Optimisation du placement et de l'assignation de fréquences d'antennes dans un réseau de télécommunications

All the mobile communication services available today rely on networks operated by telecommunications companies. To remain competitive, they have to conform to the market and cope with the ever growing number of users and the increase in their demands in terms of services and geographic coverage. They need to constantly improve their networks by upgrading their facilities and adding new ones. Expanding and maintaining a telecommunications network is very expensive, therefore minimizing the costs related to networks is a very important issue for operators. And yet, telecommunications networks have now become very complex systems, made up of various elements and depending on a large number of parameters which have to be considered when designing a network. Thus it is a difficult task and it would be very interesting for operators to have optimization tools to help them. The present work intends to lay the foundations for a new telecommunications network optimization method, in order to enable the future development of tools to help in the process of designing a network. The components at the root of a telecommunications network are antennas or base stations, which have to be placed wisely on the target territory in order to supply all users with mobile service. Placing antennas is difficult because antennas emitting at the same frequencies interfere, and the shape of their coverage zones can then be irregular and sensitive to variations of localization and frequencies. The goal of the method developed here is to optimize the localization of the antennas together with their frequency allocation. The approach used in this work breaks down into two stages. First, a telecommunications network model suitable to the optimization is developed and implemented as a computer program in order to perform simulations. The model needs to be accurate enough to give realistic results, but not to complex so as to allow quick simulations. An optimization algorithm is then developed, which uses a direct search method, the MADS algorithm, and a metaheuristic, the tabu search, and handles the network simulation as a black-box. The method is tested on various instances and results are presented and analysed. The results are encouraging, especially with the instance corresponding to an actual territory. Therefore the method seems a promising first step in the development of telecommunications networks optimization tools.

Résumé

Les nombreux services de communication mobile disponibles aujourd'hui reposent sur des réseaux d'infrastructures exploités par des opérateurs de télécommunications. Pour rester compétitifs, ils doivent s'adapter à la demande du marché et faire face à la croissance permanente du nombre d'utilisateurs ainsi qu'à l'augmentation de leurs exigences en termes de services et de couverture géographique. Il leur faut pour cela constamment améliorer leurs réseaux en mettant à niveau leurs installations existantes et en en ajoutant de nouvelles. Le déploiement et l'entretien d'un réseau de télécommunications étant très onéreux, la minimisation du coût lié aux infrastructures est un enjeu très important pour les opérateurs. Or les réseaux de télécommunications sont aujourd'hui devenus des systèmes très complexes, composés d'éléments variés et dépendant de très nombreux paramètres qui doivent être pris en compte lors de leur conception. La difficulté de conception d'un réseau est donc très élevée et il serait intéressant pour les opérateurs de pouvoir se munir d'outils d'optimisation conçus pour les aider dans cette tâche. Le présent travail se propose de poser les bases d'une nouvelle méthode d'optimisation d'un réseau de télécommunications, dans le but de permettre le développement futur de tels outils d'aide à la décision pour la conception de réseaux de télécommunications. Les constituants de base d'un réseau de télécommunications sont les antennes ou stations de base, qui doivent être placées judicieusement sur le territoire à couvrir pour fournir un service à tous les usagers. La difficulté de placement des antennes provient du fait que des antennes émettant aux mêmes fréquences interfèrent entre elles, donnant aux zones de couverture de chacune des formes irrégulières et sensibles aux variations de position et de fréquence. La méthode développée ici s'attache à optimiser la localisation des antennes conjointement avec leur assignation de fréquence. La démarche utilisée se décompose en deux étapes principales. Il est d'abord nécessaire de développer un modèle de réseau de télécommunications adapté à l'optimisation que l'on souhaite en faire et de l'implémenter sous forme de programme informatique afin d'effectuer des simulations. Le modèle doit être suffisamment précis pour donner des résultats concordant avec la réalité mais sans être trop complexe pour que les simulations puissent s'exécuter en un temps court. Un algorithme d'optimisation est ensuite développé, utilisant une méthode de recherche directe, l'algorithme MADS, et une métaheuristique, la recherche tabou, et traitant la simulation de réseau comme une boîte noire à optimiser. La méthode est testée avec différentes instances et les résultats sont présentés et analysés. Les résultats obtenus sont encourageants, en particulier avec l'instance correspondant à un territoire réel. La méthode semble donc pouvoir être utilisée comme point de départ pour le développement d'outils d'optimisation de réseaux de télécommunications.