Convergence des réseaux de télécommunications mobiles et de télédiffusion : modélisation et évaluation des performances d’un réseau hybride LTE/DVB-T2

Convergence of broadcastand mobile broadband : modeling and performance evaluation of a LTE/DVB-T2 hybrid network

• Auteur / Autrice : Nicolas Cornillet
• Direction : Jean-François Hélard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et télécommunications
• Date : Soutenance le 18/12/2013
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Douillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Hélard, Catherine Douillard, Guillaume Gellé, Vahid Meghdadi Neyshabouri, Christian Gallard, Matthieu Crussière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Gellé, Vahid Meghdadi Neyshabouri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiocommunications mobiles

Convergence (télécommunications)

Qualité de Service (télécommunications)

Télédiffusion

LTE (norme)

Mots clés libres

DVB-T2

Réseaux hybrides

Wire broadcasting

Network performance (Telecommunication)

Convergence (Telecommunication)

Mobile communication systems

Résumé

Ces dernières années, la popularité croissante de terminaux mobiles de plus en plus intelligents a provoqué une hausse considérable du trafic supporté par les réseaux de télécommunications cellulaires. Dans ce contexte, le déploiement de réseaux dits de quatrième génération basés sur le standard LTE (Long Term Evolution) et offrant des capacités significativement plus élevées que les réseaux de générations précédentes peut sembler être une solution idéale. Cependant, dans le cas d’un service à délivrer à un très grand nombre d’utilisateurs, ce standard, malgré la disponibilité de la technologie eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services), n’est pas forcément le plus adapté. Dans le même temps, la télévision a achevé dans de nombreux pays sa transition vers le numérique. L’abandon de la transmission analogique a permis non seulement d’améliorer la qualité du service mais aussi d’occuper moins de spectre. En France, une partie du spectre libéré a déjà été attribué au déploiement de réseaux LTE. Une autre méthode permettant d’exploiter ce spectre au profit des réseaux de communications mobiles est proposée dans cette thèse : le réseau hybride. Le réseau hybride est constitué d’un réseau cellulaire au standard LTE accompagné d’un émetteur DVB-T2 (Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial). Les aires de couverture de ces deux composantes se superposent et un service peut être transmis aux utilisateurs présents dans ces aires indifféremment par l’une ou l’autre des composantes. Ce concept permet de pallier un point faible du standard LTE, c’està- dire la capacité à délivrer efficacement un même service à un grand nombre d’utilisateurs simultanément. Après une étude approfondie des deux standards utilisés, un modèle mathématique du réseau hybride est proposé. Ce modèle se base sur les propriétés géométriques du réseau hybride, les performances des deux types de signaux utilisés, et sur plusieurs types de répartition des utilisateurs pour évaluer les performances du réseau hybride selon différents critères. Le premier critère étudié est un critère énergétique. Le modèle proposé permet de comparer les efficacités énergétiques des deux composantes pour transmettre un service en fonction de son nombre d’utilisateurs. L’efficacité de la composante DVBT2 dépasse celle de la composante LTE à partir d’un seuil dont la valeur varie avec les propriétés géométriques du réseau et le type d’affaiblissement de propagation auquel sont soumis les signaux. Il est de plus possible, dans certaines circonstances, d’améliorer encore l’efficacité énergétique du système en utilisant conjointement les deux composantes. Le second critère étudié est celui de l’encombrement du réseau cellulaire. En effet, un service consommé par un grand nombre d’utilisateurs peut avoir un impact conséquent sur le trafic à transmettre par un réseau LTE. Utiliser la composante DVB-T2 pour distribuer un tel service permet de réduire la charge du réseau cellulaire, et ceci même dans le cas où la composante DVB-T2 ne couvre pas l’ensemble de la zone à desservir globalement. Ces différentes études ont permis de bien mettre en évidence les avantages et inconvénients des deux types de réseaux broadcast et unicast. En particulier, l’intérêt d’une approche reposant sur l’utilisation d’un réseau hybride exploitant la complémentarité des deux composantes broadcast et unicast a été démontré.

During the last few years, the growing popularity of smarter and smarter mobile devices has led to a tremendous growth of cellular data traffic. In such a context, the deployment of fourth generation networks based on the LTE (Long Term Evolution) standard and with capacities significantly higher than previous generations networks can be seen as an ideal solution. However, when the number of users requiring a given service is large, this standard, despite the availability of the eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services) technology, is not necessarily the most suitable. Meanwhile, television has completed its transition to the digital transmission in many countries. The analog switch-off has not only allowed a better quality of service but has also freed some spectrum. In France, some of this spectrum has already been used for the deployment of LTE networks. This thesis introduces another way to use this spectrum to the benefit of mobile data networks: the hybrid network. The hybrid network consists of a LTE cellular network and a DVB-T2 (Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial) transmitter. The coverage areas of the two components are overlapping and a service can be delivered to the users located in these areas by either one or the other of the components. This concept can compensate one weakness of the LTE standard, which is the ability to deliver efficiently the same service to a large number of users simultaneously. After a thorough study of the two standards in use, a mathematical model of the hybrid network is proposed. This model is based on the geometrical properties of the network, the performances of the two types of signal, and different types of users distribution to measure the performances of the hybrid network using different criteria. The first criterion is the energy efficiency. The proposed model allows the comparison of the two components in terms of energy efficiency for one service depending of the number of its users. The DVB-T2 component outperforms the LTE component when the number of users exceeds a given threshold whose value depends on the geometric properties of the network and the type of path loss attenuating the signals. It is possible, in some cases, to further improve the energy efficiency of the system by using both components together. The second criterion is the network congestion. Indeed, a service with a great number of users can induce significant data traffic for the LTE network. Transmitting such a service through the DVB-T2 component can decrease the cellular data traffic even if the DVB-T2 component does not cover the whole area of interest. These studies have brought out the benefits and drawbacks of both broadcast and unicast networks. Especially, the interest of the hybrid network based on the complementarities between the two components has been demonstrated.