Analyse des performances et dimensionnement des réseaux mobiles 5G basés sur le TDD avec différents modèles géométriques

TDD based 5G networks performance analysis and radio resource dimensioning with different network geometry models

• Auteur / Autrice : Jalal Rachad
• Direction : Laurent Decreusefond, Ridha Nasri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et informatique
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Télécom Paris (Palaiseau ; 1977-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Bartłomiej Błaszczyszyn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Guérin-Lassous
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anthony Claude Busson, Lina Mroueh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Technologie 5G

Mots clés libres

Dynamique TDD

5G

Probabilité de couverture

ISR

OFDMA

PLP

Dimensionnement

DynamicTime Division Duplex (TDD)

5G

Coverage probability

Interference to Signal Ratio (ISR)

OFDMA

PLP

Dimensioning

Résumé

Une nouvelle génération des réseaux mobiles, connue sous le nom de 5G NR, est en cours de standardisation à travers des améliorations apportées à son prédécesseur 4G/4G+. 5G NR va introduire un nouveau niveau de flexibilité, scalabilité et efficacité afin de satisfaire plusieurs classes de services. Le mode de duplexage TDD est le plus favorable pour 5G NR grâce aux avantages qu’il représente par rapport au mode FDD en termes de capacité, flexibilité et convenance de déploiement avec les autres technologies attendues dans le cadre de la 5G comme FD-MIMO. Une variante du TDD, connue sous le nom du dynamique TDD (D-TDD), attire de plus en plus l’attention. D-TDD est désigné pour l’adaptation des configurations des sous-trames DL et UL en se basant sur une estimation instantanée du trafic. Cependant, l’utilisation de ce mode nécessite l’implémentation des mécanismes capable de réduire deux types d’interférence additionnelles : l’interférence générée par les stations de bases qui impacte le signal UL des utilisateurs et l’interférence générée par les mobiles en UL qui interfère avec le signal DL des stations de base. La première partie de cette thèse est consacrée à l’analyse des performances du mode D-TDD en termes de ISR et de la probabilité de couvertures dans 2 types de déploiement : macro-cells et small-cells. Ensuite, nous proposons deux techniques de mitigation des interférences dont la première est destinée aux macro-cells et basée sur le 3D beamforming tandis que la 2ème est le cell clustering et appliquée au small-cells. Dans la 2ème partie de cette thèse, nous étudions la problématique du dimensionnement de l’OFDMA qui sera une technologie de base pour la 5G NR. Etant donné que le dimensionnement des ressources radio est une tâche primordiale dans l’ingénierie radio, nous proposons un modèle analytique qui permet la réalisation de cette tâche en considérant un scheduling proportional fair. Nous distinguons entre 2 types d’utilisateurs : utilisateurs indoor qui sont modélisés par un PPP spatial et utilisateurs outdoor qui sont modélisés selon un processus de Cox conduit par un PLP. Plusieurs résultats analytiques et numériques sont exposés afin de justifier l’exactitude et la précision de ce modèle.

A new generation of cellular networks, known as 5G new radio (NR), has been standardized through improvements in the current 4G/4G+ concepts and features in order to bring a new level of flexibility, scalability and efficiency. Time division duplex (TDD) is expected to be one of the key features of 5G NR since it offers more advantages than frequency division duplex (FDD) mode in terms of capacity, flexibility and implementation adequacy with other features, such as full dimension multiple input multiple output antenna (FD-MIMO) technology. A variant operational mode of TDD, known as D-TDD, is in the scope. It is designed to deal with uplink (UL) and downlink (DL) traffic asymmetry since it is based on instantaneous traffic estimation and offers more flexibility in resource assignment. However, the use of D-TDD requires new interference mitigation schemes capable to handle two additional types of interference called cross link interference (CLI) and stands for DL to UL and UL to DL interference. The first part of this thesis is devoted to tackle the problem of interference modeling in D-TDD based macro-cell and small-cell deployments. We provide a complete analytical approach to derive relevant metrics, such as interference-to-signal-ratio (ISR) and the coverage probability formulas, considering adequate geometry models for each type of deployment. Then, we propose an interference mitigation scheme based on 3D beamforming for macro-cells and a cell-clustering scheme for small-cells. Additionally, we investigate another problematic which is Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) radio resource dimensioning. Since 5G NR takes in consideration a wide array of emerging use cases and also the possibility of having future requirements, the third Generation Partnership Project (3GPP) comes up with a variant of OFDM known as scalable OFDM and having different sub carriers' spacing. This feature appears to be an ideal choice for 5G NR since it offers a high spectral efficiency, robustness to selective fading channels, convenience with diverse spectrum bands and compatibility with other features. Therefore, dimensioning OFDM is a major task to accomplish in the context of NR. To this purpose, we provide an analytical model to dimension OFDM based systems with a proportional fair resources' allocation policy. We model indoor users by a spatial PPP and outdoor users according to a Cox process driven by PLP. Different analytical and numerical results are provided to justify the accuracy of this model.