FAVRAUD Romain

Thesis

Réseau d'accès radio LTE/LTE-A autonome et maillé pour environnements contraints

Comparées à celles de systèmes de communications civils, les performances des systèmes de communication militaires s'améliorent lentement aujourd'hui. Cela rend intéressant l'évolution de systèmes de communication civils matures pour un usage militaire. En parallèle, les systèmes de communications pour les réseaux de sécurité publique sont en train d'évoluer suite à l'émergence de la technologie Long Term Evolution (LTE) comme une solution fiable et mature pour remplacer les systèmes précédents.
Cependant, le LTE a initialement été conçu pour les réseaux cellulaires commerciaux et nécessite des adaptations pour répondre aux exigences des réseaux de sécurité publique. Par exemple, la réalisation de déploiements opportunistes nécessite des modifications afin de permettre le fonctionnement autonome et maillé de stations de base mobiles qui tiennent compte et s'adaptent aux bandes de fréquences disponibles. Dans cette thèse, nous développons une solution complète permettant de répondre aux cas d'utilisation contraints auxquels font face les organisations de sécurité publique et militaires. Cette solution permet, sur une seule bande de fréquence LTE, le maillage sans fil de stations de base mobiles tout en maintenant l'accès au réseau de terminaux mobiles standards.

Nous commençons par présenter les cas d'utilisation et les systèmes de communications utilisés par les autorités militaires et de sécurité publique. Nous présentons alors les scénarios associés et en dérivons des exigences fonctionnelles afin de concevoir un nouveau système de communication couvrant ces cas d'utilisations et apportant de nouveaux services. Nous soulignons ensuite les contraintes spécifiques qui s'appliquent à ces systèmes de communication dues aux environnements spécifiques dans lesquels ils sont utilisés, en particulier les contraintes limitant l'accès aux ressources spectrales. Ces contraintes influencent la conception du système et mènent au choix du LTE pour réaliser à la fois le réseau d'accès sans fil pour terminaux mobiles et les interconnexions entre les stations de base du système. Nous présentons alors un état de l'art rapide du LTE et comparons les fonctionnalités actuellement disponibles avec les exigences précédemment définies. Soulignant les limitations des systèmes standards, nous détaillons les défis auxquels doit faire face une solution basée sur le LTE pour répondre aux dites exigences. Ensuite, nous présentons une nouvelle architecture d'infrastructure réseau qui permet la création de réseaux maillés LTE multi-bonds. Celle-ci s'appuie sur une nouvelle station de base autonome et mobile qui dispose d'une fonctionnalité de maillage intra-bande : le e2NB.  Nous détaillons ensuite les composants de cette architecture et de cette station de base pour répondre aux multiples défis identifiés. Plus particulièrement, nous évaluons le besoin de coordination entre stations de base et nous proposons un algorithme d'ordonnancement de ressources radio inter-couches afin de satisfaire les exigences de qualité de service des flux temps réel tout en maximisant le débit des flux élastiques. Pour démontrer la faisabilité de l'architecture proposée, nous implémentons l'interface sans fil inter stations de base sur la plateforme de radio logicielle OpenAirInterface et la comparons avec l'interface LTE classique. Ensuite, nous évaluons l'efficacité et l'adaptabilité de l'algorithme d'ordonnancement proposé sur différentes topologies auxquelles nous appliquons des flux hétérogènes en termes d'exigences de qualité de service. Finalement, nous résumons les incertitudes restantes concernant les déploiements sur le terrain et nous concluons cette étude.