Modélisation et conception d'un simulateur 5G grande échelle

Ce mémoire aborde les enjeux concernant la simulation à grande échelle de réseaux 5G. L'objectif de la recherche est de modéliser et implémenter un simulateur à l'échelle d'une ville permettant de refléter les impacts de l'utilisation de la 5G. Afin de réaliser cet objectif, un simulateur de référence est utilisé comme base de développement. Ce simulateur de référence est un simulateur LTE permettant la simulation à grande échelle. Ce simulateur fait abstraction des paquets de contrôle en implémentant des fonctionnalités de contrôle de manière stochastique, par exemple, en modélisant la procédure de connexion aléatoire par un délai aléatoire, tout en considérant les collisions. Une base de données contenant des informations d'emplacement de mobiliers urbains de la ville de Montréal est utilisée dans ce simulateur. Cette base de données nous permettra de simuler l'emplacement de senseurs clés pour le bon fonctionnement d'une ville intelligente. De plus, l'emplacement véritable d'antennes 4G est aussi considéré. Le projet Axionaut5G effectué en collaboration avec l'industrie, consistant à déporter le calcul d'un véhicule autonome sur un réseau 5G, est utilisé afin de comparer les résultats simulés avec un cas d'usage utilisant un réseau 5G expérimental. Les spécifications techniques du 3GPP sont explorées afin de caractériser quels sont les innovations significatives qu'apporte la 5G au niveau de la simulation. Une des innovations amenées par la 5G est l'ajout de fréquences plus élevées via la bande de fréquences FR2 (24,25 à 52,6 GHz). Ces nouvelles fréquences apportent le besoin pour de nouveaux modèles de propagations tirés des spécifications techniques et de la littérature. Plus spécifiquement, des antennes à 28 GHz sont étudiées. La position de ces nouvelles antennes est déterminée en considérant le positionnement des antennes sur les feux de circulation existants dans le centre-ville et en ajustant la puissance afin d'obtenir une puissance de -80 dBm à une distance de 50 m sans être en ligne de vue. Plusieurs éléments de l'accès sont aussi altérés permettant l'ajout de l'état de connexion inactive, la considération des fonctionnalités des nouveaux types de préambules lors de l'accès aléatoire, l'utilisation de FDD (non implémentée dans le simulateur de référence), la gestion des formats de trame dépendent du SCS et bien d'autres fonctionnalités d'accès. Trois autres éléments sont implémentés. La considération d'applications URLLC, permettant aux paquets d'être dans une file d'attente prioritaire dans l'ordonnanceur. Les applications de type edge, permettant de communiquer avec un serveur situé à la station de base. Les tranches réseaux, permettant de réserver des ressources dans l'ordonnanceur et une distribution de délais spécifique est assignée au niveau du réseau cœur.

Abstract

The subject of this thesis is 5G simulations, more precisely, large scale 5G simulations. 3GPP technical specifications are explored to retrieve innovations which have large impacts on simulations. Based on these innovations and other research on 5G applications and LTE and 5G simulators, a 5G large scale simulator is developed. The goal of this thesis is to model an implement a large scale simulator reflecting the innovations brought by the 5G technology. To accomplish this goal, the 5G simulator is build upon another simulator. This reference simulator is a large scale LTE simulator. It doesn't considers control packets and models control routines with stochastic distributions. In this work, the city of Montreal is used as reference. One of the innovation brought by the 5G is making use of the FR2 frequency band (24.25 to 52.6 GHz). To properly use these new frequencies, new propagation models found in the literature and in technical specifications must be used. More specifically, 28 GHz antennas are considered. The position of these new antennas must be determined. They are considered placed on traffic lights in downtown Montreal. The power is adjusted so that the receiving power is -80 dBm at 50m in non line of sight. Many access elements are also implemented such as inactive connection status and FDD. Three other elements of 5G are considered. The first one is URLLC packets, which have a dedicated priority queue in the scheduler. The second one is edge applications. In this case, a server is considered to be located at the base station. The third one is network slicing. Slices are modelled as reserved resources in the scheduler and a common delay distribution for the core network transition. Following the implementation, large scale tests are conducted with 3 applications with different requirements. The maximum number of UE generated is 19 487 UE, 718 of them which where considered to have high network requirements. Test results are coherent with implemented 5G features. In particular, we observe resources increase when using FR2 frequencies, low connection time due to inactive connection mode, priority of URLLC packets and low total latency for edge type application. These tests also analyze performances of the 3 hypothetical applications, showing that applications with high throughput and latency requirements are not suited for FR1 frequencies with the selected network layout and parameters. A use case for a 5G antenna is explored. More precisely, an autonomous miniature vehicle application named Axionaut5G was tested on the experimental 5G network of ENCQOR. Results of field tests with this application are used to model this application in the simulator and simulation results are compared with field results.