan usager en mode downlink, nous allons nous intresser dans la suite de ce chapitre auprocessus de scheduling du canal partag PDSCH en mode downlink.

Examinons tout dabord les types de donnes que doit allouer le scheduler sur le canal PDSCH.En effet, il existe quatre types de donnes transmettre sur ce canal :

Les donnes du plan usager. Les messages de signalisation des couches L2 et L3. Les messages de paging envoys par le canal PCH. Les informations systme envoyes en mode broadcast.

Avant de dterminer quels UEs doit-on ordonnancer durant le TTI courant, le scheduler effectue uneslection prliminaire des UEs susceptibles dtre ordonnancs. Ceci aboutit llimination de cer-tains UEs ayant des conditions particulires savoir :

Les creux de mesures : o lUE se dconnecte temporairement de leNB servante afin demesurer la qualit radio dune eNB voisine.

Les rceptions discontinues (DRX) : o lUE rduit la puissance de son interface radio pour unepriode de temps pour des raisons se rapportant la gestion de lnergie de la batterie.

Les transmissions half-duplex qui permettent un UE de transmettre dans un seul sens en mmetemps.

Le manque de synchronisation temporelle : les UEs non synchroniss sont incapables de trans-mettre sur la liaison uplink des donnes qui ncessitent une synchronisation temporelle effectuesuite la rception dacquittements HARQ Ack/Nak.

Une fois la slection prliminaire des UEs est achev, le scheduler excute aussitt un algorithme descheduling pour lordonnancement des UEs.

13


1.5 Conclusion

Au cours de ce chapitre nous avons rappel les concepts de base se rapportant larchitecture EPSdes rseaux LTE, la composition de la pile protocolaire de linterface radio LTE. Nous avons aussidtaill les rles des canaux de communication logiques, de transport et physiques de linterface radioet nous avons numr et rappel les principales informations de contrle changes entre lUE etleNB. Ceci nous a permis de mieux expliquer le processus de scheduling responsable de lallocationdes ressources radio aux UEs, et plus particulirement celui de lallocation du canal PDSCH. Lechapitre suivant sera consacr ltude des algorithmes de scheduling LTE.

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Chapitre 2

Gestion des ressources radio (RRM) etscheduling en mode Downlink

2.1 Introduction

Le scheduling joue un rle fondamental dans loptimisation de la gestion et laffectation des res-sources radio. Ces dernires, se concrtisent par lallocation du spectre radio sous forme de canauxen fonction dun certains nombre de critres tributaires de plusieurs facteurs lis entre autre ltatdes canaux, au nombre de ressources bloc (RB) disponibles par canal radio, aux contraintes en termede qualit de service et ventuellement lapproche adopte (cross layer ou non). Le canal radio estpartag entre les utilisateurs, ce qui fait que des parties du spectre devraient tre alloues chaque timeslot (TTI).

Dans le paragraphe suivant, nous allons dcrire lchange des messages de contrle de trafic entrelUE et leNB.

2.2 Gestion des ressources radio (RRM)

La Gestion des Ressources Radio (RRM) est lune des fonctions les plus importantes des stationsde base dans les systmes sans fils. En effet, cest sur cette fonction quun systme sans fil, tel que lessystmes LTE, compte le plus pour garantir une certaine Qualit de Service (QoS), offrir une capacitmaximale en termes de throughput et amliorer lquit entre les UEs qui cherchent acqurir desressources radio. Ces objectifs tendent souvent tre contradictoires, puisque lamlioration dunaspect, dans certains cas, se paie par la dtrioration dun autre (par exemple, le dbit global dans une

15

ENIT Chapitre 2 : Gestion des ressources radio (RRM) et scheduling en mode downlink

cellule pourrait tre augment mais au prix dune rduction de lquit entre UEs ou dune diminutionde la QoS).

Les techniques de RRM visent optimiser lutilisation des ressources radio tout en satisfaisant lesexigences de QoS, et le plus grand nombre dutilisateurs possible, dans un environnement caractrispar une disponibilit limite du spectre, des effets de distorsion du signal dus au canal multi-trajets,des affaiblissements et des interfrences, la mobilit des utilisateurs, et lhtrognit du trafic. . .

Pour atteindre ses objectifs, la RRM joue sur quatre axes principaux [11] :

Le contrle dadmission : Le contrle dadmission rgule le fonctionnement du rseau de tellemanire garantir la continuit des services fournis et laccueil des nouvelles demandes deconnexions.

Le contrle de puissance : Le contrle de puissance est un lment ncessaire dans les systmesmobiles cause du problme de la longvit des batteries et pour des raisons de scurit.

Le contrle du handover : La mobilit des UEs ncessite parfois quils changent deNB ser-vante. Ce processus de prise en charge de la mobilit des UEs est appel handover. Il garanti lacontinuit des services sans fil quand un UE en mouvement se dplace travers les bordures descellules.

Lordonnancement des paquets (scheduling) : Comme on a vue dans le chapitre prcdent, Lor-donnancement ou scheduling est lentit responsable de lallocation de la bande passante. Ceciimplique le partage des ressources de linterface radio entre les UEs actifs dans un secteur dunecellule, la prise de dcision concernant le canal de transport de chaque UE et la surveillancede la charge du systme. Les paquets sont allous aux UEs suite lexcution, au niveau de lacouche MAC de linterface Uu de leNB, dun algorithme de scheduling et peuvent tre allousselon plusieurs critres tels que la dure dattente des UEs, le dbit atteint par chaque UE ouencore lquit entre les UEs.

Nous tablirons dans la suite de ce chapitre une classification des algorithmes de scheduling qui sebase sur des critres que nous dtaillons dans la partie suivante. Nous dcrivons aussi des principes defonctionnement de certains des algorithmes de scheduling appartenant chacun lune des catgoriesde la classification tablie.

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2.3 Critres de classification des algorithmes dordonnancement

Dans la partie suivante, nous allons rappeler les paramtres et les mtriques utilises dans llabo-ration des algorithmes dordonnancement.

Notion de mtrique La classification des algorithmes dordonnancement sera base sur un certainnombre de critres qui utilisent des mtriques pour performer des dcisions dallocation de ressourcesradio. Lallocation des ressources radio en termes de RBs aux UEs actifs est gnralement base surle principe suivant :

Notons mi,k la mtrique dordonnancement de lUE dindice i (UEi) correspondant au ke`me RB(RBk). Ce dernier est allou lie`me utilisateur si la mtrique de ce dernier est la plus grande :

mi,k = max1 jN{

m j,k}

(2.1)

Avec N est le nombre dUEs actifs.Ces mtriques expriment une priorit de transmission de chaque utilisateur dans un RB spcifique.

Elles sont values partir des informations relatives chaque flux et quantifient des exigences deperformances gnralement tablies dans des SLA (service level agreement). Dans la suite nous allonsnumrer succinctement les principaux critres selon lesquels nous allons tablir une classificationdes algorithmes dordonnancement. Ces critres visent gnralement une optimisation particulire delordonnancement aussi bien mono-paramtre que multi-paramtres.

Dans le cas dune optimisation multi-paramtres, il sagit de maximiser (ou minimiser) une fonc-tion utilit sous une ou des contraintes donnes.

Equit Lquit [7] est un critre qui doit tre pris en compte pour garantir un seuil minimum deperformance pour les utilisateurs, en particulier ceux pnaliss par de mauvaises conditions de canal.Dans ce cas, lordonnanceur ne se proccupe ni de la faon dont les ressources sont utilises par lesUEs, ni de ltat du canal de transmission.

Efficacit spectrale Lutilisation efficace des ressources radio est lun des principaux objectifs atteindre. Plusieurs types de mesures de performance peuvent tre envisags, citons titre dexemple :

Maximisation du nombre dusagers desservis dans un intervalle de temps donn. Maximisation de lefficacit spectrale (exprime en bit/s/Hz) en servant toujours des utilisateurs

qui bnficient des meilleures conditions canal. Un des indicateurs les plus utiliss de lefficacit est le goodput de lutilisateur.

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Qualit de service La qualit de service (QOS) est un facteur important pour les systmes de 4e`me

gnration dans la mesure o, sil est considr comme un critre dordonnancement, il peut contribuer respecter les contraintes et les exigences des flux. Ces derniers peuvent avoir des contraintes diversesqui ncessite adopter un ordonnancement diffrenci.

2.4 Stratgies dordonnancement dans les systmes LTE en modedownlink

Cette partie sera consacre lillustration des principales stratgies dallocation introduites pourles systmes LTE. Ces stratgies diffrent selon leurs objectifs :

STRATGIES CHANNEL-ANAWARE : Introduites au dpart dans les rseaux filaires, elles sontadaptes des supports de transmission fiables et non vulnrables. Bien que leur application di-recte dans les systmes LTE ne soit pas raliste, elles sont gnralement utilises conjointementavec des approches adaptatives et sensibles ltat du canal.

STRATGIES CHANNEL-AWARE/QOS-UNAWARE : ces stratgies prennent en considrationltat du canal sans pour autant se soucier de garantir la qualit de service. Elles visent assurerune meilleure utilisation des ressources radio en les allouant aux utilisateurs qui prsentent unemeilleure qualit de canal.

STRATGIES CHANNEL-AWARE/QOS-AWARE : ces stratgies, contrairement aux prcdentes,cautionne la diffrenciation en terme de qualit de service QoS pour optimiser lordonnance-ment. Elles visent assurer un ordonnancement garantissant des performances minimales re-quises en termes de qualit de service tout en tenant compte de ltat du canal.

2.4.1 Stratgies Channel-anaware

2.4.1.1 First In First Out

Cest le cas le plus simple qui consiste allouer les RBs aux utilisateurs selon une discipline FIFO(first in first out). La mtrique mFIFOj,k pour ce type de scheduler est alors :

mFIFOj,k = max1 jN {tTUEi} (2.2)

Avec : k est lindice du ke`me RB.

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N est le nombre total dUEs actifs dans un secteur deNB. TUEi est linstant de demande dallocation du RBk par lUEi. t correspond linstant courant.

2.4.1.2 Round Robin

La stratgie Round Robin permet un partage quitable du temps en tant que ressource entre lesUEs actifs. Les ressources radio sont affectes tour de rle et tous les utilisateurs sont servis de lamme faon [8]. La mtrique RR est similaire celle FIFO la diffrence que TUEi , dans le cas duRR, est linstant qui correspond la dernire fois lUEi a t servi.

Notons que le fait dassurer lquit en termes de frange de temps alloue, ne veut pas dire garantirlquit en termes de throughput. En effet, la nature variable du canal dans les rseaux sans fil peutengendrer des throughputs diffrents pendant des intervalles de temps gaux. Dautre part lallocationde la mme quantit de temps aux utilisateurs ayant des dbits diffrents nest pas une approcheefficace adopter pour assurer lquit entre les UEs. Il existe deux variantes de lalgorithme RR :

Time Domain Round Robin Scheduling (TDRR) Les terminaux ont accs aux RBs tour de rleselon le principe suivant : un instant t donn, lordonnanceur, plutt que dallouer k RBs, alloue auterminal lUEi lensemble des RBs correspondant la totalit de la bande (spectre) de frquence LTE(figure 2.1).

FIGURE 2.1 Ordonnoncement de p RBs entre deux UEs avec lalgorithme TDRR

19


Les ressources sont attribues lUE actif qui possde la plus grande mtrique.La mtrique dordonnancement dunUEi est :

mT DRRi = tTUEi (2.3)

Avec :TUEi : reprsente linstant correspondant la dernire fois laquelle lUEi a tait servi.Pour N UEs ordonnancer selon la discipline TDRR, lordonnanceur alloue pour chaque UE 100%

de la capacit spectrale en termes de ressources RBs pendant un TTI. Ainsi chaque UE disposera dede la totalit des ressources (temporelles et frquentielles).

Time and Frequency Domain Round Robin scheduling (FDRR) Dans ce cas, plusieurs utilisa-teurs peuvent tre ordonnancs dans un mme intervalle de temps TTI et dans un ordre cyclique (figure2.2).

FIGURE 2.2 Ordonnoncement de p RBs entre deux UEs avec lalgorithme FDRR

2.4.1.3 Blind Equal Throughput

Le but de ce scheduler est daccomplir lquit en termes de throughput. Le BET sauvegarde lavaleur du dbit atteint par chaque UE et moyenn jusqu linstant t1 (Ri (t1)) et lutilise commemtrique.

La mtrique mi,k dordonnancement de lUEi correspondant au RBk est la suivante [9] :

mBETi,k =1

Ri (t1) (2.4)

Avec :Ri (t) = Ri (t1)+(1 )ri(t) (2.5)

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: Valeur numrique comprise entre 0 et 1.Ri (t) : Dbit moyen atteint par lUEi jusqu linstant t.ri(t) : Dbit ralis par lUEi linstant t.Chaque TTI, le BET alloue les RBs aux flux qui ont t servis auparavant avec les throughputs les

plus faibles.

2.4.1.4 Resource Preemption

En fait, lquit nest pas toujours une ncessit, ou du moins pas pour tous les utilisateurs. Parconsquent, plusieurs types de priorit peuvent tre dfinis. Lapproche la plus simple est de privilgiercertains utilisateurs prioritaires (catgories dutilisateurs). Lide consiste regrouper les files dattentede transmission en plusieurs classes de priorit. Ainsi, une file dattente appartenant une classedonne ne peut tre servie que si toutes les files dattente ayant une priorit suprieure sont totalementvides.

Cette approche peut tre utilise utilise pour diffrencier les flux les plus prioritaires exigeant unequalit de service des flux les moins prioritaires tout en vitant, en utilisant des techniques appropries,la famine de ces derniers.

2.4.1.5 Weighted Fair Queuing

Une autre alternative de dploiement des priorits en vitant la famine est travers lutilisationdune approximation de lalgorithme Weighted Fair Queuing (WFQ). Dans ce cas, un poids wi estassoci lie`me UE (ou classe dUEs). On utilise la mtrique de lordonnanceur Round Robin en lapondrant comme suit :

mWFKi,k = wimRRi,k (2.6)

Avec mRRi,k est la mtrique RR de lUEi.Selon cet algorithme, laccs aux ressources dpend de deux facteurs : wi : exprimant une pondration refltant une priorit donne (plus ce facteur est grand, plus le

flux est prioritaire). Notons que ce facteur est une constante comprise entre 0 et 1. mRRi,k : exprimant lintervalle de temps (de longueur (tTUEi)) compris entre linstant correspon-

dant au dernier accs de lUEi aux RBs et linstant t courant. Notons que ce facteur augmenteproportionnellement avec le temps.

De cette faon, les ressources seront partages proportionnellement aux pondrations, mais sans pourautant provoquer une ventuelle famine puisque la mtrique RR favorise les UEs moins rcemmentservis et vite par la suite que le temps dattente dun utilisateur donn naugmente indfiniment.

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2.4.1.6 Limites des stratgies Channel-anaware

Les stratgies dallocation numres et dtailles jusqu prsent ne considrent pas ltat ducanal lors de la prise de dcision dallocation et sont connues comme tant des stratgies Channel-anaware. De ce fait, ces mthodes sont inappropries pour les rseaux sans fils et en particuliercellulaires, vue les alas qui peuvent affects ltat du canal et par la suite la qualit de la gestion desressources radio.

Dans le paragraphe suivant, nous allons examiner les caractristiques de la deuxime catgoriedes algorithmes de scheduling dans laquelle ltat du canal devient un facteur majeur du RRM (RadioRessource Management).

2.4.2 Stratgies Channel-aware/QoS-unaware

Grce lvaluation des valeurs des CQIs, qui sont priodiquement envoys (des UEs leNB), lescheduler peut estimer la qualit du canal perue par chaque UE et prdire le dbit maximal possible.

Soient : di(t) le dbit ralisable prvu pour lie`me utilisateur linstant t en exploitant toute la bande

passante. dik(t) le dbit ralisable prvu pour li

e`me utilisateur linstant t sur le ke`me RB.Ces valeurs peuvent tre calcules en utilisant le thorme de Shannon pour la capacit du canal :

dik(t) = log[1+SINRik(t)] (2.7)

2.4.2.1 Maximum Throughput

Cette stratgie vise maximiser le dbit global de la cellule en attribuant le RB lutilisateur quipeut atteindre le dbit maximal sur ce RB dans le TTI courant. Sa mtrique peut tre exprime commesuit :

mMTi,k = dik(k) (2.8)

Le scheduler Maximum Throughput maximise le rendement global de la cellule au prix dunmanque dquit. En effet, les utilisateurs ayant de mauvaises conditions canal peuvent souffrir de lafamine.

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2.4.2.2 Proportional Fair Scheduler

Le Proportional Fair a pour objectif de trouver un compromis entre lquit et lefficacit spectrale[10]. La mtrique de lordonnanceur PF est obtenue en exploitant conjointement celles des schedulersMT et BET [9]. Elle peut tre exprime comme suit :

mPFi,k = mMTi,k mBETi,k =

dik(t)

Ri (t1) (2.9)

Lide derrire cette mtrique est que le dbit moyenn calcul jusqu linstant t1 agit commeun facteur de pondration du dbit prvu, de sorte que les utilisateurs ayant de mauvaises conditionscanal seront progressivement favoriss au fur et mesure que le temps passe et seront surement servisaprs un certain laps de temps.

Selon cet algorithme, laccs aux ressources dpend de deux facteurs : dik(t) : exprimant une pondration favorisant les utilisateurs possdant de bonnes conditions

canal. Ri (t1) : exprimant une pondration favorisant les utilisateurs qui ont de mauvaises conditions

canal et pnalise ceux possdant de bonnes conditions canal. Plus les conditions canal de lUEisont bonnes, mieux il sera servi et plus son Ri (t1) sera lev.

2.4.2.3 Throughput to Average

Le Throughput to Average peut tre la confluence des schedulers MT et PF. Sa mtrique estexprime comme suit :

mT TAi,k =dik(t)di(t)

(2.10)

2.4.2.4 Joint Time and Frequency domain schedulers

Une technique en deux tapes pour la distribution de ressources radio est prsente comme suit :

1. dans un premier temps, un ordonnanceur de paquets dans le domaine temporel TDPS (Time Do-main Packet Scheduler) slectionne un sous-ensemble dutilisateurs actifs dans le TTI courantparmi ceux qui sont connects leNB.

2. ensuite, les RBs sont allous chaque utilisateur par un ordonnanceur de paquets dans le do-maine frquentiel FDPS (Frequency Domain Packet Scheduler).

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2.4.2.5 Delay sensitivity

Plusieurs travaux ont t effectus afin de concevoir des ordonnanceurs sensibles aux dlais. Lideest que, mme si on nglige le problme de paquet expiration du dlai (typique des flux en tempsrel), les donnes moyennes livrant retard peuvent tre considres comme lindicateur cl de la per-formance globale.

2.4.2.6 Limites des stratgies Channel-aware/QoS-unaware

Les stratgies Channel-aware/QoS-unaware permettent, en exploitant des informations decontrle telles que les rapports CQIs envoys par les UEs leNB, datteindre des performances rela-tivement leves dans des environnements sans fils. En effet, si le scheduler arrive estimer ltat ducanal peru par un UE, il sera possible dallouer les ressources radio aux UEs qui ont le plus granddbit dans un RB spcifique. Ainsi, le paramtre le plus significatif considrer dans ce cas est ledbit prvu atteindre par chaque UE. Dautre part, lefficacit spectrale nest pas le seul paramtre optimiser dans un rseau cellulaire vu que les oprateurs tlcom doivent aussi garantir un niveaudtermin de qualit de service en particulier pour les UEs citus aux abords de la cellule. De ce fait,la qualit de service devient un paramtre considrer lors de la mise en place dun scheduler.

2.4.3 Stratgies Channel-aware/QoS-aware

La diffrenciation en termes de QoS est effectue grce la considration de paramtres de qualitde service spcifique chaque flux de donnes. Connaissant les valeurs de ces paramtres, le schedulerpeut ainsi en tenant compte de ces paramtres allouer les ressources radio dune faon garantir desperformances minimales requises, que ce soit en termes de dbits ou en termes de dlais de livraisonrequis.

2.4.3.1 Schedulers pour la garantie des exigences en termes du taux de dbit

Larticle [18] propose un scheduler de type QoS-aware permettant de garantir un minimum deservices pour des applications exigeant un certain seuil en termes de Guaranteed Bit Rate (GBR).Selon lalgorithme propos, les flux de type GBR sont prioritaires par rapport au flux de type non-GBR. Larticle dfinit un seuil permettant de spcifier le pourcentage de ressources quun flux peututiliser. Ainsi, plus est grande, plus le nombre de RBs alloues au flux correspondant sera grand.

Les auteurs de larticle [18] dfinissent, en deux tapes, leur algorithme comme suit :

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Partie1 : Lallocation des RBs aux flux exigeant un certain GBR : Sil existe des flux GBR, ils serontprioritairement servis, sinon les RBs seront allous aux flux non-GBR. Aussi, lors de lallocationdes RBs aux flux GBR, lalgorithme doit prendre en considration la qualit du canal downlink,les dlais de transmission des paquets et les priorits dallocation des canaux logiques. Ainsi, lamtrique utilise par lalgorithme de scheduling est la suivante :

F iu = wi(RiEu)

H iu D

iu

Ti(2.11)

avec :

1. wi : facteur de poids correspondant au canal logique i.

2. Ri : GBR du service i.

3. Eu : lefficacit spectrale de lUEu.

4. H iu : le dbit ralis durant les TTIs prcdents par le service i.

5. Diu : le dlai dattente de lUEu dan la file dattente.

6. Ti : est le dlai maximal que le service i peut tolrer.

Partie2 : Lallocation des RBs aux flux non-GBR : cette tape sexcute juste aprs la satisfaction detoutes les applications exigeant un certain GBR et sil reste encore des RBs non allous. Lor-donnancement des flux non-GBR fait appel lalgorithme "Proportional Fair" vu la simplicitde son implmentation. Ainsi, la mtrique dordonnancement utilise ltape 2 est la suivante :

F iu = wiEuH iu

(2.12)

le paramtre wi est ajout la mtrique PF pour favoriser les flux QCI par rapport aux autresflux de donnes.

2.4.3.2 Schedulers pour la garantie des exigences en terme du dlai dattente

Ces stratgies sappliquent pour des applications prsentant des contraintes de temps telles que lesapplications temps rel, les applications de streaming ou les applications VoIP (voix sur IP). Larticle[19] traite lalgorithme maximum "largest weighted delay first" (M-LWDF) qui considre, lors delallocation des RBs, les variations que subit le canal de transmission. Larticle [19] ytaite en particulierle cas du trafic vido qui ncessite le respect de certaines exigences en termes de dlai de transmission.La mtrique que propose lalgorithme M-LWDF est la suivante :

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ki = argmax(iWi(t) ri(t)Ri(t)) (2.13)

avec : i =( logii ). i : le seuil de dlai que peut atteindre un paquet de lUEi. i : la probabilit maximale pou que la valeur de Wi(t) de lUEi dpasse le seuil i. Wi(t) : la valeur du HOL (head of line) de dure du paquet de lUEi (diffrence entre linstant

actuel et linstant darriv du pauet). ri(t) : dbit ralis par lUEi jusqu linstant t. Ri(t) : Dbit moyen atteint par lUEi linstant t.

2.5 Conclusion

Nous avons rappel dans ce chapitre les principaux caractristiques de la fonction de gestion desressources radio (RRM) des les systmes LTE, nous avons ensuite spcifi les utiliss lors de llabo-ration des algorithmes de scheduling, ce qui nous a amen laborer une classification, base sur cescritres, des algorithmes dordonnancement adapts pour les systmes LTE.

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Chapitre 3

Nouvelle stratgie dallocation des ressourcesradio pour les systmes LTE

3.1 Introduction

Dans le chapitre prcdent, nous avons introduit des concepts de base relatifs lordonnancementdes paquets dans les systmes LTE et nous avons tablit une classification des stratgies dordonnan-cement en dcrivant les principes de certains algorithmes dordonnancement. Dans ce chapitre, nousallons mener une tude des performances de ces derniers pour les systmes LTE et LTE-A. Pour cela,nous allons introduire dans un premier temps le principe dun nouvel algorithme dordonnancementqui sinspire de lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair", prsent dans [14], en amliorant davantage leniveau dquit en termes de ressources temporelles et frquentielles entre UEs. Nous allons ensuitedcrire lenvironnement de simulation "Vienna LTE Simulators" que nous avons utilis pour lanalysede performance du nouveau algorithme. Une dernire partie de ce chapitre sera consacre aux rsultatset interprtations.

3.2 Stratgies de rfrence

Le choix des algorithmes tudis a t cibl pour focaliser sur trois types dalgorithmes dordon-nancement. Le premier type repose exclusivement sur le critre de maximisation du througput. Dansnotre cas dtude lalgorithme Best CQI appartient cette classe dalgorithmes. Le deuxime typecherche plutt trouver un compromis entre maximiser le throughput et assurer le maximum dquitentre les UEs. Lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair" et celui que nous avons propos sinscrivent dans

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ENIT Chapitre 3 : Nouvelle stratgie dallocation des ressources radio pour les systmes LTE

cette classe dalgorithmes dordonnancement. Enfin, le troisime type vise exclusivement la maximi-sation de lquit sans prendre en considration lamlioration du throughput.

Nous allons, tout dabord, numrer les stratgies dordonnancement "Best CQI" et "Round Ro-bin" qui seront utiliss par la suite comme talons pour valuer les performances de lalgorithmedordonnancement que nous avons propos.

3.2.1 La stratgie "Best CQI"

Selon la stratgie "Best CQI" [12], les RBs sont allous aux UEs possdant les meilleures condi-tions canal (exprimes par les meilleures valeurs de CQIs) afin de maximiser le dbit global dans unsecteur de la cellule. Rappelons que cette dernire correspond la zone de couverture dun eNB quipossde son propre scheduler. Rappelons aussi que chaque cellule est dcoupe en trois secteurs et quechacun de ces secteurs excute le mme scheduler dune manire indpendante. En fait, deux phasespralables lexcution de lalgorithme dordonnancement consistent :

Au cours de la premire phase, les UEs estiment la qualit du canal downlink perue traversla mesure dun ensemble dindicateurs CQIs. Ces derniers sont reprsents sous forme dunvecteur dont chaque lment correspond au CQI de lUE pour un RB spcifique.

Au cours de la seconde phase, les UEs transmettent les CQIs sur le canal uplink la station debase (eNB) qui son tour alloue chaque RB lUE possdant la meilleure valeur de CQI dansce RB.

Le scheduler "Best CQI" peut tre considr comme une variante de la stratgie "Maximum Through-put" (prsente dans le chapitre prcdent) adapte aux rseaux LTE et LTE-A. En effet, dans ce caslUE mesure la valeur de CQI correspondant au canal downlink et peut mme lamliorer grce des algorithmes de traitement de signal avancs avant de lenvoyer leNB pour tre utilise commemtrique de lordonnanceur "Best CQI". Ainsi, les capacits de lUE joue un rle capital dans la re-valorisation du rle de lordonnanceur "Best CQI" utilis dans les technologies LTE par rapport auscheduler "Maximum Throughput" utilis dans des technologies cellulaires antrieures. En effet, lUEdans les systmes LTE mesure non seulement les indicateurs perus relatifs au canal downlink maisexploite pleinement ses capacits avancs afin dexercer des traitements correctifs sur ces mmes in-dicateurs amliorant leurs valeurs avant de les dlivrer sur le canal uplink leNB pour tre exploiterpar lordonnanceur.

28


3.2.2 La stratgie "Round Robin"

La stratgie "Round Robin", dj tudier dans le chapitre prcdent, projette de partager les res-sources temporelles et frquentielles dune manire quitable entre les UEs actifs sans prendre enconsidration ltat du canal de transmission. Un tel comportement amliore le rendement du systmeen termes dquit au dtriment dune dgradation des performances en termes de throughput. Nousallons utiliser dans les scnarios de simulation envisags la variante FDD puisquelle est plus adapteaux systmes LTE et LTE-A lorsquelle est compare la variante TDD. Ce choix est dautant justifipar les avantages que procure la technologie OFDMA pour lenvoi des paquets en mode downlink.

3.3 Principe de lalgorithme de scheduling propos

Dans une premire partie de ce paragraphe nous allons expliquer le principe de lalgorithme"MY_SCH_Not_Fair" [14] partir duquel nous nous sommes inspirs pour proposer un nouvel al-gorithme dordonnancement plus performant dans un certain contexte. Nous allons ensuite dtaillerle principe de fonctionnement de notre algorithme en se basant sur une tude critique constructive delalgorithme "MY_SCH_Not_Fair".

3.3.1 Lalgorithme de scheduling "MY_SCH_Not_Fair"

Dans larticle [14] les auteurs proposent un nouvel algorithme dordonnancement "MY_SCH_Not_Fair"adapt pour les rseaux LTE. Le principe de "MY_SCH_Not_Fair" consiste ne plus servir un UEdj servi par un RB dans le TTI courant, tout en optant maximiser le dbit global dans le secteur dela cellule. En fait, lors de lallocation dun RB, lordonnanceur choisi lUE qui possde la mtrique laplus grande (dans ce RB). Si le scheduler a dj allou un RB pendant un TTI lutilisateur, ce dernierne disposera plus dun autre RB dans ce mme TTI. Ceci a pour objectif de garantir un bon niveaudquit entre les UEs en termes de partage quitable des ressources temporelles et frquentielles delinterface radio.

Durant chaque TTI, lordonnanceur est amen affecter p RBs n UEs actifs dans un mmesecteur dune cellule selon un critre bien dtermin. Ce critre repose sur laffectation du RBk (1 k p) lUEi (1 i n) dans le mme TTI, qui possde la mtrique la plus grande dans ce RB.Chaque mtrique exprime la qualit du canal perue par chaque UE dans un RB donn le long du TTI.

Une fois lUEi servi, le processus daffectation des p 1 RBs se rptera de la mme manirepour les n1 UEs actifs non encore servis pendant le TTI courant. A titre illustratif, lensemble desmtriques peut tre reprsent sous forme de matrice M deux dimensions de taille (n p) o :

29


n reprsente le nombre dUEs actifs dans le mme secteur dune cellule LTE donne. p reprsente le nombre de RBs disponibles le long dun TTI par secteur sur la totalit de la

bande passante.Chaque lment Mi,k de la matrice M scrit comme suit :

MMYSCHNotFairi,k =CQIi,k (3.1)

O CQIi,k reprsente la valeur de CQI de lUEi dans le RBk.La matrice M est reprsente comme suit :

M =

CQI1,1 ... CQI1,k ... CQI1,p... . . .

... . . ....

CQi,1 CQIi,k ... CQIi,p...

......

......

CQIn,1 ... CQIn,k ... CQIn,p

3.3.2 Lalgorithme de scheduling propos

Pour garantir plus dquit globale (sur un intervalle de temps exprim en TTIs) entre les UEs entermes de throughput, nous avons pens amliorer lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair" en proposantun algorithme qui utilise une pondration rgulatrice de sa mtrique pour favoriser les UEs non servisauparavant afin quils soient servis dans le TTI courant. La mtrique de notre algorithme sera alors :

MSchedulerproposei,k =CQIi,k

Nwi (t1)(3.2)

O CQIi,k : reprsente la valeur de CQI de lUEidans le RBk. Nwi : reprsente le nombre de RBs allous lUEi jusqu linstant t

1 sur un intervalle de temps(fentre de temps) de longueur w mesur en TTIs.

w reprsente la taille dune fentre de temps sur laquelle le nombre de RBs allous pour un UEspcifique est calcul. Elle est exprime en TTI et peut tre choisie en fonction du niveau dquitquon souhaite atteindre lors de lallocation des RBs.

Afin de mener une comparaison entre lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair" et celui propos, il serajudicieux de considrer deux cas de figures. Le premier concerne le cas o le nombre des UEs connec-

1. Le temps t est exprim en nombre de TTI.

30


ts est infrieur au nombre de RBs disponibles par TTI et le deuxime concerne le cas contraire.Cependant, la finalit de notre proposition est de performer le comportement de ces algorithmes dansle deuxime cas de figure (nombre dUEs est suprieur au nombre de RBs/TTI).

En effet, si le nombre des UEs actifs dpasse le nombre de RBs disponibles dans un TTI donn, ilne sera pas possible de servir tous les UEs dans ce mme TTI. Avec lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair",les UEs qui possdent souvent de mauvaises conditions canal (valeurs faibles de CQI) seront pnalisset risqueront de ne pas tre servis durant plusieurs TTIs successifs. Avec lalgorithme que nous avonspropos, les UEs non servis dans le TTI courant le seront dans le ou les prochains TTIs grce lapondration 1Nwi (t1) de la mtrique dordonnancement.

Prenons un exemple numrique pour illustrer davantage cette situation. Si on utilise lalgorithme"MY_SCH_Not_Fair" pour lordonnancement et si on dispose de 50 UEs connects un mme eNBdans un mme secteur, et que la bande passante est de 5MHz (ce qui quivaut 25 RBs/TTI), seulementles 25 UEs possdant les meilleures mtriques (les meilleures conditions canal) seront servis pendantle TTI courant. Si les UEs connects gardent les mmes conditions canal le long du TTI suivant,on aura toujours les mmes 25 UEs qui seront servis dans le prochain TTI ce qui remet en cause leprincipe de lquit en terme de throughput et pnalise davantage les UEs non servis (ceux possdantles plus mauvaises conditions canal).

Afin de remdier ce problme, le nouvel algorithme propose une mtrique compose du produitde deux facteurs, le premier (CQI) favorisant les UEs bnficiant des meilleures conditions canal, etle deuxime 1Nwi (t1) privilgiant au fur et mesure que le temps passe les autres UEs.

Le principe de lalgorithme dordonnancement propos est le suivant :

1. Le scheduler reoit le vecteur des CQIs de chaque UE actif dans un secteur de la cellule cou-rante.

2. Le scheduler calcule ensuite le nombre de RBs allous pour chaque UE jusqu linstant t dansla fentre w (Nwi (t 1)) et dtermine ainsi les mtriques dordonnancement correspondants.Ces derniers correspondent aux lments Mi,k de la matrice M(n p) :

Mi,k =CQIi,k

Nwi (t1)(3.3)

3. Le scheduler identifie chaque fois la plus grande mtrique Mi,k parmi celles de la matrice M.En se basant sur cette mtrique, le scheduler alloue le RBk lUEi. Au cas o il existe plusieurs

UEs actifs qui ont une mme valeur Mi,k maximale, celui qui a demand les ressources le premier

sera servi. Autrement dit, le critre dallocation dans ce cas sera bas sur la discipline FIFO.

31


4. LUEi servi ltape 3) ne sera, ventuellement, plus servi jusqu la fin du TTI courant.

5. Si tous les UEs sont servis dans le TTI courant, et quil reste encore des RBs non allous dansce mme TTI, le scheduler r-excute les tapes 3), 4) et 5).

Aprs avoir prsent le principe de notre algorithme, nous allons, dans ce qui suit, essayer de vrifierses performances en menant une tude comparative entre les talons "Best CQI" et "Round Robin",lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair" et lalgorithme que nous venons de propos. Dans ce qui suit, nousprsenterons lenvironnement de simulation "Vienna LTE Simulators" et nous prsenterons ensuite lesrsultats danalyse obtenus.

3.4 Environnement logiciel

"Vienna LTE Simulators" [15] est un environnement de simulation des rseaux LTE et LTE-A dvelopp sous MATLAB [16] par linstitut "Institute of Communications and Radio-FrequencyEngineering" de luniversit technique de Vienne et distribu sous une licence acadmique non-commerciale, permettant aux chercheurs un accs complet lenvironnement de simulation [5].

Le module "LTE Downlink System Level Simulator" est le module responsable de la simulationdes schedulers sur la liaison dowblink des linterface radio LTE. Il est conue selon larchitecturereprsente dans la figure 3.1.

32


FIGURE 3.1 Structure du module LTE Downlink System Level Simulator

Chaque eNB est reprsente par une extension du script eNodeB.m. Elle est compose de troissecteurs avec un scheduler attach indpendamment chacun de ces derniers. Le scheduler alloueles ressources radio, calcule les matrices de prcodage et dtermine les schmas de modulation etde codage (MCS) appropris pour chacun des UEs attachs au secteur de leNB correspondante. Lescheduler se base lors de la prise des dcisions dallocation sur lalgorithme de scheduling utilis etsur les feedbacks envoys par les UEs.

Le fichier principal du module "LTE Downlink System Level Simulator" est LTE_sim_main.m quiest lanc suite lexcution du fichier batch LTE_sim_main_launcher.m [6] (voir ANNEXE 5) . Cedernier excute principalement deux instructions :

Chargement dun fichier de paramtrage du rseau (LTE_load_params.m) : cest dans ce fichierque le paramtrage du rseau est effectu en spcifiant les valeurs des paramtres tels que lenombre dUEs actifs, le nombre deNB dans le rseau, la largeur de la bande passante, la durede la simulation, etc. . .

Lancement du fichier principal de simulation LTE_sim_main.m.

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3.5 Prsentation et interprtation des rsultats de simulation

3.5.1 Modle et paramtres de simulation

Nous avons choisi pour la simulation un modle constitu de sept eNBs (voir figure.3.2)

FIGURE 3.2 Rpartition des eNBs dans la configuration considre

La zone de couverture dun eNB correspond une cellule compose de trois secteurs de 120chacun.

Selon le standard LTE, six types de bande passante sont possibles et chacun deux est associ unnombre de RBs par TTI. (Tableau 3.1)

Bande passante (MHz) 1.4 3 5 10 15 20Nombre de ressources bloc par TTI (RBs/TTI) 6 15 25 50 75 100

TABLE 3.1 Paramtres caractristiques (nombre de RBs par TTI pour chaque largeur de bandepassante) par secteur deNB

Les simulations, de dure 5 000 TTIs chacune, utilise comme paramtre de simulation une bandepassante de largeur 5MHz correspondant 25 RBs/TTI/secteur allous. Le modle de canal choisi estle PedestrianB (PedB).

Les mtriques de performance que nous avons choisies afin de mener une tude comparative deperformance des algorithmes de scheduling implments sont :

Le niveau dquit (en termes de nombre dUEs servis). Le rendement global du secteur de la cellule (dbit global atteint par secteur).

Les deux scnarios simuler considrent trois cas de figures selon le nombre dUEs actifs par secteur :

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1. Le nombre dUEs est infrieur au nombre de RBs disponibles par TTI : on considre 15 UEsactifs par secteur.

2. Le nombre dUEs est suprieur au nombre de RBs disponibles par TTI : on considre 35 UEsactifs par secteur.

Le tableau 3.2 rcapitule les principaux paramtres de simulation.

Paramtres ValeursNombre deNB 7Frquence 2 GHzBandwidth 5 MHz par secteur (25RBs/TTI)HARQ Retransmissions 0Type du canal PedBDure de la simulation (nombre de TTIs) 5 000 subframes (5 secondes)Mode de transmission ( antennes) 2x2CQI feedback OuiPositions des UEs UEs localiss dans un seul secteurNombres dUEs 15, 25, 35 UEs/secteurs

Algorithmes de scheduling tudis par simulatio

Best CQI Round Robin MY_SCH_Not_Fair Algorithme de scheduling propos

TABLE 3.2 Paramtres de simulation

Ces paramtres sont dfinis dans un fichier spcifique appel LTE_load_params.m. Dans ce quisuit nous illustrons la configuration de ces paramtres par extraits du dit fichier.

Configuration de la largeur de la bande passante :

Configuration de la dure de la simulation :

Configuration du type du canal :

35


Configuration du nombre dUEs par secteur :

3.5.2 Modles simuls et rsultats obtenus

SCNARIO 1 : Nombre dUEs gale 15

Les 15 UEs sont tous attachs un mme secteur (secteur numro 1 de leNB numro 5).

FIGURE 3.3 Positions des 15 UEs vis vis de leNB laquelle ils sont attachs

Best CQI Round Robin MY_SCH_Not_Fair Scheduler propos

FIGURE 3.4 Valeurs du BLER et du throughput avec 15 UEs actifs

36


Les valeurs du throughput global et du BLER (block error rate) par secteur deNB, pour chacundes algorithmes de scheduling tudis, sont reprsentes dans la figure 3.4. Les valeurs du throughputet du BLER correspondant aux secteurs numros 2 et 3 (S2 et S3) sont respectivement NaN et 0.00Mbps dans les quatre scnarios, ce qui signifie quil ny a pas dUEs attachs ces secteurs. La valeurmaximale de throughput est gale 19.47 Mbps et correspond lalgorithme "Best CQI". Ce rsultatest attendu vu que ce dernier tend maximiser le dbit pour chaque RB allou. La valeur minimale dudbit est consigne pour lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair". Ceci est d au fait que ce dernier, dans lecas o le nombre dUEs est infrieur au nombre de RBs disponibles, dlaisse des RBs sans affectation.Notre algorithme a retourn une valeur de throughput gale 8.71 Mbps. Cette valeur est meilleureque celles des algorithmes "Round Robin" et "MY_SCH_Not_Fair", mais elle reste toujours infrieure celle du "Best CQI". Le taux derreur par bloc (BLER) est le nombre de blocs errons divis par letotal du nombre de blocs reus. Sa valeur minimale est gale 0.10 et correspond celle de notrealgorithme propos, ce qui lui rend plus performant dans des environnements o le taux derreur estlev.

Les nombres dUEs servis et non servis par algorithme de scheduling sont reprsents dans letableau 3.3 :

Algorithme de scheduling Nombre dUEs servis Nombre dUEs non servisBest CQI 6 9Round Robin 15 0MY_SCH_Not_Fair 14 1Scheduler propos 14 1

TABLE 3.3 Nombre dUEs servis et non servis selon lalgorithme de scheduling pour le SCNARIO1

Dans le cas de lalgorithme "Round Robin", tous les UEs sont servis. Ce rsultat est attendu vu quecet algorithme alloue quitablement les RBs aux UEs actifs. Lalgorithme "Best CQI" na permet deservir que 6 UEs parmi les 15 actifs durant 5 000 TTIs. Pour les algorithmes "MY_SCH_Not_Fair" estcelui que nous avons propos un seul UE na pas pu tre servi. Selon les rsultats de simulation, lUEnon servi est celui dindice 2. En vrifiant les valeurs de CQIs pour cet UE (figure 3.5), on remarquequil prsente des valeurs de CQIs nulles durant toute la dure de la simulation.

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FIGURE 3.5 Variation de la valeur de CQI de lUE2

On constate aussi que lUE2 prsente un dbit nul (figure 3.6) durant toute la dure de la simulationpour les quatre algorithmes simuls.

FIGURE 3.6 Dbit moyen de lUE 2

Lallocation des RBs lUE2, comme cest le cas de lalgorithme "Round Robin" na aucun senspuisquil prsente de mauvaises conditions canal et il ne va pas donc utiliser ces ressources.

SCNARIO 2 : Nombre dUEs gale 35

Les 35 UEs sont tous attachs un mme secteur (secteur numro 1 de leNB numro 5).

38


FIGURE 3.7 Positions des 35 UEs dans le rseau

Best CQI Round Robin MY_SCH_Not_Fair Scheduler propos

FIGURE 3.8 Valeurs du BLER et du throughput avec 35 UEs actifs

Selon les rsultats obtenus (figure 3.8), le dbit global fourni suite lexcution de lalgorithme"MY_SCH_Not_Fair" (7.38Mbps) avec un nombre dUEs (35) suprieure celui des RBs disponiblespar TTI dans le secteur S1 de leNB 5 (25 RBs/TTI) est meilleur que celui fourni par le SCNARIO 1(cest--dire lorsque le nombre dUEs actifs (15) est infrieure celui des RBs (25) disponibles dansle secteur). Ceci est d au fait que "MY_SCH_Not_Fair" alloue un RB par UE. Ainsi lalgorithme"MY_SCH_Not_Fair" est plus performant en termes de dbit global pour le cas o le nombre dUEsactifs est suprieure au nombre de RBs disponibles par TTI compar au cas o le nombre dUEs actifsest infrieure au nombre de RBs disponibles. Avec un nombre dutilisateurs lev (nombre dUEssuprieure au nombre de RBs/TTI), lalgorithme propos ne fournit pas damlioration significativepar rapport lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair" en terme de throughput.

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Algorithme de scheduling Nombre dUEs servis Nombre dUEs non servisBest CQI 10 15Round Robin 25 0MY_SCH_Not_Fair 24 1Scheduler propos 24 1

TABLE 3.4 Nombre dUEs servis et non servis selon lalgorithme de scheduling pour le SCNARIO1

En augmentant le nombre dUEs actifs dans le secteur S1 de leNB 5, le degr dquit de lalgo-rithme "Best CQI" saffaiblit davantage. En effet sur 35 UEs actifs, on na pas pu servir que 6 UEs enutilisant le "Best CQI". Ainsi, malgr que ce dernier a fournit un meilleur dbit par rapport aux autresalgorithmes, il demeure inappropri de lutiliser vu quun nombre important dutilisateurs risque desouffrir de la famine. Dans le cas de lalgorithme "Round Robin", tous les UEs sont servis avec lemme nombre de RBs. Notre algorithme na pas servi les UEs dindices 1 et 30. En examinant lesdbits (figure 3.10) et les valeurs des CQIs (figure 3.9) fournis par ces deux UEs avec lalgorithme"Round Robin", on remarque que UE1 et UE30 prsentent de trs faibles valeurs de CQIs, et parconsquent de throughput, tout au long de la dure de la simulation.

FIGURE 3.9 Variation des valeurs des CQIs des UEs UE1et UE30 en fonction du temps

40


FIGURE 3.10 Variation des valeurs des dbits des UEs UE1et UE30 en fonction du temps

Ce rsultat est d au fait que les algorithmes "MY_SCH_Not_Fair" et celui propos utilise dansleurs mtriques le paramtre CQIi,k qui favorise les UEs bnficiant de bonnes conditions canal. Nan-moins, lalgorithme propos utilise, en plus que le paramtre CQIi,k, un paramtre rgulateur Nwi . Ceparamtre tend favoriser fur et mesure que le temps passe les utilisateurs souffrant de mauvaisesconditions canal. Pour des simulations de dure 5 000 TTIs et selon les rsultats obtenus dans letableau, les algorithmes "MY_SCH_Not_Fair" et celui propos fournissent le mme niveau dquitpuisquils nont permis de servir que 33 UEs parmi les 35 connects au secteur. Nous avons donc pens augmenter la dure de la simulation du SCNARIO 2 pour ces deux algorithmes afin de dterminersi lamlioration que nous avons propos pour lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair" est avantageuse entermes dquit. Pour cela, nous allons resimuler le SCNARIO 2 en augmentant la dure de simulationde 5 000 TTIs 10 000 TTIs.

SCNARIO 2-BIS : Nombre dUEs gale 35 (dure de simulation : 10 000 TTIs)

On a gard les mmes paramtres de simulation du SCNARIO 2 lexception de la dure desimulation quon a augment de 5 000 TTIs 10 000 TTIs :

La figure 3.11 prsente les valeurs du BLER et du dbit global pour chacun des algorithmes simuls(MY_SCH_Not_Fair et celui propos) :

41


MY_SCH_Not_Fair Scheduler propos

FIGURE 3.11 Valeurs du BLER et du throughput avec 35 UEs actifs et une dure de simulation gale 10000TTIs

La valeur du BLER est la mme pour les deux algorithmes (0.17) et celles du dbit sont aussitrs proches (7.15 Mbps pour MY_SCH_Not_Fair et 7.09 pour lalgorithme propos). Examinonsmaintenant le rendement de ces deux algorithmes en termes dquit entre UEs actifs.

Selon les rsultats du tableau 3.5, notre algorithme a permis damliorer les performances de lal-gorithme "MY_SCH_Not_Fair" en termes dquit vu que les deux UEs UE1 et UE30 ont fini par treservis dans le cas de notre algorithme alors que mme avec une dure de 10 000TTIs, on na pas pules servir avec lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair".

Algorithme de scheduling Nombre dUEs servis Nombre dUEs non servisMY_SCH_Not_Fair 33 2Scheduler propos 35 0

TABLE 3.5 Nombre dUEs servis et non servis selon lalgorithme de scheduling pour le SCNARIO2-BIS

3.6 Conclusion

Au cours de ce chapitre nous avons dcrit le principe de fonctionnement des algorithmes "BestCQI", "Round Robin" et "MY_SCH_Not_Fair". Nous avons ensuite propos une amlioration de lal-gorithme "MY_SCH_Not_Fair" dans le but daccroitre son niveau dquit. Ainsi, le nouveau algo-rithme propos a montr, selon les rsultats de simulation obtenus, quil a amlior le niveau dquit,en particulier lorsque le nombre dUEs connects dpasse le nombre de RBs disponibles (par TTI)dans un secteur. On constate aussi que dans le cas o le nombre dUEs est infrieur au nombre de RBspar secteur, notre algorithme amliore le dbit global dans le secteur puisquil alloue tous les RBsdisponibles, contrairement lalgorithme "MY_SCH_Not_Fair".

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Conclusion gnrale

Dans ce mmoire, nous nous sommes intresss ltude dune technique de gestion des res-sources radio pour les rseaux cellulaires savoir le scheduling. Celle-ci utilise des algorithmes descheduling pour slectionner les utilisateurs bnficiant de lallocation des units de ressources ra-dio et pour affecter ces units selon des critres bien dfinis. Nous avons tabli une classification desalgorithmes dordonnancement qui a permis de les incorporer sous trois catgories :

Stratgies Channel-anaware. Stratgies Channel-aware/QoS-unaware. Stratgies Channel-aware/QoS-aware.

Nous avons ensuite propos un nouvel algorithme dordonnancement inspir de lalgorithmeMY_SCH_Not_Fair et qui sinscrit sous la catgorie Channel-aware/QoS-unaware. Nous avonsainsi implment les deux algorithmes MY_SCH_Not_Fair et celui propos en utilisant le simu-lateur "LTE Downlink System Level Simulator". Notre choix a port sur ce simulateur pour deuxraisons principales : dune part, loutil est largement utilis par les chercheurs grce sa simplicit(bas sur matlab) et sa gratuit (licence acadmique non commerciale). Dautre part, lalgorithmeMY_SCH_Not_Fair a t tester en utilisant cet outil alors nous avons prfr respecter ce choix afindavoir les mmes rsultats obtenus.

Ce travail a pour objectif dtudier, dans un premier temps, les performances de lalgorithmeMY_SCH_Not_Fair partir duquel nous nous sommes inspirs pour proposer un nouvel algorithmedordonnancement plus performant dans un certain contexte. Nous avons muni dans un second temps,une comparaison, dune part, entre notre algorithme propos et les algorithmes talons Best CQI etRound Robin et dautre part entre notre algorithme propos et lalgorithme MY_SCH_Not_Fair.Les critres que nous avons tudis lors de la comparaison entre les algorithmes dordonnancement serapportent lquit entre les utilisateurs connects et au rendement en termes de dbit global atteintpour chaque algorithme.

En guise de perspective, nous envisageons tudier dautres algorithmes dordonnancement pourles systmes LTE et LTE-Advanced .

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Bibliographie

[1] COX, Christopher. An introduction to LTE, LTE, LTE-Advanced, SAE and 4G mobile com-munications, John Wiley & Sons Ltd, UK ; 2012. 324 p.

[2] LTE ; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) ; Radio Link Control (RLC) proto-col specification. 3GPP TS 36.322 version 9.0.0 Release 9. France : European Telecommunica-tions Standards Institute, 2010. 41 p. RTS/TSGR-0236322v900.

[3] LTE ; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) ; Medium Access Control (MAC)protocol specification (3GPP TS 36.321 version 9.0.0 Release 9). France. European Telecom-munications Standards Institute, 2009. 48 p. RTS/TSGR-0236321v900.

[4] LTE ; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) ; Radio Resource Control (RRC) ;Protocol specification (3GPP TS 36.331 version 10.7.0 Release 10). France. European Telecom-munications Standards Institute, 2012. 306 p. RTS/TSGR-0236331va70.

[5] C.Mehlfhrer, J.Colom Ikuno, M.imko, S.Schwarz, M.Wrulich and M.Rupp, "The ViennaLTE simulators - Enabling reproducibility in wireless communications research", inMehlfhrer et al. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing. 2011.

[6] Institute of Communications and Radio-Frequency Engineering Vienna University of Techno-logy . Documentation : LTE System Level Simulator Documentation. v1.0r247. Autriche. 10p.

[7] MEDERNACH, Emmanuel. Allocation de ressources et ordonnancement multi-utilisateurs :une approche base sur lquit. 2011. 277 p. thse, Informatique, Universit Blaise Pascal -Clermont-Ferrand II, 2011.

[8] O.IOSIF and I.BANICA, "On the Analysis of Packet Scheduling in Downlink 3GPP LTESystem", in The Fourth International Conference on Communication Theory, Reliability, andQuality of Service, 2011.

44

ENIT Bibliographie

[9] F. Capozzi, G. Piro, L.A. Grieco, G. Boggia, and P. Camarda, Downlink Packet Scheduling inLTE Cellular Networks : Key Design Issues and a Survey, in DEE - Dip. di Elettrotecnicaed Elettronica, Italie, 52 p.

[10] P.Viswanath, D.N. C. Tse, and R.Laroia, Opportunistic Beamforming Using Dumb Anten-nas, in IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY, VOL. 48, NO. 6, JUNE 2002

[11] Gourdache, Samir. Gestion des ressources radio Dans un Rseau htrogne. 2011. 117 p. Ma-gistre en informatique, Informatique, Universit Hadj Lakhdar Batna Facult des sciencesDpartement dinformatique, 2011.

[12] O.IOSIF and I.BANICA, "Performence analysis of downlink LTE using system level simula-tor", in U.P.B. Sci. Bull., Series C, Vol. 75, Iss. 1. 2013.

[13] Roke Manor Research Ltd. Documentation : LTE MAC Scheduler & Radio Resource Schedu-ling. UK. 2011. 8 p.

[14] D.TALEVSKI and L.GAVRILOVSKA, "Novel Scheduling Algorithms for LTE DownlinkTransmission", in Telfor Journal, Vol. 4, No. 1, 2012.

[15] "Institute of Communications and Radio-Frequency Engineering" de luniversit technique deVienne [en ligne]. http ://www.nt.tuwien.ac.at/research/mobile-communications/lte-simulators/(consult le 12.09.2013).

[16] MathWorks [en ligne]. http ://www.mathworks.com (consult le 12.09.2013).

[17] A.SALMAN, M.ZEESHAN and A.NAVEED, "A capacity and minimum guarantee-basedservice class-oriented scheduler for LTE networks", in EURASIP Journal on Wireless Com-munications and Networking, 2013.

[18] W.FU, Q.KONG, W.TIAN, C.WANG and L.MA, "A QoS-Aware Scheduling Algorithm Basedon Service Type for LTE Downlink", in Proceedings of the 2nd International Conference onComputer Science and Electronics Engineering, 2013.

[19] H.AL-JARADAT, K.SANDRASEGARAN, "On the Performance of PF, MLWDF andEXP/PF algorithms in LTE", in International journal of computers & technologie Vol 8, No. 1,2013.

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ANNEXES

ANNEXE 1

Canaux de communication de linterface radio LTE

46

ENIT Annexes

47

ENIT Annexes

ANNEXE 2

Code source de la fonction permettant laffectation des RBs aux UEs actifs pourlalgorithme MY_SCH_Not_Fair

48

ENIT Annexes

ANNEXE 3

Code source de la fonction permettant laffectation des RBs aux UEs actifs pourlalgorithme

Documents

New scheduling Algorithm for LTE.pdf