Soutenance mémoire
Le réseau de cinquième génération (5G) est le futur des réseaux d’information. Il ne constitue pas vraiment d’une avancée supplémentaire de la quatrième génération (4G), mais un autre type de modèle de système mobile qui prend en charge des fréquences élevées, des extrêmes densités de nœuds, des antennes à grande échelle, une bande passante énorme, etc. Avant d’entrer dans les détails de la structure et des caractéristiques de la cinquième génération, il semble que la nécessité de concevoir un tel réseau devrait être clairement expliquée. Par conséquent, il est instructif d’examiner les générations antérieures des réseaux mobiles.
Evolution des réseaux mobiles
Les réseaux mobiles de la première génération (1G)
La première génération de réseaux mobiles émergeait au cours des années 1980, et est caractérisée par une multitude de technologies introduites en parallèle à travers le monde. On peut citer les technologies suivantes:
❖ AMPS (Advanced Mobile Phone System) aux Etats-Unis;
❖ TACS (Total Access Communication System) au Japon et au Royaume-Uni ;
❖ NMT (Nordic Mobile Telephone) dans les pays scandinaves ;
❖ Radiocom2000 en France ;
Ces systèmes devaient offrir un service de téléphonie en mobilité. Cependant, ils ne parviennent pas à réellement franchir les frontières de leurs pays d’origine et aucun système ne s’imposa en tant que véritable norme internationale. Cette hétérogénéité résultait principalement des cloisonnements nationaux en vigueur à l’époque, dans le domaine des télécommunications. De ce fait, elle impliquait l’incompatibilité des systèmes et l’impossibilité d’itinérance, aussi appelée roaming. Cet échec relatif fut primordial dans la reconnaissance par les différents pays de la nécessité de définir des normes de téléphonie mobile à l’échelle internationale. D’un point de vue technique, ces systèmes étaient basés sur un codage et une modulation de type analogique. Ils utilisaient une technique d’accès multiples appelée AMRF (Accès Multiple par Répartition en Fréquence) ou, en anglais FDMA (Frequency Division Multiple Access), associant une fréquence à un utilisateur. La capacité de ces systèmes demeurait très limitée, seulement de l’ordre de quelques appels voix simultanés par cellule. Cette contrainte de capacité, ainsi que les coûts élevés des terminaux et des tarifs de communication ont restreint l’utilisation de la 1G à un très faible nombre d’utilisateurs (60000 utilisateurs, en 1988, en France). Par ailleurs, les dimensions importantes des terminaux limitaient significativement leur portabilité.
Les réseaux mobiles de deuxième génération (2G)
La deuxième génération de réseaux mobiles est, elle aussi, marquée par le nombre de systèmes ayant été définis et déployés à travers le monde. On retrouve le GSM (Global System for Mobile Communications) en Europe, le PDC (Personal Digital Communications) au Japon et l’IS-95 aux Etats-Unis. Ces systèmes dans leurs versions initiales donnaient accès au service voix en mobilité, mais aussi aux messages textes courts plus connus sous le nom de SMS (Short Message Service). En complément, ces systèmes permettaient des transferts de données à faible débit. Les progrès technologiques réalisés dans la conception de circuits hyperfréquences et de dispositifs de traitement numérique du signal permirent une réduction de la taille des terminaux, autorisant une réelle mobilité.
De ces trois systèmes, GSM est celui qui a rencontré le plus large succès. Il fut déployé dans un grand nombre de pays, et a permis l’itinérance entre ces derniers. Il devint le premier système déployé sur quasiment l’ensemble du globe.
Les systèmes 2G ont pour principal point commun d’être basés sur des codages et des modulations de type numérique. Des techniques d’accès multiples plus élaborées que FDMA furent employées. Par exemple, GSM et PDC sont basés sur une répartition en fréquences FDMA entre les cellules, combinées à une répartition en temps sur la cellule appelée TDMA (Time Division Multiple Access), ou en français AMRT (Accès Multiple à Répartition dans le Temps). D’autre part, les voies montantes et descendantes sont séparées en fréquence. L’IS-95 utilise une répartition par codes appelée CDMA (Code Division Multiple Access). GSM utilise la modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Le succès des systèmes 2G fut et demeure considérable. Toutefois, ils présentent plusieurs limites. La plus importante est d’ordre capacitaire, impliquant des rejets d’appels aux heures les plus chargées de la journée. La seconde est d’ordre fonctionnel. A ses débuts, GSM utilisait un réseau cœur à commutation de circuit par lequel l’accès aux services de données était particulièrement lent. Afin d’accroitre les débits fournis, le réseau d’accès GSM fut connecté à un réseau cœur appelé GPRS (General Packet Radio Service). Cette évolution améliora la prise en charge des services de données. En complément de ce développement, la technologie d’accès EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) rendit possible des débits de l’ordre de 240 Kbit/s par cellule, grâce à l’amélioration des techniques d’accès au canal radio. Elle a introduit l’utilisation d’une nouvelle modulation sur l’interface radio, le 8-PSK (Phase-Shift Keying). Toutefois, à la fin des années 1990, les débits fournis par les réseaux 2G étaient encore trop limités pour que l’accès aux services de données soit fluide. Cette limitation fut à l’origine de la définition des technologies 3G.
Les réseaux mobiles de troisième génération (3G)
La troisième génération de réseaux mobiles regroupe deux familles de technologies ayant connu un succès commercial : l’UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), issu du GSM et largement déployé autour du globe, et le CDMA2000, issu de l’IS-95 et déployé principalement en Asie et en Amérique du Nord. Les interfaces radio de ces deux familles reposent sur des caractéristiques techniques proches, notamment le CDMA. Dans ce qui suit, nous nous concentrons sur l’UMTS, car c’est cette famille de technologies qui va engendrer la cinquième génération.
L’UMTS
La 3G est caractérisée par la volonté des industriels de télécommunications de définir une norme au niveau mondial. Les enjeux étaient d’offrir une itinérance globale aux utilisateurs, mais également de réduire les coûts unitaires des terminaux mobiles et des équipements de réseau. Dans cette perspective, ces entreprises, en particulier celles issues du monde GSM, sesont regroupées ausein d’un consortium appelé 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Cette démarche aboutit à l’élaboration de la norme UMTS à la fin des années 1990. Cette première version de la norme est appelée Release 99. Les innovations associées au système UMTS ont principalement trait au réseau d’accès, celui-ci s’interfaçant avec le réseau cœur du GPRS. Les objectifs de l’UMTS étaient d’accroitre la capacité du système pour le service voix mais surtout d’améliorer le support des services de données.
L’UMTS utilise la modulation BPSK (Binary Phase Shift Keying) pour la voie montante, la modulation QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) pour la voie descendante, et la technique d’accès W-CDMA (Wideband CDMA). Cette dernière est basée sur le CDMA, et supporte les deux schémas de communication FDD (Frequency Division Duplexing) et TDD (TimeDivision Duplex). Le W-CDMA autorise la connexion simultanée à plusieurs cellules, renforçant la qualité des communications lors du changement de cellule en mobilité. Elle est limitée à un débit maximal de 384Kbits/s dans les sens montant et descendant.
L’UMTS connaît deux évolutions majeures:
● Le HSPA (High Speed Packet Access)
● Le HSPA+ .
Les évolutions HSPA
Rapidement, la volonté d’effacer les limites de la Release 99 en matière de débits apparut. Les évolutions HSPA, aujourd’hui connues commercialement sous le nom de 3G+, furent introduites:
● HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) pour la voie descendante ;
● HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) pour la voie montante.
Ces évolutions ont été définies par le 3GPP, respectivement en Release 5 (2002) et en Release 6 (2005), afin d’accroitre les débits possibles et de réduire la latence du système. L’innovation principale du HSPA concerne le passage d’une commutation circuit sur l’interface radio, où des ressources radio sont réservées à chaque UE (User Equipement) pendant la durée de l’appel, à une commutation par paquets, où la station de base décide dynamiquement du partage des ressources entre les UE actifs. La modulation et le codage sont rendus adaptatifs afin de s’adapter aux conditions radio de l’UE au moment où il est servi, les débits instantanés étant accrus via l’utilisation de modulations à plus grand nombre d’états qu’en release 99. La modulation 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) est introduite pour la voie descendante en complément de la modulation QPSK. De même, la modulation QPSK est introduite pour la voie montante en complément de BPSK. Enfin, un nouveau mécanisme de retransmission rapide des paquets erronés, appelé HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) est défini entre l’UE et la station de base afin de réduire la latence du système en cas de perte de paquets. Ces évolutions offrent aux utilisateurs des débits maximum de 14,4 Mbit/s en voie descendante et de 5,8 Mbit/s en voie montante, ainsi qu’une latence réduite.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LES RESEAUX 5G
1.1 Introduction
1.2 Evolution des réseaux mobiles
1.2.1 Les réseaux mobiles de la première génération (1G)
1.2.2 Les réseaux mobiles de deuxième génération (2G)
1.2.3 Les réseaux mobiles de troisième génération (3G)
1.2.4 Les réseaux mobiles de quatrième génération (4G)
1.2.5 Limites du réseau 4G
1.2.6 Vers les réseaux mobiles de cinquième génération (5G)
1.3 Etude détaillée du réseau 5G
1.3.1 Présentation du réseau 5G
1.3.2 Les 10 piliers du réseau 5G
1.3.3 Architecture du réseau 5G
1.3.4 Les couches de l’interface radio du réseau 5G
1.3.5 Challenges du réseau 5G
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 RESEAU D’ACCES DU RESEAU 5G
2.1 Introduction
2.2 Nouvelles formes d’ondes
2.2.1 Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM)
2.2.2 Filterbank Multicarrier (FBMC)
2.2.3 Universal Filtered Multicarrier (UFMC)
2.2.4 Generalized Frequency-Division Multiplexing (GFDM)
2.3 Nouvelles techniques d’accès
2.3.1 Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)
2.3.2 Sparse Code Multiple Access (SCMA)
2.3.3 MultiUser Shared Access (MUSA)
2.3.4 Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 ETUDE DE GFDM ET DE NOMA
3.1 Introduction
3.2 Logiciels de simulations
3.2.1 LabVIEW
3.2.2 Matlab
3.3 La modulation GFDM
3.3.1 Emission OOB
3.3.2 PAPR
3.4 La technique d’accès NOMA
3.4.1 Optimisation de la capacité du réseau
3.4.2 Imperfection des récepteurs SIC
3.4.3 Compromis entre SE et EE
3.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
