Planification d'un réseau de quatrième génération à partir d'un réseau de troisième génération

Avec l'arrivée des technologies 3G, les réseaux de télécommunications ont connu une grande expansion. Ces réseaux ont permis l'intégration de nouveaux services et un débit adéquat, permettant ainsi aux opérateurs de répondre à la demande croissante des utilisateurs. Cette rapide évolution a porté les opérateurs à adapter leurs méthodes de planification aux nouvelles technologies qui, augmentent la complexité au niveau du réseau. Cette complexité devient plus importante quand ces réseaux regroupent plusieurs technologies d'accès différents en un réseau hétérogène, comme dans le cas des réseaux mobiles de prochaine génération ou réseaux 4G. La planification fait alors intervenir de nouveaux défis tels que: l'augmentation considérable des demandes de services, la compatibilité avec les réseaux actuels, la gestion de la mobilité intercellulaire des utilisateurs et l'offre d'une qualité de services les plus flexibles. Ainsi, pour créer un réseau flexible aux ajouts et aux retraits d'équipements, une bonne méthode de planification s'impose. C'est dans ce contexte que se situe ce mémoire, qui vise à faire la planification d'un réseau 4G à partir d'un réseau 3G existant. De façon générale, le problème de planification fait intervenir plusieurs sous-problèmes avec chacun un niveau de complexité différent. Dans ce travail, le sous-problème qui est traité concerne l'affectation des cellules aux commutateurs. Ce problème consiste à déterminer un patron d'affectation qui permet de minimiser le coût d'investissement des équipements du réseau 4G, tout en maximisant l'utilisation faite des équipements du réseau 3G déjà en place. Ainsi, la solution proposée est un modèle mathématique dont l'expression prend la forme d'un problème de minimisation de fonction, assujetti à un ensemble de contraintes. Il s'agit d'une fonction de coût qui regroupe: l'affectation des cellules (eNode B) aux MME et aux SGW, et l'affectation des SGSN aux MME et aux SGW. Puisque les MME et SGW peuvent être rassemblés dans une seule passerelle, une entité nommée SGM a été défini. Ainsi, la fonction prend en compte les coûts des affectations des eNode B et des SGSN aux SGM. Ce modèle est sujet aux contraintes de capacités des SGM et aux contraintes d'unicité sur les affectations des eNode B et SGSN aux SGM. Le modèle mathématique proposé est constitué des coûts de liaisons des équipements du réseau 4G, des coûts de liaisons inter-réseaux, des coûts de relèves horizontales (intra réseau 4G) et des coûts de relèves verticales (inter-réseau 3G-4G). Le problème étant prouvé NP-difficile, la performance du modèle sera évaluée au moyen d'une méthode heuristique basée sur la recherche taboue. Pour adapter l'heuristique au problème d'affectation dans les réseaux 4G, des mouvements de réaffectation et de déplacement des nœuds eNode B et SGSN ont été définis. De même, un mécanisme de calcul de gain a été proposé, permettant d'évaluer l'apport de chaque mouvement sur le coût de la solution courante. Ainsi, les résultats numériques obtenus de l'implémentation de cette méthode, montrent que la méthode taboue accuse un écart moyen ne dépassant pas 30\% par rapport à la solution optimale. Alors que pour certains réseaux, l'heuristique a été en mesure de trouver des résultats ayant un écart moyen ne dépassant pas 1\% par rapport à la solution optimale trouvée dans les simulations.

Abstract

With the advent of 3G technologies, mobile networks have expanded greatly. These networks have enabled the integration of new services and an enough bandwidth, allowing operators to meet the growing demand of users. This rapid evolution has led the operators to adapt their planning approach that come with new challenges. Those challenges become more important when these networks are designed to support different radio access technologies within a heterogeneous mobile network, like 4G networks. In this case, planning those networks involves other challenges, such as the considerable increase in services requests, compatibility with existing networks, management of intercellular mobility of users and a good quality of offered services. Thus, in order to create a network that allows to add or to remove components, good planning approach is needed. It is in this context, this paper aims to address the problem that occurs when the planning of a 4G network is based on an existing 3G network. The planning issue involves several sub-issue with a different level of complexity for each of them. This work mainly addresses the cell assignment problem regarding the 4G networks. Thus, the proposed solution is a mathematical model. This model has mainly two objectives: the assignment between 4G nodes, and the assignment between 3G and 4G nodes. Since the MME and SGW can be aggregated into a single gateway, an entity named SGM has been set. Thus, the model becomes a cost function involving assignments eNode B and SGSN to SGM. This model is subject to capacity constraints of SGM, and unique constraints on assignments eNode B and SGSN to SGM. The proposed model includes: the link's costs of 4G-network equipment, the link's costs between 3G and 4G equipment, the horizontal handoff costs (intra 4G network) and the vertical handover costs (inter-3G-4G). The problem is NP-hard, a tabu search algorithm will be used. To adapt this heuristic, movements have been defined to reallocate and move nodes eNode B and SGSN in order to improve the cost of the current solution. The results of the implementation show a gap which is less then 30\% between the TS results and left bound value. For others networks size, the gap is sometimes less then 1\% compare to the left bound value.