FR2964290A1 - Methode d'allocation de ressources de transmission dans un reseau femtocellulaire - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne une méthode d'allocation de ressources de transmission dans un réseau femtocellulaire Dans une première étape, on attribue à un utilisateur du réseau un nombre minimal de ressources de transmission, un schéma de modulation et de codage ainsi qu'une première puissance d'émission, pour transmettre une première information avec une qualité de service requise par l'utilisateur. Dans une seconde étape, on attribue à l'utilisateur des ressources supplémentaires, non déjà attribuées à la première étape, pour transmettre une seconde information redondante par rapport à la première en réduisant corrélativement la puissance d'émission pour transmettre ladite première information.

Description

METHODE D'ALLOCATION DE RESSOURCES DE TRANSMISSION DANS UN RESEAU FEMTOCELLULAIRE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale le domaine des réseaux de télécommunication femtocellulaire et plus particulièrement l'allocation de ressources de transmission au sein d'un tel réseau. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une des dernières évolutions des réseaux de téléphonie mobile vise à fournir aux usagers une couverture radio à l'intérieur de bâtiments (indoor 15 coverage), pour un usage résidentiel ou en entreprise. Plus précisément, il est prévu d'intégrer de petites stations de base encore dénommées H-BS (Home Base Station) dans les boîtiers ADSL des fournisseurs d'accès Internet (FAI box) installés chez les usagers. 20 Chacune de ces petites stations de base constitue un point d'accès ou FAP (Femtocell Access Point) d'une cellule de très petite taille (de l'ordre d'une dizaine de mètres), dénommée pour cette raison femtocellule. Le point d'accès est connecté au réseau d'amenée (backhaul 25 network) de l'opérateur et bénéficie de ce fait d'une connexion large bande grâce à une fibre optique ou une ligne ADSL. Du côté de l'interface radio, le point d'accès peut fournir une liaison du type GSM, UMTS, WiMax, LTE, etc., selon la norme utilisée.10 On trouvera une description plus complète d'un système de télécommunication femtocellulaire sur le site http://www.femtoforum.org.
Dans la plupart des cas, les femtocellules se superposent aux cellules conventionnelles (dénommées alors macrocellules) d'un réseau de téléphonie mobile. Un usager peut alors passer de manière transparente (seamlessly) d'une macrocellule à une femtocellule (et réciproquement) sans rupture de service, au moyen d'une procédure de handover. Il est ainsi possible de n'avoir qu'un seul téléphone voire un seul numéro de téléphone pour les utilisations nomades et résidentielles. Le déploiement des réseaux femtocellulaires se heurte toutefois à plusieurs difficultés.
Une première difficulté provient du fait que macrocellules et femtocellules partagent en principe le même spectre. Les communications d'une femtocellule interfèrent par conséquent avec celles de la macrocellule, phénomène que l'on qualifie dans la littérature de « cross-tier interference ».
En outre, les communications de femtocellules voisines et dépendant du même opérateur sont également susceptibles d'interférer entre elles. On parle alors de « co-tier interférence ».
Diverses approches ont été proposées dans l'état de la technique pour réduire l'interférence de type cross-tier et/ou celle de type co-tier.
Une approche classique consiste à allouer des ressources de transmission orthogonales aux
macrocellules et aux femtocellules. Plus précisément un premier jeu de ressources de transmission est réservé aux macrocellules et un second jeu de ressources de transmission, orthogonales aux premières est réservé aux femtocellules. De manière similaire, des ressources de transmission orthogonales peuvent être allouées à des femtocellules voisines. Cette allocation peut être effectuée de manière centralisée ou distribuée. Par allocation centralisée, on entend qu'un noeud du réseau est spécifiquement chargé d'effectuer l'allocation de l'ensemble des ressources de transmission. Par allocation distribuée, on entend que l'allocation est réalisée de manière indépendante par une pluralité de noeuds du réseau. Une allocation centralisée de ressources requiert généralement une signalisation importante entre les stations de base et le noeud chargé de l'allocation. A l'inverse, une allocation distribuée de ressources suppose d'effectuer un nombre important de mesures pour déterminer les ressources de transmission disponibles au niveau de chaque station de base. En outre, l'allocation de
ressources peut être statique, auquel cas les
ressources sont allouées pour la durée des communications, ou dynamique, auquel cas les ressources allouées peuvent être actualisées à chaque intervalle de transmission (TTI) ou pour après une séquence d'intervalles de transmission.
A titre d'exemple, on trouvera une description d'une méthode d'allocation de ressources de transmission pour réseau femtocellulaire de type OFDMA dans l'article de D. Lopez-Perez et al. intitulé
« OFDMA Femtocells : a roadmap on interference avoidance », publié dans IEEE Communications Magazine, pages 1-8, Juin 2009.
La méthode d'allocation par réservation de ressources orthogonales présente toutefois l'inconvénient de mobiliser, souvent inutilement, une quantité importante de ressources. En effet, par exemple, dès lors qu'une ressource est réservée par une macrocellule, les femtocellules incluses au sein de ou voisines de cette macrocellule ne peuvent l'utiliser, même si cette ressource n'est pas utilisée en définitive dans la macrocellule en question. A titre illustratif, la Fig. 1 représente schématiquement un système femtocellulaire connu de l'état de la technique.
Ce système comprend une pluralité de stations de base, dénommées HBS (Home Base Station) ou encore HNB (Home Node B), désignées par 110, desservant des femtocellules, 120. Il se superpose à un système cellulaire conventionnel comprenant une pluralité de stations de base, dénommées MBS (Macro Base Station), désignées par 130, desservant des macrocellules, 140.
Les communications au sein d'une femtocellule utilisent une pluralité de ressources de transmission, dont le type dépend de la norme de téléphonie mobile à laquelle obéit le système, par exemple GSM, UMTS, WiMax, LTE, etc.
Les ressources de transmission peuvent être des fréquences, des intervalles temporels de transmission des intervalles de sous-porteuses (chunks) d'un
multiplex OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), des codes orthogonaux ou encore une combinaison de telles ressources.
Nous supposerons ici que le système femtocellulaire est du type OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Dans un tel système, on alloue à chaque utilisateur un intervalle de sous-
porteuses (encore appelé « chunk » ou « resource block ») pendant un intervalle de transmission.
Une méthode d'allocation de ressources dans un tel système est illustrée en Fig. 2.
A l'étape 210, un utilisateur du système ou HUE (Home User Equipment) effectue une mesure de l'état du canal de transmission et renvoie vers la station de base du système femtocellulaire, HBS, qui le dessert un
indicateur de cet état ou CSI (Channel State Indicator). Cet indicateur fournit l'atténuation du canal de transmission pour chacune des ressources de transmission.
A l'étape 220, la station HBS détermine l'ensemble des ressources de transmission disponibles pour cet utilisateur.
A l'étape 230, la station HBS sélectionne, parmi lesdites ressources disponibles, le nombre minimum de ressources que la communication de l'utilisateur doit utiliser pour satisfaire aux contraintes de qualité de service (QoS) requises par cette communication tout en respectant les contraintes de puissance d'émission. Les contraintes de qualité de service peuvent notamment être libellées en termes de taux de débit de transmission, de temps de latence, etc. Les contraintes de puissance d'émission portent sur la puissance d'émission du terminal de l'utilisateur (HUE) dans le cas d'une liaison montante et celle de la station de base (HBS) dans le cas d'une liaison descendante.
Plus précisément, la station de base HBS détermine en fonction des contraintes précitées, les intervalles de sous-porteuses (chunks) à allouer à l'utilisateur, et, pour chacun de ces intervalles, le schéma de modulation et de codage (MCS) ainsi que la puissance d'émission à utiliser. On rappelle qu'un schéma de modulation et de codage est défini par un couple constitué par une constellation de modulation (par exemple 16-QAM, 64-QAM) et un code correcteur d'erreur. Si l'on note P/ la puissance d'émission utilisée sur l'intervalle j par l'utilisateur i, la puissance totale P. allouée à cette communication n'est autre que : NB, 1=1 où NB, est le nombre d'intervalles de sous-porteuses alloués à l'utilisateur i. Pour des communications descendantes, la contrainte de puissance pourra simplement s'exprimer sous la forme : N 25 (2) où N est le nombre d'utilisateurs actifs dans la femtocellule et P est la puissance maximale d'émission de la station HBS.
Comme indiqué plus haut, les ressources disponibles dans la femtocellulle peuvent être limitées du fait de leur mobilisation par la macrocellule qui lui est superposée.
L'objet de la présente invention est de proposer une méthode d'allocation de ressources dans un système de télécommunication femtocellulaire qui permette une meilleure exploitation des ressources de transmission tout en garantissant un faible niveau d'interférence entre les communications des utilisateurs. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par une méthode d'allocation de ressources de transmission dans un réseau femtocellulaire, comprenant une première étape dans laquelle, pour un intervalle de transmission donné, on attribue à un utilisateur du réseau un nombre minimal de ressources de transmission, dites ressources principales, un schéma de modulation et de codage ainsi qu'une première puissance d'émission sur chacune desdites ressources principales, pour transmettre une première information avec une qualité de service requise par l'utilisateur. Dans une seconde étape, on
attribue à l'utilisateur des ressources supplémentaires, non déjà attribuées à la première étape, dites ressources auxiliaires, pour transmettre une seconde information redondante par rapport à la première, et l'on réduit la puissance d'émission sur chacune des ressources principales pour transmettre ladite première information.
Selon une première variante, la première information est constituée d'un paquet de données et la seconde information est identique à la première.
Selon une deuxième variante, la première information comprend un paquet de données et un premier incrément de redondance et la seconde information comprend un second incrément de redondance, les premier et second incréments formant un code correcteur d'erreur.
Selon une troisième variante, la première information est obtenue en codant un paquet de données à l'aide d'un premier codage correcteur d'erreur et la seconde information est obtenue en entrelaçant ledit paquet et en codant le paquet ainsi entrelacé à l'aide d'un second code correcteur d'erreur distinct du premier.
Avantageusement, on utilise le même schéma de modulation et de codage ainsi qu'une même puissance d'émission réduite, PZ, sur l'ensemble des ressources principales et auxiliaires, avec : NB, NB, +NBT" P où P. est la puissance d'émission allouée à la première étape, NB, est le nombre de ressources principales et P. _ NBT' est le nombre de ressources auxiliaires allouées à l'utilisateur.
De préférence, on sélectionne les
ressources auxiliaires parmi les ressources de transmission présentant une probabilité de coupure inférieure à un seuil prédéterminé.
Alternativement, on sélectionne les
ressources auxiliaires parmi les ressources de transmission présentant un taux d'erreur binaire ou d'erreur paquet inférieur à une valeur maximale prédéterminée.
Selon une première possibilité de combinaison des données reçues, le paquet de données reçu sur les ressources principales est sommé au paquet de données reçu sur les ressources auxiliaires.
Selon une deuxième possibilité de combinaison des données reçues, les première et seconde informations reçues respectivement sur les ressources principales et auxiliaires sont combinées au moyen d'une combinaison de type Chase.
Selon une troisième possibilité de combinaison des données reçues, les première et seconde informations reçues respectivement sur les ressources
principales et auxiliaires font l'objet d'un turbodécodage. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles :
La Fig. 1 représente de manière schématique un système de télécommunication femtocellulaire connu de l'état de la technique ;
La Fig. 2 représente de manière schématique une méthode d'allocation de ressources de transmission pour le système de la Fig. 1 ;
La Fig. 3 représente de manière schématique une méthode d'allocation de ressources de transmission dans un réseau femtocellulaire, selon un mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous considérons dans la suite à nouveau un réseau de télécommunication femtocellulaire, superposé à un réseau de télécommunication cellulaire, comme illustré en Fig. 1.
Le principe à la base de l'invention est de réduire le niveau d'interférence non pas en réservant préalablement des ressources de transmission au niveau macrocellulaire ou femtocellulaire comme dans l'état de la technique mais en abaissant la puissance d'émission dans chacune des ressources grâce à une augmentation de la redondance des données transmises. La Fig. 3 illustre une méthode d'allocation de ressources de transmission selon un mode de réalisation de l'invention.
Comme précédemment, les ressources de transmission peuvent être des fréquences, des intervalles de sous- porteuses, des codes orthogonaux ou des combinaisons de telles ressources.
Les étapes 310 à 330 sont identiques aux étapes 210 à 230, autrement dit, pour chaque utilisateur HUE du réseau femtocellulaire souhaitant établir une communication, on détermine un nombre minimal NB, de ressources de transmission en fonction de la qualité de service requise pour cette communication et des contraintes de puissance d'émission (de la station HBS pour une liaison descendante ou du terminal de l'utilisateur pour une liaison montante). Pour chaque ressource de transmission, RB/, attribuée à l'utilisateur, on détermine en outre un schéma de modulation et de codage, MCS' ainsi qu'une puissance d'émission P/ à utiliser pour la ressource en question, afin de satisfaire à la qualité de service requise. Dans un mode particulier de réalisation, on utilise une même puissance d'émission, notée Pi, ainsi qu'un même schéma de modulation et de codage, noté MCSI, pour l'ensemble des ressources attribuées à l'utilisateur. Le nombre minimal NB, de ressources peut être fixé à une valeur prédéterminée pour chaque classe de trafic. Avantageusement, ce nombre minimal de ressources sera une fonction décroissante de la charge instantanée du réseau femtocellulaire. A l'étape 340, on détermine si, parmi les autres ressources disponibles, non déjà attribuées à l'utilisateur à l'étape précédente, il existe des ressources de transmission supplémentaires pour lesquelles la liaison entre la station HBS et l'utilisateur HUE présentant un taux d'erreur binaire ou un taux d'erreur inférieur à une valeur maximale prédéterminée. Alternativement, on détermine si, parmi ces ressources disponibles non déjà attribuées, il existe des ressources de transmission supplémentaires
pour lesquelles la probabilité de coupure est inférieure à un seuil prédéterminé. Ce seuil peut être fixe ou variable et fonction, par exemple, du niveau de la qualité de transmission voulue. On rappelle qu'un canal de transmission non ergodique, tel qu'un canal radio, n'est pas caractérisé par sa capacité (qui est généralement nulle du fait des variations du canal) mais par sa probabilité d'être en situation de coupure (outage) pour une instance donnée du canal. Un canal non ergodique est dit en situation de coupure si le débit binaire à acheminer sur le canal est supérieur à l'information mutuelle instantanée pour l'instance de canal considérée.
Quelle que soit la variante considérée, si de telles ressources existent, on attribue tout ou partie de ces ressources de transmission supplémentaires à
l'utilisateur et l'on réduit corrélativement la puissance d'émission sur chacune des ressources de transmission utilisées. Plus précisément, si la même puissance d'émission et le même schéma de modulation et de codage sont utilisés pour l'ensemble des ressources de transmission attribuées à l'utilisateur, la puissance d'émission, PZ, est en définitive : P. = NB,. P. NB,+NBzep (3) où NBlep est le nombre de ressources de transmission supplémentaires attribuées à l'utilisateur. Les NBlep ressources de transmission supplémentaires sont utilisées pour transmettre une information redondante avec celle transmise sur les NB ressources initialement attribuées. Pour cette raison, nous qualifierons conventionnellement les premières de ressources auxiliaires et les secondes de ressources principales. On comprendra cependant qu'il n'y a pas de différence de nature entre les ressources principales
et les ressources auxiliaires. L'utilisation de
ressources supplémentaires pour transmettre une information redondante avec celle transmise sur les ressources principales permet de réduire corrélativement la puissance d'émission. Différentes formes de redondance sont envisageables dans le cadre de la présente invention.
Selon une première variante, si les ressources auxiliaires sont en nombre suffisant, elles sont utilisées pour transmettre la même information que sur les ressources principales. Par exemple, si un paquet de données est transmis sur les NBZ ressources principales, ce même paquet de données sera transmis en parallèle sur les NBlep ressources auxiliaires.
Selon une seconde variante, les ressources principales transmettront un paquet de données ainsi qu'un premier incrément de redondance et les ressources auxiliaires transmettront un second incrément de redondance. Par exemple, le paquet de données est soumis à un codage correcteur d'erreur de type systématique, le premier incrément est obtenu par poinçonnage de la partie redondante du code et le second incrément est formé des symboles éliminés par ce poinçonnage.
Selon une troisième variante, les ressources principales transmettront un paquet de données codé à l'aide d'un code correcteur d'erreur. Les ressources auxiliaires transmettront une seconde version obtenue en entrelaçant ledit paquet et en codant le paquet ainsi entrelacé à l'aide d'un second code correcteur d'erreur distinct du premier. Le recours à des ressources de transmission supplémentaires et la réduction corrélative de la puissance d'émission présentent de multiples avantages.
Tout d'abord, la réduction de puissance d'émission permet de diminuer le niveau d'interférence générée par l'utilisateur dans chacune des ressources de transmission allouées. Il n'est donc plus nécessaire de réserver des ressources de transmission orthogonales entre femtocellules voisines ou entre femtocellules et macrocellule. A tout le moins, il est possible de réemployer des ressources de transmission dans un rayon plus faible sans risque d'interférence.
En outre, l'utilisation de ressources de transmission supplémentaires permet de profiter d'un gain de diversité à la réception et ainsi d'améliorer le rapport signal sur bruit. Il en résulte une meilleure couverture spatiale de chaque station HBS, et lorsque les ressources sont des intervalles de sous- porteuses, une augmentation globale de l'efficacité spectrale au sein des femtocellules, du fait d'un moindre nombre d'échecs de transmission et donc d'un nombre moindre de retransmissions.
L'étape 350 est relative au traitement à la réception. Lors de cette étape, on combine au niveau du récepteur les informations reçues respectivement sur
les ressources de transmission principales et auxiliaires avant de procéder au décodage des données transmises.
Différents types de combinaison sont envisageables, en fonction du type de redondance utilisé à l'émission. Par exemple, si la redondance est constituée d'une simple répétition du paquet de données, la combinaison pourra être une sommation des informations reçues sur les ressources de transmission
principales et les ressources de transmission auxiliaires. Si le paquet de données est transmis avec un premier incrément de redondance sur les ressources de transmission principales et, si un second incrément de redondance est transmis sur les ressources de transmission auxiliaires, la combinaison pourra être de type « Chase combining », connu en tant que tel. Une description de ce type de combinaison peut être trouvée entre autres dans l'article original de D. Chase intitulé « Code combining - a maximum likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets » publié dans IEEE Trans. on Comm., vol. 33, N° 5, pages 385-393, Mai 1985. Enfin, si un paquet de données est transmis à l'aide d'un premier codage canal sur les ressources de transmission principales et, après entrelacement, à l'aide d'un second codage canal, sur les ressources de transmission auxiliaires, les paquets ainsi transmis sur les ressources de transmission principales et secondaires peuvent être considérés comme les composantes d'un turbocode distribué sur ces deux ressources. Par exemple, si les ressources de transmission sont des intervalles de
sous-porteuses, ces composantes constituent un turbocode distribué fréquentiellement. Quel que soit le type de ressource de transmission, le paquet de données peut être obtenu en effectuant un turbodécodage des composantes reçues respectivement sur les ressources de transmission principales et auxiliaires.
La présente invention peut notamment être appliquée à une méthode d'ordonnancement de paquets dans un système femtocellulaire de type OFDMA comprenant une pluralité d'utilisateurs HUEs. Comme indiqué précédemment, les ressources de transmission d'un tel système sont des intervalles de sous-porteuses (chunks). On rappelle qu'une méthode d'ordonnancement de paquets a pour objet de déterminer à chaque intervalle de transmission (TTI), voire à chaque groupe d'intervalles de transmission (TTI), les paquets qui seront transmis, autrement dit les utilisateurs qui seront servis, ainsi que les ressources de transmission qui leur seront allouées pour ce faire. Ainsi l'ordonnancement de paquets suppose à la fois un classement de ces paquets selon un critère de priorité et une allocation de ressources aux différents utilisateurs.
Le critère de priorité peut être notamment un de ceux connus de l'état de la technique, tel que EDF (Earliest Deadline First) donnant la priorité aux paquets les plus urgents, MCI (Max C/I) donnant la priorité aux utilisateurs dont la liaison présente le meilleur rapport signal à bruit sur la ressource à allouer, PF (Proportional Fair) donnant la priorité aux utilisateurs dont la qualité relative de canal est la plus élevée, ou encore un critère de stricte équité selon lequel les utilisateurs sont servis à tour de rôle (Round Robin).

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Méthode d'allocation de ressources de transmission dans un réseau femtocellulaire, comprenant une première étape dans laquelle, pour un intervalle de transmission donné, on attribue à un utilisateur du réseau un nombre minimal de ressources de transmission, dites ressources principales, un schéma de modulation et de codage ainsi qu'une première puissance d'émission sur chacune desdites ressources principales, pour transmettre une première information avec une qualité de service requise par l'utilisateur, caractérisée en ce que, dans une seconde étape, on attribue à l'utilisateur des ressources supplémentaires, non déjà attribuées à la première étape, dites ressources auxiliaires, pour transmettre une seconde information redondante par rapport à la première, et que l'on réduit la puissance d'émission sur chacune des ressources principales pour transmettre ladite première information.
  2. 2. Méthode d'allocation de ressources selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première information est constituée d'un paquet de données et que la seconde information est identique à la première.
  3. 3. Méthode d'allocation de ressources selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première information comprend un paquet de données et un premier incrément de redondance et que la seconde informationcomprend un second incrément de redondance, les premier et second incréments formant un code correcteur d'erreur.
  4. 4. Méthode d'allocation de ressources selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première information est obtenue en codant un paquet de données à l'aide d'un premier codage correcteur d'erreur et que la seconde information est obtenue en entrelaçant ledit paquet et en codant le paquet ainsi entrelacé à l'aide d'un second code correcteur d'erreur distinct du premier.
  5. 5. Méthode d'allocation de ressources selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on utilise le même schéma de modulation et de codage ainsi qu'une même puissance d'émission réduite, PZ, sur l'ensemble des ressources principales et auxiliaires, avec : P. _ NB, NB, +NBT" où P. est la puissance d'émission allouée à la première étape, NB, est le nombre de ressources principales et NB' est le nombre de ressources auxiliaires allouées à l'utilisateur.
  6. 6. Méthode d'allocation de ressources selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on sélectionne les ressources auxiliairesparmi les ressources de transmission présentant une probabilité de coupure inférieure à un seuil prédéterminé.
  7. 7. Méthode d'allocation de ressources selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'on sélectionne les ressources auxiliaires parmi les ressources de transmission présentant un taux d'erreur binaire ou d'erreur paquet inférieur à une valeur maximale prédéterminée.
  8. 8. Méthode d'allocation de ressources selon la revendication 2, caractérisée en ce que le paquet de données reçu sur les ressources principales est sommé au paquet de données reçu sur les ressources auxiliaires.
  9. 9. Méthode d'allocation de ressources selon la revendication 3, caractérisée en ce que les première et seconde informations reçues respectivement sur les ressources principales et auxiliaires sont combinées au moyen d'une combinaison de type Chase.
  10. 10. Méthode d'allocation de ressources selon la revendication 4, caractérisée en ce que les première et seconde informations reçues respectivement sur les ressources principales et auxiliaires font l'objet d'un turbodécodage.30
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