Etude du réseau 4G/LTE

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Le LTE a été envisagé dès novembre 2004 comme l’évolution à long terme de l’UMTS (d’où son nom de Long Term Evolution), lors d’un atelier organisé par le 3GPP appelé Future Evolution Workshop. Les travaux sur cette nouvelle norme ont débuté au 3GPP en janvier 2005 avec une étude de faisabilité, qui s’est conclue en septembre 2006 avec la définition des grands principes de la technologie LTE. Les travaux de spécification proprement dit se sont alors déroulés jusqu’à décembre 2008, date où la première version des spécifications a été approuvée. Le LTE est ainsi défini dans la Release 8 du 3GPP. Du fait du saut technologique qu’il représente par rapport au HSDPA, le LTE est considéré comme la norme de communication mobile la plus récente dans le contexte de la 4G. Comme l’IEEE 802.16m. On peut ainsi véritablement parler d’une révolution de l’UMTS, plutôt que d’une évolution.

À l’instar de chaque nouvelle génération de réseau d’accès, le LTE a pour objectif de proposer une capacité accrue et fait appel à une nouvelle technique d’accès à la ressource fréquentielle. Elle permet le transfert de données à très haut débit, avec une portée plus importante, un nombre d’appels par cellule supérieur (zone dans laquelle un émetteur de téléphonie mobile peut entrer en relation avec des terminaux) et une latence plus faible.

Le seul inconvénient de cette nouvelle technologie est l’installation de ses nouveaux équipements qui sont différents de ceux des normes précédentes, et le développement des terminaux adaptés.

Processus de normalisation du LTE

À l’instar de l’UMTS, le LTE a été défini par l’ensemble des entreprises partie prenante dans le marché mondial des télécommunications mobiles, regroupées au sein du 3GPP.

Présentation du 3GPP

Le 3GPP est un consortium créé en 1998 à l’initiative de l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Le 3GPP a pour objectif de définir des spécifications permettant l’interfonctionnement d’équipements de constructeurs différents. Contrairement à ce que son nom suggère, le champ d’activités du 3GPP ne se limite pas à la normalisation de systèmes 3G. Son rôle consiste à maintenir et développer les spécifications des systèmes :
– GSM/GPRS/EDGE.
– UMTS (FDD et TDD).
– LTE, ainsi que celles du réseau coeur EPC.

Le 3GPP est composé d’un groupe de coordination appelé PCG (Project Coordination Group) et de différents groupes de spécifications techniques appelés TSG (Technical Specification Groups). On retrouve quatre TSG au sein du 3GPP :
– le CT (Core Network and Terminals) qui normalise les interfaces du terminal ainsi que ses capacités et est également en charge de la normalisation des réseaux coeurs des systèmes 3GPP.
– le GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network) qui développe l’accès radio GSM/EDGE et les interfaces associées permettant l’interconnexion avec les réseaux d’accès UMTS et LTE.
– le RAN (Radio Access Network) qui est en charge des spécifications des réseaux d’accès UMTS et LTE.
– le SA (Services and System Applications) qui définit les services ainsi que l’architecture globale des systèmes 3GPP.

Le 3GPP définit toutes les couches de chacun de ses systèmes de communication. En outre, le 3GPP normalise les méthodologies de test des équipements mettant en oeuvre ses technologies. Les tests sont particulièrement importants afin de vérifier qu’un équipement est conforme aux spécifications avant sa mise sur le marché, et pour vérifier qu’il satisfait des critères de performance minimaux.

Il convient d’indiquer que le 3GPP n’est pas un organisme de normalisation en tant que tel. Il définit des spécifications techniques qui sont par la suite approuvées et publiées par des organismes de normalisation régionaux, propres à un pays ou une région du monde. On peut citer six organismes de normalisation principaux qui travaillent à la publication de ces normes :
– ARIB (Association of Radio Industries and Business) et TTC (Telecommunication Technology Comittee) pour le Japon.
– ATIS (Alliance for Telecommunications Industry Solutions) pour les États-Unis.
– CWTS (China Wireless Telecommunication Standard Group) pour la Chine.
– ETSI (European Telecommunications Standards Institute) pour l’Europe.
– TTA (Telecommunication Technology Association) pour la Corée du Sud.

Les TSG sont eux-mêmes répartis en sous-groupes de travail. Ces groupes et sousgroupes sont formés de représentants des acteurs (principalement industriels) du monde des réseaux mobiles, qui se réunissent plusieurs fois par an. Ces acteurs doivent impérativement être membres de l’un des organismes de normalisation partenaires du 3GPP. On y retrouve notamment des constructeurs de circuits électroniques, des constructeurs de terminaux mobiles, des constructeurs d’infrastructures de réseau et des opérateurs de réseaux mobiles. Les spécifications sont définies sur la base de contributions proposées et présentées par les membres individuels, discutées et souvent modifiées afin d’aboutir à un consensus.

Historique de normalisation du LTE

Les modifications des spécifications approuvées par les groupes de travail sont associées à une Release. Une Release correspond à un ensemble de nouvelles fonctionnalités introduites dans la norme par les groupes du 3GPP dans une période de temps donnée et représente un palier significatif dans l’évolution des systèmes. Le 3GPP a défini douze Releases entre 1998 et mars 2015 :
– Release 97 : définition du GPRS
– Release 99 : introduction de l’UMTS
– Release 4 : ajout de fonctionnalités au sein du réseau coeur, notamment la séparation des couches média et contrôle pour le réseau coeur circuit
– Release 5 : introduction de l’évolution HSDPA pour le réseau d’accès UMTS.
– Release 6 : introduction de l’évolution HSUPA pour le réseau d’accès UMTS.
– Release 7 : introduction du HSPA+MIMO.
– Release 8 : introduction des évolutions HSPA+ CPC et DC-HSDPA, et première Release du réseau d’accès LTE et du réseau coeur EPC.
– Release 9 : évolutions du DC-HSDPA, notamment en combinaison avec le MIMO, et introduction du DC-HSUPA ; seconde Release du LTE.
– Release 10 : évolution multiporteuse du HSDPA (jusqu’à 4 porteuses, soit 20 MHz) et introduction de l’évolution du LTE appelée LTE-Advanced.
– Release 11 : Advanced IP interconnexion des services.
– Release 12 : Achevée en mars 2015, et comporte la densification du réseau, opération conjointe entre le TDD et le FDD avec agrégation de transport.
– Release 13 : Achevée en mars 2016, il inclut des travaux sur de nouvelles bondes pour le LTE.

Table des matières

Introduction générale
I Etude du réseau 4G/LTE
I.1 Introduction
I.2 Processus de normalisation du LTE
I.2.1 Présentation du 3GPP
I.2.2 Historique de normalisation du LTE
I.3 Exigences pour la norme LTE [18]
I.3.1 Capacité en nombre d’utilisateurs simultanés
I.3.2 Efficacité spectrale cellulaire
I.3.3 Débits
I.3.4 Latence
I.3.5 Agilité en fréquence
I.3.6 Mobilité
I.3.7 Atteinte des exigences
I.4 Architecture de la technologie LTE [16]
I.4.1 EPC (Evolved Packet Core) [9]
I.4.2 La partie radio E-UTRAN
I.4.3 Partie IMS
I.5 Les interfaces de technologie LTE [5]
I.5.1 Les interfaces réseau de l’E-UTRAN
I.5.1-a Interface S1
I.5.1-b Interface X2
I.6 Les canaux [13]
I.6.1 Le concept de canal
I.6.2 Les canaux logiques
I.6.3 Les canaux de transport
I.6.4 Les canaux physique
I.6.5 Association des différents canaux
I.7 Couches de la technologie LTE
I.7.1 Couche NAS (non Access Stratum)
I.7.2 Couche RRC (Radio Resource Control)
I.7.3 Couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol)
I.7.4 Couche RLC (Radio Link Control)
I.7.5 La couche MAC (Medium Access Control) de LTE
I.7.5-a Ordonnancement
I.7.5-b La technique de retransmission HARQ
I.7.5-c La recherche des cellules
I.7.5-d Contrôle de l’énergie
I.7.5-e Le protocole ARP (Allocation and Retention Priority)
I.7.6 La couche physique de LTE [13]
I.7.7 Etude de la couche physique
I.7.7-a Principe OFDMA [4]
I.7.7-b SC-FDMA [1]
I.7.8 La technologie MIMO dans LTE [5]
I.7.9 Trames radio LTE
I.7.9-a Le mode FDD
I.7.9-b Le mode TDD
I.8 Conclusion
II Mécanisme de Handover intra-LTE
II.1 Introduction
II.2 Handover
II.3 Nécessité du Handover [14]
II.4 Différents types du Handover
II.4.1 Mobile Controlled Handover Decision (MCHO)
II.4.2 Network Controlled Handover Decision (NCHO)
II.5 Les techniques du handover
II.6 Niveau du Handover
II.7 Processus du Handover
II.7.1 Phase I : Initiation du Handover et collecte d’informations
II.7.2 Phase II : Sélection du réseau destination
II.7.3 Phase III : Exécution du Handover
II.8 Handover Intra et inter LTE [17]
II.8.1 Handover Intra-LTE (Intra-MME / SGW) utilisant l’interface X2
II.8.2 Handover Intra-LTE (Intra-MME/SGW) utilisant l’Interface S1
II.8.3 Handover Inter-MME (sans changer S-GW) utilisant l’interface S1
II.8.4 Handover Inter-MME/SGW Utilisant l’interface S1
II.8.5 Handover Inter-RAT : E-UTRAN / UTRAN (le mode Iu)
II.9 Etude détaillée du Handover intra-LTE [19]
II.9.1 La phase de mesures
II.9.1-a La détection des cellules voisines LTE
II.9.1-b Mesures intra-fréquences et inter-fréquences
II.9.1-c Configuration et remontée des mesures
II.9.1-d Mesures en mode DRX
II.9.2 La phase de préparation
II.9.3 La phase d’exécution
II.9.4 La gestion du plan usager
II.9.4-a Le transfert de données descendantes vers l’eNodeB cible
II.9.4-b Les rapports de réception
II.9.5 Procédure de rétablissement (en cas d’échec)
II.9.6 La perte du lien radio et le rétablissement de connexion en LTE
II.9.6-a La détection de la perte de lien radio
II.9.6-b Le rétablissement de la connexion RRC
II.9.7 Vitesse de déplacement et mobilité
II.10Les performances de l’UE en Handover
II.11Conclusion
III Etude de handover intra-LTE sous NS3
III.1 Introduction
III.2 Mesures du Handover [8]
III.2.1 Signal de référence de la puissance reçue (RSRP)
III.2.2 Signal de référence de la qualité reçu (RSRQ) [2]
III.2.3 Mesure de la qualité du signal radio et la puissance reçue réalisée au niveau
de la couche physique [8]
III.3 Paramètres du Handover [8]
III.3.1 Niveau de seuil de l’initiation du Handover RSRP et RSRQ
III.3.2 La marge d’hystérésis
III.3.3 Time-to-Trigger (TTT)
III.3.4 La longueur et la forme de la fenêtre moyenne
III.4 Simulateur NS3 [7]
III.4.1 Description du NS3
III.4.2 Modules du simulateur NS3
III.4.3 Etapes de l’installation sous NS3
III.4.3-a Ressources
III.4.3-b Installation de NS3 sous Ubuntu
III.5 Déroulement de la simulation
III.5.1 Indicateurs utilisés dans notre simulation
III.6 Résultats de simulations
III.6.1 Algorithme A2-A4RSRQ
III.6.2 Algorithme A3RSRP
III.6.3 Résultats
III.7 Conclusion
Conclusion générale