Auto-Optimisation des ressources spectrales et énergétique de la téléphonie mobile de 4ème Génération (LTE-Advanced) via l’agrégation de porteuses

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Auto-Optimisation des ressources spectrales et énergétique de la téléphonie mobile de 4ème Génération (LTE-Advanced) via l’agrégation de porteuses
Publication du sujet sur le site de l’ABG : NON
Nature du financement : Non connu à ce jour
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Spécialité de doctorat : Image Signal et Automatique

Lieu de travail
LIAS/ENSIP
B25
2 rue Pierre Brousse
86022 Poitiers Cedex
Laboratoire d’accueil : LIAS

Présentation de l’équipe de recherche
Patrick Coirault – Directeur de thèse
Frédéric LAUNAY – Encadrant de thèse

Résumé de la thèse en français
Nous proposons d’étudier dans cette thèse des algorithmes d’ordonnancement des ressources spectrales et temporelle du réseau 4G dont l’objectif est de minimiser la puissance totale tout en assurant la QoS de chaque communication et prenant en compte l’agrégation de porteuses dans le cadre multi-utilisateurs et multi-cellules: La téléphonie mobile de 4ème génération, nommée LTE-Advanced permettra d’atteindre en théorie des débits descendants de 1Gb/s. Pour atteindre ce débit, il est nécessaire d’agréger plusieurs porteuses entre elles. La technique Carrier Aggregation (CA), déjà utilisée en Wi-Fi, permet l’utilisation conjointe de 2 canaux à 5 canaux de 20 MHz de bandes continues ou non.

Résumé de la thèse en anglais
The objective of the work is to implement automatic tools to control each communication and each BS situated in a certain area in order to maintain the QoS of users in case of carrier aggregation of one or more transmissions. As a result, dynamic spectrum allocation and dynamical coverage area has to be defined in each cell (serving and neighbouring cells) 8]. Some technical problems need to be solved as for example, the impact of CA in the capacity of the system, how to handle handover and load-balancing of one or more aggregated carrier, how to jointly tune Antenna configurations and CA with modulation scheme and transmitted power to improve coverage and capacity

Description complète du sujet de thèse
Concept
La téléphonie mobile regroupe de nos jours un ensemble de systèmes d’accès radio (RAN) complémentaires tels que la 2G (GERAN), la 3G (UTRAN) et la 4G (EUTRAN). L’objectif du déploiement et du maintien de ces différents accès radio est de permettre un accès nomade à haut débit. Pour l’opérateur, l’enjeu est d’améliorer la capacité du réseau en tenant compte de ces différentes technologies qui cohabitent ensemble. Actuellement, concernant le réseau 2G et 3G, de nombreux paramètres sont ajustés manuellement sur chaque station de base tels que: la planification cellulaire, la configuration (Puissance, Handover, Tilt, …) et la gestion des stations. 1]2][3] Dans ce contexte, les opérateurs doivent faire face à la fois à la gestion de leur réseau (configuration optimale des stations de base) tout en introduisant de nouveaux services et en garantissant la satisfaction (QoE) de chaque utilisateur. Pour faciliter cette tâche et réduire l’OPEX (cout d’exploitation), l’organisme 3GPP a défini plusieurs scénaris d’auto-optimisation des équipements actifs du réseau mobile via une procédure nommée SON – Self-Optimization Network. L’objectif du SON est d’une part d’optimiser le réseau cellulaire en temps réel en implémentant des algorithmes permettant d’adapter le réseau aux nombres d’utilisateurs et aux services désirés (QoS) et d’autre part de ré-organiser le réseau en cas de panne d’une station de base, ou en cas d’extinction de stations de bases pour réduire la consommation énergétique des équipements (Green).
Le SON se définit donc comme un processus s’appuyant sur les mesures effectuées entre les terminaux (UE) et les stations de base (BS) pour auto-ajuster les paramètres radios. Les paramètres à réguler sont la puissance de transmission, le tiltage d’antennes, les informations des cellules voisines pour le Handover et d’autres paramètres gérés par les couches basses (RRC/MAC/PHY). Le SO doit donc:
 favoriser l’équilibrage de charge (MLB: Mobile Load Balancing)
 améliorer la robustesse des liens mobiles (MRO: Mobile Robustness Optimization)
 améliorer la capacité et la couverture (CCO: Capacity and Coverage Optimization)
L’objectif du MLB est de distribuer le trafic réseau entre les cellules favorisant ainsi le transfert d’une communication d’une cellule congestionnée vers une cellule moins chargée. Ceci peut être obtenu de manière dynamique en modifiant les critères de Handover (HO) ou en modifiant le tiltage des antennes. Néanmoins, le risque est d’augmenter le nombre de Handover Failure, et l’optimisation consistera donc à prendre en compte les mesures de réussite ou d’échec du transfert de trafic. Le MRO permettra en parallèle de résoudre ce point (HO Failure) en ajustant le moment de prise de décision du HO (HO timing). Outre ces optimisations, le CCO a pour objectif d’optimiser la capacité de la cellule et la couverture de la cellule avec une décision commune à l’ensemble des cellules: La modification de la couverture impacte obligatoirement avec les cellules voisines. En même temps, pour minimiser l’accès au réseau, la fonction d’accès aléatoire (RACH) pourra être prise en compte [4]. Le SON est inscrit depuis la release 7 du 3GPP mais les solutions sont loin d’être apportées et aucun aspect du SON ne traite actuellement de l’agrégation de porteuse, concept introduit uniquement à partir de la release 10.
Nous proposons donc d’étudier dans cette thèse l’auto-optimisation du réseau prenant en compte l’agrégation de porteuses: La téléphonie mobile de 4ème génération, nommée LTE-Advanced permettra d’atteindre en théorie des débits descendants de 1Gb/s. Pour atteindre ce débit, il est nécessaire d’agréger plusieurs porteuses entre elles. La technique Carrier Aggregation (CA), déjà utilisée en Wi-Fi, permet l’utilisation conjointe de 2 canaux à 5 canaux de 20 MHz de bandes continues ou non.
Enjeux
Aujourd’hui pour concilier les bénéfices du CA et du SON, deux couches de la pile protocolaire du LTE doivent être abordées. La couche physique doit être implémentée puisque celle-ci est en charge du débit, du tiltage et de puissance de transmission, et la couche MAC (Medium Access Control) doit être étudiée car celle-ci est en charge du partage de ressource dans un contexte multi-utilisateurs. Ainsi, l’étude consiste à mettre en place un algorithme entre couche (Cross-layer) pour répondre au problème d’auto-optimisation du réseau en répartissant les ressources spectrales en fonction du temps (Scheduling).
L’algorithme d’allocation des ressources (Scheduling) [5][6] dépend du débit et de la QoS demandée par chaque utilisateur, ce qui signifie que chaque Composante Spectrale (CC: Component Carrier) doit être gérée en fonction du temps. Le Scheduling Algorithm est fondamental puisque cet algorithme gère chaque ressource fréquentielle en fonction du temps et permettra ou non l’agrégation des ressources pour atteindre la QoS demandée selon la disponibilité des ressources radio entre tous les utilisateurs d’une cellule et des cellules voisines [7]. En effet, pour améliorer les ressources d’un utilisateur, le système devra transférer une partie du trafic vers les cellules voisines.
La technique CA permettra non seulement d’atteindre des débits plus importants, mais permettra aussi d’améliorer la couverture du réseau en diminuant la valence de la modulation ce qui permettra de réduire la puissance de transmission et donc les interférences. En particulier, CA et SO peuvent être implémentés conjointement afin d’améliorer les performances des réseaux cognitifs.
L’objectif de cette thèse consiste donc à utiliser les outils de l’automatique non linéaire afin de contrôler chaque communication entre BS et UE dans un ensemble de cellules (LA: Location Area) tout en conservant la QoS grâce à l’augmentation du nombre de porteuses (CA). Ainsi, un algorithme centralisé permettra d’optimiser l’allocation spectrale de chaque cellule [8].
Des problèmes techniques doivent être étudiés comme l’impact du CA sur la capacité du système. Au cours de cette thèse nous allons notamment répondre aux questions suivantes:
 comment gérer le Handover et le LoadBalancing lorsqu’une ou plusieurs porteuses sont agrégées
 comment configurer automatiquement les antennes (azimuth) avec la technique de CA toute en modifiant la valence des techniques de modulation et en paramétrant la puissance d’émission des mobiles
 Quels sont les impacts cumulés sur la couverture et la capacité du réseau par modification de plusieurs paramètres.

Objectifs scientifiques de la thèse
L’objectif de cette thèse consiste donc à utiliser les outils de l’automatique non linéaire afin de contrôler chaque communication entre BS et UE dans un ensemble de cellules (LA: Location Area) tout en conservant la QoS grâce à l’augmentation du nombre de porteuses (CA). Ainsi, un algorithme centralisé permettra d’optimiser l’allocation spectrale de chaque cellule

Compétences à l’issue de la thèse
Minimisation de la puissance consommée et gestion d’Algorithme d’ordonnancement pour maintenir la QoS tout en minimisant la puissance totale.
L’étudiant connaitra la norme 4G.

Mots clés (séparés par des virgules)
LTE, 4G, Scheduling, ordonnancement, FeedForward, Automatique non linéaire
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Modalité de dépôt de candidature
Envoyer CV, avec relevé de notes M1 et M2, et lettre de motivation au directeur de thèse.

Date limite de candidature
30 avril 2013

Directeur de thèse
Patrick Coirault
Adresse mail du directeur de thèse : [patrick.coirault@univ-poitiers.fr
Téléphone Directeur de thèse : 0549453510

Co-directeur de thèse
frederic launay
Adresse mail du co-directeur de thèse : [frederic.launay@univ-poitiers.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 0549453510
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : OUI

Action transverse concernée et justification
Cf projet QoS/QoS pour le lTE-Advanced présenté dans le cadre de la Fédération MIRES
Fichier annexe (pdf) : Sujet_de_These_FL

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