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  1. 1. Long Term Evolution 1 Sommaire Chapitre I – Architecture LTE 1. Architecture générale :...........................................................................................................................4 2. Réseau d’accès (Access Network) ..........................................................................................................5 1.1. Caractéristiques ..............................................................................................................................5 1.1.1. Débit de l’interface radio.........................................................................................................5 1.1.2. Connexion permanente...........................................................................................................5 1.1.3. Délai pour la transmission de données ...................................................................................6 1.1.4. Mobilité....................................................................................................................................6 1.1.5. Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G :...................................................................6 1.1.6. Flexibilité dans l’usage de la bande :.......................................................................................6 1.1.7. Support du multicast : .............................................................................................................6 1.1.8. Couverture de cellule importante dans les zones urbaines et rurales....................................6 1.2. Les entités du réseau d’accès (E-UTRAN) : .....................................................................................6 3. Réseau cœur (Core Network).................................................................................................................7 3.1. Caractéristiques ..............................................................................................................................7 3.2. Les entités du réseau cœur :...........................................................................................................9 3.2.1. Mobility Management Entity :.................................................................................................9 3.2.2. Serving Gateway (SGW)...........................................................................................................9 3.2.3. PDN Gateway (PGW)...............................................................................................................9 3.2.4. Home Subscriber Server (HSS)...............................................................................................10 3.2.5. Policy and Charging Rules Function (PCRF) ...........................................................................10 Chapitre II - Interfaces et Protocoles 1. Architecture générale...........................................................................................................................11 1.1. Evolutions des différents nœuds dans le LTE ...............................................................................12 1.2. Les interfaces réseau de l’E-UTRAN..............................................................................................14 1.2.1. Interface S1............................................................................................................................16 1.2.2. Interface S1 Felxibility............................................................................................................17
  2. 2. Long Term Evolution 2 1.2.3. Interface X2............................................................................................................................18 2. Les plans usager et de contrôle............................................................................................................19 2.1. L’architecture du plan usager .......................................................................................................19 2.2. L’architecture du plan de contrôle ...............................................................................................20 3. Les protocoles de l’interface Radio......................................................................................................21 3.1. Architecture en couche radio de l’E-UTRAN.................................................................................21 3.2. Les canaux radio............................................................................................................................23 3.2.1. Canaux logiques.....................................................................................................................23 3.2.2. Canaux de transport ..............................................................................................................24 3.2.3. Canaux physique....................................................................................................................24 3.2.4. Mappage entre les canaux.....................................................................................................25 3.3. La couche PHY...............................................................................................................................26 3.4. La couche MAC..............................................................................................................................27 3.5. La couche RLC................................................................................................................................27 3.6. La couche RRC...............................................................................................................................28 3.7. La couche PDCP.............................................................................................................................28 3.8. Protocoles NAS..............................................................................................................................29 Chapitre III - Interface Radio LTE 1. Introduction..........................................................................................................................................30 2. Orthogonal Frequency Division Multiplex............................................................................................30 2.1 Modulation Single Carrier et Egalisation :........................................................................................30 2.2 Principes de l’OFDM .........................................................................................................................32 2.3 Avantages de l’OFDM : .....................................................................................................................34 3. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA): ................................................................35 3.1 La structure des trames en LTE :.......................................................................................................35 3.2 Définition du ‘Physical Resource Block’ :..........................................................................................36 4. Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) ...........................................................37 5. Multiple Input Multiple Output et Maximal Radio Combining (MIMO & MRC)..................................40 5.1 Principe de MRC :..............................................................................................................................40
  3. 3. Long Term Evolution 3 5.2 Principe de MIMO :...........................................................................................................................41 6. Power Control.......................................................................................................................................42
  4. 4. Long Term Evolution 4 Chapitre I Architecture du LTE LTE : Long Terme Evolution (connu sous le nom de la 4G), est la dernière technologie sans fil apparu.la 3GPP a défini cette technologie comme R8 suite au succès qu’a connu les réseaux UMTS/HSPA. Elle est basée sur des techniques radios telles que l’OFDMA et le MIMO permettant le transfert de données à très haut débit, avec une portée plus importante, un nombre d’appels par cellule supérieur et une latence plus faible. 1. Architecture générale La figure ci-dessous décrit l’architecture globale du réseau, en incluant non seulement le réseau Cœur et le réseau d’accès, mais aussi d’autres blocs, et cela dans le but de montrer la relation entre eux. Pour une simplification, la figure montre seulement les interfaces de signalisation. Dans des cas, les deux ( signalisation et DATA ) sont supportés par les interfaces ( comme S1,s2 ou 3G PS Gi interfaces) mais , dans d’autres cas les interfaces sont dédiés pour les plans de contrôle , et ne supportent que la signalisations ( comme les interfaces S6 et la S7). Les nouveaux blocs spécifiés pour le LTE, connu aussi sous le nom d’EPS (Evolved Packet System), sont l’EPC (Evolved Packet Core) et l’E-UTRAN (Evolved UTRAN). D’autres blocs sont également affichés , comme l’UTRAN ( le réseau d’accès de l’UMTS ) , les deux parties PS et CS du réseau cœur ,reliés respectivement , au réseau d’IP public ( ou privé ) et au réseau du téléphone. L’IMS (IP Multimedia Subsystem) est localisé au sommeil de la parties cœur et fournit l’accès aux réseaux IP publique et privé, et le réseau public du téléphone via les entités du réseau Media Gateway.
  5. 5. Long Term Evolution 5 Figure 1.01 : Architecture général du LTE. 2. Réseau d’accès (Access Network) 1.1.Caractéristiques 1.1.1. Débit de l’interface radio L’interface radio E-UTRAN doit pouvoir supporter un débit maximum instantané de 100 Mbit/s en considérant une allocation de bande de fréquence de 20 MHz pour le sens descendant et un débit maximum instantané de 50 Mbit/s en considérant aussi une allocation de bande de fréquence de 20 MHz pour le sens montant. Les technologies utilisées sont OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) pour le sens descendant et SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) pour le sens montant. Cela correspond à une efficacité du spectre de 5 bit/s/Hz pour le sens descendant et 2,5 bit/s/Hz pour le sens montant. 1.1.2. Connexion permanente Principe des accès haut débit où la connectivité est permanente pour l’accès à Internet. Mais même si la connexion est permanente au niveau du réseau, il est nécessaire pour le terminal de passer de l’état IDLE à l’état ACTIF lorsqu’il s’agira d’envoyer ou recevoir du trafic. Ce changement d’état
  6. 6. Long Term Evolution 6 s’opère en moins de 100 ms. Le réseau pourra recevoir le trafic de tout terminal rattaché puisque ce dernier dispose d’une adresse IP, mettre en mémoire ce trafic, réaliser l’opération de paging afin de localiser le terminal et lui demander de réserver des ressources afin de pouvoir lui relayer son trafic. 1.1.3. Délai pour la transmission de données Moins de 5 ms entre l’UE et l’Access Gateway, en situation de non-charge où un seul terminal est ACTIF sur l’interface radio. La valeur moyenne du délai devrait avoisiner les 25 ms en situation de charge moyenne de l’interface radio. Ceci permet de supporter les services temps réel IP, comme la voix sur IP et le streaming sur IP. 1.1.4. Mobilité Assurée à des vitesses comprises entre 120 et 350 km/h. Le handover pourra s’effectuer (la LTE ne permet que le hard handover et non pas le soft handover) dans des conditions où l’usager se déplace à grande vitesse. 1.1.5. Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G : Le handover entre E-UTRAN (LTE) et UTRAN (3G) doit être réalisé en moins de 300 ms pour les services temps-réel et 500 ms pour les services non temps-réel. Il est clair qu’au début du déploiement de la LTE peu de zones seront couvertes. Il s’agira pour l’opérateur de s’assurer que le handover entre la LTE et la 2G/3G est toujours possible. Le handover pourra aussi s’effectuer entre la LTE et les réseaux CDMA-2000. Les opérateurs CDMA évolueront aussi vers la LTE qui devient le vrai standard de communication mobile de 4ème génération. 1.1.6. Flexibilité dans l’usage de la bande : E-UTRAN doit pouvoir opérer dans des allocations de bande de fréquence de différentes tailles incluant 1.25, 2.5, 5, 10, 15 et 20MHz. 1.1.7. Support du multicast : Notamment pour les applications multimédia telles que la télévision en broadcast. 1.1.8. Couverture de cellule importante dans les zones urbaines et rurales Comme la LTE pourra opérer sur des bandes de fréquences diverses et notamment basses comme celle des 700 MHz, il sera possible de considérer des cellules qui pourront couvrir un large diamètre. 1.2.Les entités du réseau d’accès (E-UTRAN) : La seule entité présente dans l’accès est l’eNodeB qui peut être assimilé à un Node B+RNC. L’eNodeB est le responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE.
  7. 7. Long Term Evolution 7 A la différence de l’UTRAN 3G où sont présentes les entités Node B et RNC, l’architecture e-UTRAN ne présente que des eNodeB. Les fonctions supportées par le RNC ont été réparties entre l’eNodeB et les entités du réseau cœur MME/SGW. L’eNodeB dispose d’une interface S1 avec le réseau cœur. L’interface S1 consiste en S1-C (S1-Contrôle) entre l’eNodeB et la MME et S1-U (S1-Usager) entre l’eNodeB et la SGW. Une nouvelle interface X2 a été définie entre les eNodeBs adjacents. Son rôle est de minimiser la perte de paquets lors de la mobilité de l’usager en mode ACTIF (Handover). Lorsque l’usager se déplace en mode ACTIF d’un eNodeB à un autre eNodeB, de nouvelles ressources sont allouées sur le nouvel eNodeB pour l’UE ; or le réseau continu à transférer les paquets entrants vers l’ancien eNodeB tant que le nouvel eNodeB n’a pas informé le réseau qu’il s’agit de lui relayer les paquets entrants pour cet UE. Pendant ce temps l’ancien eNodeB relaie les paquets entrants sur l’interface X2 au nouvel eNodeB qui les remet à l’UE. Figure 1.02 : Architecture de l’E-UTRAN. 3. Réseau cœur (Core Network) 3.1.Caractéristiques En effet, la SAE est le nom d’une étude où la 3GPP industrie développe une structure pour une évolution et migration des systèmes courants à un système qui supporte des technologies d'accès multiples, avec un plus haut taux de données et basé sur la commutation de paquets. Alors que l’EPC (Evolved Packet Core) ou le CPE est le nom du réseau cœur évolué. À la différence des réseaux 2G et 3G où l’on distinguait les domaines de commutation de circuit (CS, Circuit Switched) et de commutation de paquet (PS, Packet Switched) dans le réseau cœur, ce nouveau réseau quand à lui ne possède qu’un domaine paquet appelé EPC. Ainsi, tous les services devront être offerts sur IP y compris ceux qui étaient auparavant offerts par le domaine circuit tels que la voix, la visiophonie, le SMS, etc.
  8. 8. Long Term Evolution 8 L’EPC fonctionne en situation de roaming en mode « home routed » ou en mode « local breakout ». Autrement dit lorsqu’un client est dans un réseau visité, son trafic de données est soit routé à son réseau nominal qui le relaye par la suite à la destination (home routed) ou directement routé au réseau de destinataire sans le faire acheminer à son réseau nominal (local breakout). Il est possible de faire acheminer le trafic de l’EPC vers l’accès LTE, CDMA-2000 (paquet), 2G (paquet) et 3G (paquet) et ainsi garantir le handover entre ces technologies d’accès. L’EPC supporte les Default bearers et les Dedicated bearers, c’est-à-dire lorsque l’usager se rattache au réseau EPC, ce dernier lui crée un défaut bearer qui représente une connectivité permanente tant que l’usager est rattaché au réseau mais sans débit garanti. Quand l’usager souhaitera établir un appel qui requiert une certaine qualité de service telle que l’appel voix ou visiophonie, le réseau pourra établir pour la durée de l’appel un dedicated bearer qui supporte la qualité de service exigée par le flux de service et surtout qui dispose d’un débit garanti afin d’émuler le mode circuit. Enfin, l’EPC supporte le filtrage de paquet par exemple pour la détection de virus et une taxation évoluée basée sur le service accédé par le client en termes du volume, de la session, de la durée, de l’événement, du contenu, etc. Figure 1.03 : Vue globale du réseau cœur EPC.
  9. 9. Long Term Evolution 9 3.2.Les entités du réseau cœur : Le réseau cœur évolué EPS consiste comme le montre la figure en les cinq principales entités énumérées ci-dessous: 3.2.1. Mobility Management Entity : Entité de gestion de mobilité, MME : la MME est le nœud principal de contrôle du réseau d'accès LTE/SAE. Elle manipule un certain nombre de fonctionnalités telles que:  Le suivi des UE Mode Inactif (idle).  L’activation / désactivation du Bearer.  Le choix du SGW pour un UE.  Le handover Intra-LTE impliquant la location du nœud du réseau d’accès.  L’interaction avec le HSS pour authentifier un utilisateur en attachement et implémentation des restrictions d'itinérance.  Elle agit comme un licenciement pour la Non-Access Stratum (NAS).  Elle Fournit des identités temporaires pour les UEs.  La SAE/MME agit en point de terminaison pour le chiffrement de protection des NAS de signalisation. Dans le cadre de cela, il s'occupe également de la gestion de la clé de sécurité. En conséquence, la MME est le point où l'interception légale de signalisation peut être effectuée.  La procédure de Paging.  L'interface S3 se terminant dans la MME fournit ainsi la fonction de plan de contrôle de mobilité entre les réseaux d'accès LTE et 2G/3G.  Le MME/SAE termine également l'interface S6 pour le HSS pour l'itinérance UEs.  La MME/SAE fournit un niveau considérable de fonctionnalités de contrôle global. 3.2.2. Serving Gateway (SGW) La passerelle de service SGW, est un élément plan de données au sein de la LTE/SAE. Son objectif principal est de gérer la mobilité du plan utilisateur, elle agit également comme une frontière principale entre le Radio Access Network, RAN et le réseau cœur. La SGW maintient également les chemins de données entre les eNodeBs et les passerelles PDN. De cette façon le SGW forme une interface pour le réseau de données par paquets à l'E-UTRAN. Aussi quand les UEs se déplacent dans les régions desservies par des eNodeBs différentes, la SGW sert de point d'ancrage de mobilité veillant à ce que le chemin de données soit maintenu. 3.2.3. PDN Gateway (PGW) La passerelle LTE/SAE PDN assure la connectivité pour l'UE à des réseaux de paquets de données externes, remplissant la fonction d'entrée et de sortie pour les données UE. L'UE peut disposer d'une connectivité avec plus d'un PGW pour l’accès à des PDNs multiples.
  10. 10. Long Term Evolution 10 3.2.4. Home Subscriber Server (HSS) Avec la technologie LTE, le HLR est réutilisé et renommé HSS. Le HSS est donc un HLR évolué qui contient l’information de souscription pour les réseaux GSM, GPRS, 3G, LTE et IMS. A la différence de la 2G et de la 3G où l’interface vers le HLR est supportée par le protocole du monde SS7, MAP, l’interface S6 s’appuie sur le protocole du monde IP, DIAMETER. Le HSS est une base de données qui est utilisée simultanément par les réseaux 2G, 3G, LTE/SAE et IMS appartenant au même opérateur. Il supporte donc les protocoles MAP (2G, 3G) et DIAMETER (LTE/SAE, IMS). 3.2.5. Policy and Charging Rules Function (PCRF) La PCRF est le nom générique de l'entité au sein de la LTE SAE/EPC qui détecte les flux de service et applique la politique de tarification. Pour les applications qui nécessitent une politique dynamique de tarification ou de contrôle, un élément du réseau intitulé Applications Function, AF est utilisée.
  11. 11. Long Term Evolution 11 Chapitre II Interfaces et Protocoles Le but de ce chapitre est d’entrer dans les détails de l’architecture du LTE et plus particulièrement l’E-UTRAN. Pour ce faire, ce chapitre décrira avec détail les entités fonctionnelles du réseau ainsi que les interface et protocoles. On s’intéressera plus à l’interface radio du réseau. 1. Architecture générale La figure suivante présente une vue simplifié de l’architecture EPS. Tous les nœuds et interface du réseau y sont représentés. Elle met en lumière les interactions et signalisations au niveau usager ainsi que la connectivité data et l’aspect architectural. L’interface X2 ne doit pas être vue comme une simple interface point-a-point entre deux eNodeBs, mais plutôt comme une interface maillée. Cette interface optionnel a été défini dans le but de transporter les paquets entre eNodeBs et de limiter les pertes de paquets dans le cas d’une mobilité d’utilisateur Intra E-UTRAN. L’interface S1 à sont tour, n’est pas une simple interface entre un eNodeB et un MME/Serving Gateway, puisque un eNodeB peut être connecté à un ou plusieurs MME. Cette flexibilité est connue sous le nom de S1-flex (équivalent à l’Iu-flex 3G/UMTS). Puisque le MME et le Serving GW sont déployés dans des boîtes physiques séparées, l’interface S1 est divisée en deux parties  L’interface S1-U (Pour le plan usager) qui transporte les données utilisateur entre l’eNodeB et le Serving GW.
  12. 12. Long Term Evolution 12  L’interface S1-C (Pour le plan de contrôle) qui transporte uniquement la signalisation entre l’eNodeB et le MME. Figure 2.01 : Architecture de l’EPS – Les connectivités dans le plan usager et contrôle. 1.1. Evolutions des différents nœuds dans le LTE L’eNodeB est l’unique nœud logique présent dans l’E-UTRAN. Les principaux fonctions que l’eNodeB supports sont les suivantes :  Radio Bearer Management, qui inclut l’établissement et le libération des supports de données radio (Radio Bearer) ainsi que les fonctions de la gestion des ressources radio pour le contrôle de l’admission ainsi que l’allocation des supports de données. Cet ensemble de fonctions est sous le contrôle du MME à travers l’interface S1 pendant l’établissement, la libération et la modification de la session  L’interface radio de transmission et de réception qui inclut la modulation/démodulation ainsi que le codage/décodage du canal radio.  La gestion dynamique des ressources radio en Uplink et Downlink et l’Ordonnancement (Scheduling) des paquets data – est la fonction la plus critique qui requière que l’eNodeB fait face à plusieurs contraintes dans le but d’être capable de multiplexer différents flots de données sur l’interface radio d’utiliser les ressources disponibles de façon optimal.  Radio Mobility Management, qui s’occupe de la mobilité du terminal lorsqu’il est dans l’active state. Ceci doit être distingué du Mobility Management qui est une fonction gérée par le Packet Core.
  13. 13. Long Term Evolution 13  Chiffrement et compression des entête IP des données usager est la fonction c lé de la transmission de données sur l’interface radio. Elle répond aux besoins de sécurité sur l’interface radio et la transmission de paquets IP de façon optimal.  Sécurité de la signalisation réseau, à cause de la sensibilité des messages de signalisation échangés entre eNodeB et le terminal ou entre le MME et le terminal. Toutes ces informations sont protégées contre l’écoute et l’altération.  L’ordonnancement et la transmission des informations Broadcast, qui est présente de tous, ou presque, les réseaux cellulaire.  L’ordonnancement et la transmission des messages de paging, cette fonction est essentielle pour pouvoir localiser le mobile. L’eNodeB est défini par le 3GPP en utilisant le traditionnel modèle OSI en couche. De cette perspective, tous les fonctions décrit au-dessus sont gérées par les différents couches, comme la couche physique, la couche lien de donnés RLC/MAC ou la couche de signalisation Radio Resource Control. L’EPC quant à lui, comprends quatre nœuds logiques à savoir le HSS (Home Subscriber Server), le MME (Mobility Management Entity) et deux passerelles associées au plan usager Serving GW et Packet Data Network GW. Chacun de ces entités supportes des fonctions évolués. L’architecture de l’E-UTRAN a introduit des modifications sur la localisation des principales fonctions dans le réseau. Par conséquent, il y a quelques différences dans la façon les paquets sont gérés. Ces changements sont présentés dans la Figure 2.01, qui se focalise sur le lien descendant du plan Usager. La séparation entre le RNC et le NodeB dans l’architecture de l’UMTS implique que la gestion des paquets de données nécessite deux buffers séparés. Ce qui nécessite l’implémentation d’un mécanisme à fin d’éviter le NodeB buffer overflow ou le manque de donnée au niveau du NodeB.
  14. 14. Long Term Evolution 14 Figure 2.02 : Différence entre UMTS et EPS sur le lien descendant du plan Usager. Dans le LTE, la compression et le chiffrement sont tous les deux supportés par la couche PDCP localisée dans l’eNodeB. Puisque, tous les mécanismes de retransmission sont localisés dans l’eNodeB, le traitement des paquets de données nécessite un seul buffer. Par ailleurs, et dans le cas de l’E-UTRAN les données du buffer peuvent être transférées entre eNodeBs, ce qui aide à minimiser les probabilités de pertes de paquets. 1.2. Les interfaces réseau de l’E-UTRAN Le but de cette partie est de fournir les informations général sur les interfaces réseau S1 et X2 de l’E-UTRAN. Ces deux interfaces suivent le même modèle qui est décrit dans la figure 2.03. De même qu’en 3G/UTRAN, le modèle de l’interface réseau de l’E-UTRAN est composé de deux parties principales : la couche Radio Network – qui englobe les protocoles couches hautes de l’interface – et la couche Transport Network – qui réfère uniquement à la façon dont les donnés de la couche Radio Network sont transportés. Cette séparation assure une indépendance entre les deux couches. En plus de la séparation selon le modèle OSI, chaque interface est divisée en deux plans, le plan usager (User plane) et le plan de contrôle (Control plane).
  15. 15. Long Term Evolution 15 Le plan usager transporte toutes les informations considérées comme des données utilisateur, du point de vue de l’interface. Ceci consiste en des données purement usager comme les paquets de voix et vidéos ou la signalisation de niveau application (comme SIP, SDP or RTCP). Avant la transmission sur l’interface, les différents paquets sont tous simplement envoyés à la couche Transport. C’est ce qui explique l’absence de tout protocole dans la couche Radio Network qui correspond au plan usager. Le plan de contrôle s’occupe tous les messages et les procédures strictement liés aux fonctionnalités prises en charge par les interfaces. Ceci inclut par exemple, les messages de contrôle pour la gestion du handover ou la gestion des porteuses (supports). La couche physique, fait partie de la couche transport. Elle commune aux deux plans. A part cela, les plans usager et contrôle utilise des protocoles spécifique qui définissent ainsi une pile de transport et des porteuses (support de données) différents et indépendant pour chaque couche. L’information dans le plan de contrôle est soumise à des contraintes de sécurité, de fiabilité, et de perte de données alors que dans le plan usager l’information est routée à l’aide de protocoles simples et moins sécurisés. Comme en 3G/UTRAN, les interfaces de l’E-UTRAN sont entièrement « open », ce qui veut dire que S1 et X1 sont complètement définit par 3GPP et que chaque équipementier doit se conformer aux spécifications dans l’implémentation des différents équipements. Ceci permet- en principe – le déploiement des eNodeBs de différents équipements en un seul réseau et interconnectés à via l’interface X2. Il en de même pour l’interconnexion entre l’E-UTRAN et l’EPC. Figure 2.03 : Le modèle d’une interface E-UTRAN.
  16. 16. Long Term Evolution 16 1.2.1. Interface S1 L’interface S1-U (ou S1 User plane interface – L’interface S1 pour le plan usager) transporte les paquets utilisateurs entre le eNodeB et le Serving GW. Cette interface utilise une simple pile de protocole de transport « GTP over UDP/IP » qui ne fait qu’encapsuler les données de l’usager. Il n’existe ni contrôle de flux ou contrôle d’erreur, ou tout autre mécanisme de garantie de livraison de données sur l’interface S-U. Le GTP (GPRS Tunneling Protocol) est actuellement hérité des réseaux 2G/GPRS et 3G/UMTS. Dans les réseaux 3G, GTP est utilisé entre les nœuds GPRS (SGSN et GGSN). En 3G, GTP est aussi utilisé dans l’interface Iu-PS (entre RNC et le SGSN). L’interface S1-C (ou S1 Control plane interface – L’interface S1 pour le plan de contrôle) est utilisé pour la signalisation. Elle supporte un certains nombre de fonctions et procédures entre eNodeB et le MME. Toutes les procédures de signalisation du S1-C appartiennent à l’un des quatre groupes suivants :  Procédures du Bearer-level, ce groupe comprend toutes les procédures relatives à l’établissement, modification et de libération de supports (porteuses). Une porteuse correspond à un segment S1 d’une session, plus le chemin de l’interface radio. Ces procédures sont utilisées pendant l’établissement et la libération d’une session de communication.  Procédures du Handover – qui englobent tous les fonctions S1 relative à la mobilité des utilisateurs en l’eNodeB ou avec les technologies 2G ou 3G.  Transport de signalisation NAS – ceci corresponds au transport de signalisation entre le terminal et le MME à travers l’interface S1. Le lien de signalisation entre le terminal et le MME est aussi appelé NAS (Non Access Stratum signalling) , puisqu’il est n’est pas visible pour l’eNodeB. Vue l’importance de ces messages, ils sont transporté sur la S1-C en utilisant des procédures spécifiques, au lieu de la S1-U GTP qui présente peu de garanties.  Procédure de Paging – qui est utilisé dans le cas d’un usager en fin de session. A travers la procédure du paging, le MME demande à l’eNodeB de chercher le terminal dans un nombre donné de cellules. L’interface S1-C doit fournir un haut niveau de fiabilité dans le but d’éviter les messages de retransmission et des retards dans l’exécution des procédures du plan de contrôle. Selon le déploiement du réseau de transport, il y a certains cas où le transport UDP/IP n’est pas suffisamment fiable. Par ailleurs, dans le cas où le réseau de transport n’appartient pas à l’opérateur mobile, il se peut que la qualité de service (QoS) ne soit pas garantie tout le temps. C’est pour cette raison que l’interface S1-C utilise une couche de transport de réseau, qui est mise en place de bout-en- bout. Dans l’architecture LTE, ce service est assuré par le SCTP (Stream Control Transmission Protocol). Dans l’interface S1, le SCTP est utilisé sur la couche réseau IP d’habitude. Il y a une seule association par instance de l’interface S1. Sur cette relation, un seul flux SCTP est utilisé pour toutes les
  17. 17. Long Term Evolution 17 procédures communes (procédure du paging par exemple) entre deux équipements. En ce qui concerne toutes les procédures dédiées -qui comprennent toutes les procédures qui s'appliquent à un contexte de communication spécifique - elles sont toutes prises en charge sur un nombre limité de flux SCTP. Le réseau de transport des interfaces S1 et X2 fait usage de la couche réseau IP à la fois pour le plan usager et plan de contrôle. En plus des services basic garantie par ce protocole, L’IP dans E-UTRAN doit aussi supporter les services suivants :  NDS/IP (Network Domain Security for IP) – qui fait référence à un group de dispositifs de sécurité de niveau IP défini par 3GPP pour l’échange de données entre les éléments du réseau.  Diffserv (Differentiated Services) – qui est une architecture réseau qui spécifie un mécanisme pour classer et contrôler le trafic tout en fournissant une qualité de service. 1.2.2. Interface S1 Felxibility Dans les réseaux 2G et 3G traditionnels, la connectivité entre le réseau cœur et le réseau d’accès a été définie selon une hiérarchie « un-à-plusieurs ». Dans la Release 5, un nouveau dispositif a été introduit, rendant flexible l’interconnexion entre le réseau d’accès et le réseau cœur. Ce même principe a été introduit, dès le début, dans l’architecture du LTE. Ce standard porte le nom de « S1-flex ». Comme présenté dans la figure, l’interface S1-flex permet à un eNodeB de se connecter à plus d’un seul nœud MME ou Serving GW. De cette même figure, pour simplifier le MME et Serving GW sont combinés en un seul nœud, mais la S1 flexiblity s’applique à la fois au MME et le Serving GW. Bien qu’un eNodeB puisse être connecté à plusieurs MME, un terminal mobile est associé à un unique MME à la fois. Ceci est dû au fait que les sessions d’un utilisateur sont toujours sous le contrôle d’un seul MME.
  18. 18. Long Term Evolution 18 Figure 2.04 : La connectivité Access-Core traditionnelle et le S1-flex. S1 flexiblity présente plusieurs avantages :  En étendant la couverture des nœuds du réseau cœur à plusieurs cellules, le S1-flex réduit le nombre de handover inter-Core Network. Par ailleurs, le MME maintient la connectivité avec le mobile tant qu’il est dans la même « pool area». Par conséquence, le S1-flex aide à réduire le nombre de chargement dans le HSS généré par le changement dans le MME.  Le standard S1-flex aide à définir une architecture réseau partagé par différents opérateurs. Par exemple, un nombre donné d’eNodeBs peuvent être partagé entre deux opérateurs. Dans ce cas, quand le terminal essai de s’enregistrer, l’eNodeB transmet le message d’enregistrement initial au MME qui corresponds au réseau de l’opérateur de l’abonné.  S1 flexiblity permet au réseau de devenir plus robuste quant aux échecs du réseau cœur. En effet, les pertes d’un réseau cœur seront compensées par les autres nœuds associés aux mêmes « pool areas ».  En ouvrant la possibilité d’un eNodeB à se connecter à un ou plusieurs MME présente quelques avantages dans l’amélioration de la capacité du réseau et la gestion de la charge réseau. 1.2.3. Interface X2 Le rôle l’interface X2-U (X2 User plane interface – L’Interface X2 du plan usager) est de transporter les paquets de données entre eNodeBs. Elle est utilisée dans une durée limitée en temps, quand le terminal se déplace d’un eNodeB à un autre. Par ailleurs, cette interface permet de transférer les paquets de données mis dans les mémoires tampons (buffers) entre eNodeBs. X2-U utilise le même protocole de tunneling GTP, déjà utilisé dans l’interface S1-U.
  19. 19. Long Term Evolution 19 L’interface X2-C (X2 Control plan interface – l’interface X2 du plan de contrôle) est une interface de signalisation. Elle supporte un groupe de fonctions et procédures entre eNodeBs. Les procédures de l’interface X2-C sont très limité en nombre et ils sont toutes relative à la mobilité des usagers entre eNodeB, dans le but d’échanger les informations sur le contexte de l’usager entre les différents nœuds (porteuses alloués, sécurité…). Par ailleurs, l’interface X2-C propose la procédure du « Load Indicator » dont le dut est de permettre à un eNodeB de signaler sa condition de charge aux eNodeBs voisins. Le but de cette procédure est d’aider à supporter la gestion du balancement de la charge ou d’optimiser les seuils du handover ainsi que les décisions du handover. Le besoin d’un transport de signalisation fiable entre les nœuds est le même que dans l’interface S1-C. C’est pour cette raison que l’interface X2-C utilise aussi une couche de transport type « SCTP over IP ». 2. Les plans usager et de contrôle Cette partie décrira de façon globale la structure des protocoles de bout en bout du LTE pour le plan usager et le plan de contrôle, qui correspondent respectivement à transmission des données utilisateurs et la transmission de signalisation. 2.1. L’architecture du plan usager Du point de vue réseau sans fil - y compris le réseau d'accès et cœur - le plan de usager ne comprend pas seulement les données des utilisateurs tels que les paquets de voix ou de contenu Web, mais aussi la signalisation associées aux services d'application tels que le SIP ou RTCP. Cependant bien qu’elle soit considérée comme une information de contrôle par les couches d’application, la signalisation des couches hautes est transmise via le plan usager. Le plan usager de bout en bout est décrit dans la Figure 2.05 (Du terminal jusqu’au serveur d’application). Dans cette image, la couche application, présente uniquement dans le terminal et le serveur d’application, est basé sur un transport IP. Les paquets de niveau application sont routés à travers le Packet Core Gateways, avant d’atteindre leurs destinations. Dans cet exemple, la couche application peut comporter un grand nombre de protocole comme les protocoles de transports de bout en bout (TCP ou UDP) et RTP (Real Time Protocol) pour le transport de données et les protocoles de signalisation de niveau application (SIP, SDP, RTCP, etc.). Par ailleurs, L1 et L2 sont référence respectivement au lien physique et données des interfaces S1, S5 et SGi. Pour ces couches, le standard LTE est assez flexible et propose plusieurs options appropriés aux réseaux IP.
  20. 20. Long Term Evolution 20 Figure 2.05 : La pile protocolaire du plan usager. 2.2.L’architecture du plan de contrôle Le plan de contrôle correspond aux flux d’information considérés par E-UTRAN et EPC comme flux de signalisation. Par exemple, il inclut tous les messages de signalisation du RRC1 (Radio Resource Control) qui supporte des fonctions tels que Radio Bearer Management, la mobilité radio, paging des utilisateurs. Par ailleurs, ce plan comprend aussi la signalisation du NAS (Non Access Stratum) qui fait référence aux fonctions et services indépendant de la technologie d’accès. On verra plus tard, qu’il comprend aussi les couches GMM (GPRS Mobility Management) et SM (Session Management) en charge de toutes les procédures de signalisation entre le terminal de l’utilisateur et MME pour les session et la gestion des porteuses, contrôle de sécurité ainsi que l’authentification. La Figure 2.06 décrit la pile protocolaire du plan de contrôle. La pile s’arrête jusqu’au niveau du MME, parce que les protocoles des couches-hautes se termine au niveau du MME. Sur l’interface radio, le plan de contrôle utilise les mêmes piles PDCP, RLC, MAC and PHY, qui seront présenté dans la prochaine section, pour transporter à la fois RRC et la signalisation NAS du réseau cœur. Les couches RLC, MAC et PHY support les même fonctions à la fois pour le plan usager et le plan de contrôle. Cependant ceci ne veut pas dire que les informations du plan usager et le plan de contrôle sont transmis de la même façon. Plusieurs porteuses radio (Radio bearers) peuvent être établit entre le terminal et le réseau, chacune d’elle correspond à schéma de transmission spécifique, une protection radio et un traitement prioritaire. C’est le but des canaux radio, qui seront présenté dans la prochaine section. 1 Voir 3 de ce chapitre
  21. 21. Long Term Evolution 21 Figure 2.06 : Pile protocolaire du plan de contrôle. 3. Les protocoles de l’interface Radio L’interface radio est distinguée de la transmission filaire par le coût et la rareté du spectre, ainsi le taux d’erreur très élevé de la transmission. A cause de ces caractéristiques, la pile protocolaire de l’interface radio est très spécifique. Il est composé des couches suivantes :  PHY (Physical Layer).  MAC (Medium Access Control) en charge de l’ordonnancement des paquets et la répétition rapide.  RLC (Radio Link Control) est responsable de la transmission fiable de données.  PDCP (Packet Data Convergence Protocol) qui fournit le protocole de compression d’entête et implémente le cryptage de données. L’interface radio E-UTRAN est décrite selon le modèle OSI. Avec une couche physique (Layer1) qui implémente la partie PHY et une couche liaison de données qui supporte le RLC et MAC. 3.1.Architecture en couche radio de l’E-UTRAN La Figure 2.07 donne une vue global sur la structure du protocole radio. Elle décrit brièvement la rôle de chacune des différentes couches et comment elle interagissent avec les autres. Cette figure décrit uniquement les couches protocolaires dans la partie eNodeB, mais les mêmes fonctions et couches existent sur la partie station mobile. A partir du haut de la figure, la couche RRC (Radio Resource Control) supports toutes les procédures de signalisation entre le UE et l’eNodeB. Ceci inclut les procédures de mobilités et la gestion de connexion. Les signalisations venant du plan de contrôle de l’EPC sont transférés au terminal à travers le protocole RRC, d’où le lien entre le RRC et les couches supérieures.
  22. 22. Long Term Evolution 22 La couche PDCP dont le rôle est de fournir le protocole de compression d’entête et implémente le cryptage de données. Cette couche supporte les porteuses radio. Chaque porteuses correspond à un flux d’information comme les données du plan usager ou les signalisations du plan de contrôle. Du à leurs but spécifique et leurs manipulation, les flux d’information généré par les fonctions ‘System Information Broadcast’ et ‘Paging ‘ sont transparent à la couche PDCP. La couche RLC fournit à la couche PDCP les services basique de la couche 2 du modèle OSI, comme la segmentation des données paquet et l’ARQ (Automatic Repeat Request) pour le mécanisme de correction d’erreur. Il y a un mappage un-à-un entre les le flux d’entrée du RLC et les canaux logiques fournit par le RLC à la couche MAC Le but principale est la couche MAC est de mapper et multiplexer les canaux logique sur les canaux de transport après avoir performer les manipulations de priorité sur les flux de données reçu par la couche RLC. La couche MAC supporte aussi HARQ (Hybrid ARQ) qui est un processus de répétition rapide. Finalement, la couche MAC délivre les flux de transport à la couche PHY, qui appliquera la codage canal et la modulation avant la transmission sur l’interface radio. Figure 2.07 : Structure protocolaire en couche dans l’eNodeB pour les canaux de downlink.
  23. 23. Long Term Evolution 23 3.2. Les canaux radio L’interface radio E-UTRAN doit être capable de transmettre des informations à haut débit et à faible temps de latence. Cependant, pas tous les flux d’information ne nécessitent la même protection face aux erreurs de transmission ou la manipulation de la Qualité de Service (QoS). Les messages de signalisations E-UTRAN doivent être transmis le plus rapidement possible en utilisant le meilleur schéma de protection contre les erreurs, car ils sont critique dans le cas d’une mobilité radio. D’un autre coté, la voix et les données peuvent tolérés un frame loss raisonnable, due à la transmission radio. Dans le but d’être flexible et permettre différents schéma pour la transmission de données, les spécifications de l’E-UTRAN ont introduit plusieurs types de canaux :  Les canaux logiques – ce qui est transmit.  Les canaux de transport – comment est transmit.  Les canaux physiques. 3.2.1. Canaux logiques Les canaux logiques correspondent aux services de transfert de données offert par les protocoles des couches hautes de l’interface radio. Il y a uniquement deux types de canaux logiques : les canaux de contrôle, pour les transferts des informations du plan de contrôle et les canaux de trafic pour les transferts des données utilisateur du plan usager. Chacun des canaux de ces deux catégories corresponds à un certain type de flux d’information. Les canaux logiques de contrôles dans l’E-UTRAN sont :  BCCH (Broadcast Control Channel) est un canal commun en downlink, utilisé par le réseau pour broadcaster les informations système de l’E-UTRAN à l’ensemble des terminaux présents dans une cellule radio. Ces informations sont utilisées par le terminal, par exemple pour connaitre l’opérateur, pour avoir des informations sur la configuration des canaux commun de la cellule et comment accéder au réseau, etc.  PCCH (Paging Control Channel) est un canal commun en downlink qui transfert les informations de paging aux terminaux présente dans une cellule.  CCCH (Common Control Channel) est utilisé pour la communication entre le terminal et l’E- UTRAN quand la connexion RRC. Ce canal est typiquement utilisé dans les premières phases de l’établissement de communication.  MCCH (Multicast Control Channel) est utilisé pour la transmission des informations MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast Service) du réseau à plusieurs terminaux.  DCCH (Dedicated control Channel) est un canal point-à-point bidirectionnel qui supporte les informations de contrôle entre un terminal donné et le réseau. Il supporte uniquement les signalisations RRC et NAS. Les canaux logiques de trafic sont :
  24. 24. Long Term Evolution 24  DTCH (Dedicated Traffic Channel) est un canal point-à-point bidirectionnel utilisé entre un terminal donné et le réseau. Il peut supporter la transmission des données utilisateurs qui inclut les données elles mêmes et la signalisation de niveau application associée à ce flux de données.  MTCH (Multicast Trafic Channel) est un canal de données point-à-multipoint pour la transmission de trafic de données du réseau à un ou plusieurs terminaux. Comme pour le MCCH, ce canal est associé au MBMS. 3.2.2. Canaux de transport Les canaux de transport décrivent pourquoi et avec quelles données caractéristique sont transférés à travers l’interface radio. Par exemple, les canaux de transport décrivent comment les données sont protégées contre les erreurs de transmission, le type de codage canal, la protection CRC qui est utilisée, la taille des paquets de données envoyés sur l’interface radio, etc. Cet ensemble d’information est connu sous le nom de ‘Transport Format’. Comme décrit dans les spécifications, les canaux de transports sont classifié en deux catégories : les canaux de transport downlink et les canaux de transport uplink. Les canaux de transport E-UTRAN en downlink sont :  BCH (Broadcast Channel) est associé au canal logique BCCH. Il un ‘Transport Format’ fixé et prédéfini et doit couvrir l’ensemble de la cellule.  PCH (Paging Channel) associé au BCCH.  DL-SCH (Downlink Shared Channel) qui est utilisé pour transporter le contrôle d’usager ou le trafic data.  MCH (Multicast Channel) qui est associé au MBMS pour le contrôle des informations de transport. Les canaux de transport E-UTRAN en uplink sont :  UL-SCH (Uplink Shared Channel) qui est l’équivalent du DL-SCH en uplink.  RACH (Random Access Channel) qui est un canal de transport spécifique supportant un contrôle d’information limité. Il est utilisé durant les premières phases d’établissement de communication ou dans le cas du changement d’état du RRC. 3.2.3. Canaux physique Les canaux physiques sont l’implémentation des canaux transport sur l’interface radio. Leur structure dépend étroitement des caractéristiques de l’interface physique OFDM. Les canaux physiques en downlink sont :  PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) qui transporte les données usager et la signalisation des couches hautes.
  25. 25. Long Term Evolution 25  PDCCH (Physical Downlink Control Channel) qui transport les assignations d’ordonnancement pour le lien montant.  PMCH (Physical Multicast Channel) qui transporte l’information Multicast/Broadcast.  PBCH (Physical Broadcast Channel) qui transporte les informations système.  PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) qui informe l’UE sur le nombre de symboles OFDM utilisé pour le PDCCH.  Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) qui transporte les ACK et NACK des réponses de l’eNodeB aux transmissions en uplink relative au mécanisme HARQ. Les canaux physiques en uplink sont :  PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) qui transporte les données utilisateur et la signalisation des couches hautes.  PUCCH (Physical Uplink Control Channel) transporte les informations de contrôle, comprends les réponds ACK et NACK du terminal aux transmissions downlink, relative au mécanisme HARQ.  PRACH (Physical Random Access Channel) qui transporte le préambule de l’accès aléatoire envoyé par les terminaux au réseau d’accès. En plus des canaux physiques, la couche physique utilise des signaux physiques et qui sont les :  Signaux de référence (Reference signals) – un seul signal est transmit par port d’antenne downlink.  Signaux de synchronisation (Synchronization signals) – divisé en signaux primaire et secondaire de synchronisation. 3.2.4. Mappage entre les canaux La figure ci-dessous présente le mappage entre les canaux logiques, de transport et physiques. Toutes les combinaisons ne sont pas permises, car certains canaux logiques ont des contraintes spécifiques.
  26. 26. Long Term Evolution 26 Figure 2.08 : Mappage entre canaux de l’E-UTRAN. 3.3. La couche PHY Le rôle de la couche PHY est de fournir des services de transport de données sur les canaux physique pour les couches RLC et MAC hautes. La figure suivante décrit le modèle en couche physique de l’eNodeB dans le cas d’un canal de transport SCH. Un modèle similaire existe pour l’uplink et les autres canaux de transport déjà cités. Lors de chaque TTI (Transmission Time Interval) la couche physique reçoit un certain nombre de ‘Transport Blocks’ pour la transmission. Chaque ‘Transport Block ‘ lui sera ajouté une CRC (Cycle de contrôle de redondance) ou un ensemble de bits pour la détection des erreurs de transmission. Ensuite les blocs sont protégés avec un codage canal robuste. Cette phase est sous le contrôle du processus MAC HARQ (Hybrid ARQ) qui adapte le taux de codage canal en se basant sur les informations fournit par l’entité réceptrice. Le processus ‘Interleaving’ ou entrelacement permet d’améliorer la robustesse face aux erreurs de transmission radio. Ce processus permet au décodeur canal de récupérer exactement, les mêmes bits transmirent initialement. Le processus de modulation des données quant à lui, il est sous le contrôle de l’ordonnanceur MAC. Pour les opérations du CRC et entrelacement, la couche PHY utilise des paramètres statiques et des algorithmes spécifiés par le standard E-UTRAN.
  27. 27. Long Term Evolution 27 Figure 2.09 : Le modèle de la couche PHY du Downlink Shared Channel. 3.4. La couche MAC Le but principale de la couche MAC (Medium Access Control) est de fournir un couplage efficace entre les services de la couche RLC 2 et la couche physique. De cette perspective, la couche MAC supporte quatre fonctions principales :  Le mappage entre les canaux logiques et de transport. En effet, quand le standard offre différents options pour le transport de données pour un canal logique donné, la couche MAC s’occupe de choisir le canal de transport selon la configuration choisi par l’opérateur.  La sélection du format de transport – qui fait référence par exemple, au choix la taille du ‘Transport Block’ et le schéma de modulation.  Gestion de propriété entre les connais logique d’une terminale ou entre plusieurs terminaux.  Correction d’erreur à travers le mécanisme HARQ. 3.5.La couche RLC L’objectif principale de la couche RLC (Radio Link Control) est recevoir/délivrer les paquets de données des/aux autres entités RLC pairs. Pour ce, la couche RLC propose trois modes de transmission TM (Transport Mode), UM (Unacknowledged Mode) et AM (Acknowledged Mode). Le mode TM est le plus simple, il ne change pas les données des couches hautes. Ce mode est spécialement utilisé pour la transmission du BCCH ou PCCH. Entité RLC Transparent Mode reçoit les données des couches hautes et les passe directement à la couche MAC. Le mode UM quant à luit, rajoute la détection des pertes des paquets et leurs réorganisation et ré-assemblement. Finalement, le mode AM – le plus compliqué des trois – supporte, supportes les fonctionnalités du mode UM. Aussi, la capacité de demandes à ses pairs la retransmission de paquets dans le cas ou une perte est détectée. Ce
  28. 28. Long Term Evolution 28 mécanisme est spécifique au mode AM est connu sous le nom de ARQ (Automatic Repeat Request). Pour cette raison, le mode AM s’applique uniquement aux canaux logiques DCCH et DTCH. 3.6. La couche RRC La couche RRC (Radio Resource Control) est la couche clé dans le processus de signalisation. Elle supporte plusieurs fonctions entre le terminal et l’eNodeB. Les procédures proposé par la couche RRC peuvent être classifié comme suit :  La gestion de connexion RRC qui inclut l’établissement et la libération de la connexion RRC entre le terminal et l’eNodeB.  L’établissement et la libération des ressources radio – qui est relié à l’allocation des ressources pour le transport des messages de signalisation ou les données utilisateurs entre le terminal et l’eNodeB.  Broadcast des informations système – réalisé à travers le canal logique BCCH.  Paging – qui est réalisé à travers le canal de control logique PCCH.  Transmission des messages de signalisation vers et à partir du EPC – ces messages sont traité par le RRC de façon transparent.  Mesures de contrôle – qui fait référence aux configurations des mesures réalisé par le terminal ainsi que la méthodes de les rapporter à l’eNodeB.  Support des procédures de mobilités inter-cell ou le handover.  Le contexte utilisateurs transféré entre eNodeB lors d’un handover. 3.7.La couche PDCP Le but principale de la couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) est de recevoir/délivrer les paquets de données de/vers les entités PDCP paires. En principe, cette fonction est assurée par la couche RLC. De cette perspective, la couche PDCP fournit des fonctionnalités additionnelles. La valeur ajoutée de la couche PDCP repose sur quatre fonctions principales :  Fonctionnalités relatives à la couche 2, comme réorganisation des paquets RLC dans le cas d’une mobilité inter-eNodeB, la détection des doublets de paquets RLC.  Compression et décompression des entêtes des paquets IP. Le PDCP supporte un unique schéma de compression ROHC (Robust Header Compression).  Chiffrement des données et de la signalisation. ‘Données’ relative aux données utilisateurs et la signalisation de la couche application comme le SIP ou RTCP. ‘Signalisation’ fait référence aux messages de signalisation RRC et les messages de signalisation NAS.  Protection de l’intégrité des signaux. En donnant à la partie qui reçoit, le moyen de déterminer si le message de signalisation a été altéré durant la transmission ou non.
  29. 29. Long Term Evolution 29 3.8. Protocoles NAS La Figure 2.10 le modèle AS/NAS utilisé dans le LTE. Ce modèle, présente deux zone, la zone AS (Access Stratum) et la zone NAS (Non-Access Stratum). Le NAS correspond aux fonctions et procédures qui sont complètement indépendant la technologie d’accès. Ceci inclut des fonctionnalités comme :  Gestion de session, qui inclut l’établissement, modification et la libération de session, ainsi que les négociations de Quality of Service.  Gestion des abonnées, qui correspond à la gestion des données utilisateur.  Gestion de sécurité – qui inclut une authentification utilisateur-réseau mutuelle, ainsi que l’initiation du chiffrement.  Facturation. En 2G/GSM, les fonctionnalités NAS supportées par deux groupes de protocoles, les couches GMM (GPRS Mobility Management) et SM (Session Management) définis par les spécifications 3GPP. Quelques ajouts ont était introduit, comme la gestion du QoS, mais le reste est une duplication des couches NAS hérités du GSM. La couche GMM est en charge des mobilités des terminaux usager. Dans ce contexte, le terme ‘mobilité’ ne fait pas référence à la mobilité radio, comme le handover entre cellules, qui est déjà supporté par l’E-UTRAN. La couche GMM fait référence à la gestion de localisation du terminal. Par ailleurs, la couche GMM supporte quelques fonctions de sécurité comme l’authentification mutuelle, l’activation du chiffrement et la protection d’intégrité et enfin la gestion des états du terminal. La couche SM est construite au-dessus la couche GMM et utilise les services GMM pour la gestion des sessions. La fonction principale de la couche SM est de supporter la gestion du contexte du terminal usager PDP (Packet Data Protocol) et la gestion de porteuse entre le terminal et le SGSN. Ceci, inclut les procédures d’activation modification et la désactivation de session et le porteur associé. Figure 2.10 : Le modèle Access et No-Access Stratum.
  30. 30. Long Term Evolution 30 Chapitre III l’Interface Radio du LTE 1. Introduction Depuis les années 90, les réseaux cellulaires ont connu un certain nombre d’évolutions (de la seconde génération à la 3G+) offrant des débits toujours plus importants et permettant le développement de nouveaux services en plus de la transmission de la voix . La LTE a introduit un certain nombre de nouvelles technologies, permettant l'emploie efficace du spectre et fournissant des débits beaucoup plus élevés. Ainsi, la LTE a utilisé la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) en tant que porteur du signal et les régimes d'accès associés, OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access), SC-FDMA (Single Frequency Division Multiple Access) et MIMO (Multiple Input Multiple Output). 2. Orthogonal Frequency Division Multiplex 2.1 Modulation Single Carrier et Egalisation Le retard induit par le phénomène de trajets multiples peut provoquer l’interférence entre un symbole reçu le long d'un chemin d'accès retardé et un symbole ultérieure arrivant au niveau du récepteur grâce à un trajet plus direct. Cet effet est dénommé interférences entre-symboles (IES). Dans un système à seule porteuse et à des débits très élevés il est possible pour l’IES de dépasser un temps symbole en entier et le causer le déversement d’un symbole dans un symbole ultérieures.
  31. 31. Long Term Evolution 31 Figure 3.01 : Le multi trajets induit des retards de propagation à l’origine du phénomène. Chaque chemin de longueur différente et réflexion différente se traduira par un décalage de phase spécifique. Comme tous les signaux sont combinés au niveau du récepteur, certaines fréquences dans la bande passante du signal subissent des interférences constructives (combinaison linéaire des signaux en phase), tandis que d'autres rencontrent des interférences destructives (combinaison linéaire des signaux hors-phase). Le signal composite reçu est déformée par la fréquence de fading sélectif. Figure 3.02 : Plus les Delay Spreads sont plus longs plus le cana devient sélectif en fréquence. Les systèmes single carrier compensent la distorsion de canal via une égalisation dans le domaine temporel par une des deux méthodes suivantes :  Inversion du canal : avant d’envoyer l’information, on envoi une séquence déjà connu par le récepteur, un égaliseur de canal détermine la réponse du canal pour la multiplier après avec les données reçues pour inverser les effets des trajets multiples.  Egalisateur Rake : employé dans les systèmes CDMA, il combine des copié de signal numérique décalé dans le temps pour aboutir à un meilleur SNR.
  32. 32. Long Term Evolution 32 Pour les débits de la LTE (jusqu'à 100 Mbits / s) et les delay spreads ou temps de propagation (près de 17 μs) L’IES devient beaucoup plus sévère couvrant éventuellement plusieurs périodes de symbole et l’approche d’égalisation canal devient impraticable. 2.2 Principes de l’OFDM Le principe de l'OFDM consiste à répartir sur un grand nombre de sous-porteuses le signal numérique que l'on veut transmettre. Comme si l'on combinait le signal à transmettre sur un grand nombre de systèmes de transmission (des émetteurs, par exemple) indépendants et à des fréquences différentes. Une description d'un modulateur OFDM de base est fournie à la figure 3.03 Il se compose d'une banque Nc de modulateurs complexe, où chaque modulateur correspond à une sous-porteuse OFDM. En bande de base, un signal OFDM x(t), en notation complexe, au cours de l'intervalle de temps (m tu ≤ t< (m +1) Tu) peux donc être exprimée par : Où Xk(t) est la kième sous-porteuse modulée avec la fréquence fk = k*Δf et ak est le symbole de modulation, complexe en général, appliquée à la sous-porteuse kième durant l'intervalle m du symbole OFDM, c'est à dire pendant l'intervalle de temps (m Tu ≤t < (m+1) Tu). La transmission OFDM est basée sur des blocs, ce qui implique que, au cours de chaque intervalle d'un symbole OFDM, Nc symboles de modulation sont transmis en parallèle. Les symboles de modulation peuvent être de n'importe quel alphabet de modulation, tels que QPSK, 16QAM, ou 64QAM. Figure 3.03 : Le modulateur OFDM. Les caractéristiques de base de la transmission OFDM, qui la distinguent d'une simple extension multi-porteuses d'une transmission à régime étroit, sont les suivants :  L'utilisation d'un nombre relativement important de sous-porteuses à bande étroite. Par exemple, une évolution multi-porteuse de WCDMA avec une largeur de bande globale de 20MHz pourrait se composer de quatre sous-pourteuses, chacun avec une bande passante de l'ordre de 5 MHz. En revanche, la transmission OFDM peut impliquer plusieurs centaines sur la liaison radio à même le même récepteur.  Une impulsion simple de forme rectangulaire comme illustré dans la figure 3.04 correspond à un spectre sinc-carré par sous-porteuse, comme l'illustré dans la figure 3.05.
  33. 33. Long Term Evolution 33  Ces sous-porteuses sont serrées dans le domaine fréquentiel; soit un espacement de f = 1/Tu, où Tu ; est le temps de modulation d'un symbole par sous-porteuse (voir Figure 2.9). Figure 3.04 : forme des impulsions et le spectre d’une sous-porteuse OFDM. Figure 3.05 : espacement des sous porteuses OFDM. Pour 3GPP LTE l'espacement sous-porteuse de base est de 15 kHz. D'autre part, le nombre de sous-porteuses dépend de la largeur de bande de transmission, avec dans l'ordre de 600 sous-porteuses en cas de fonctionnement dans un spectre de 10MHz. Le terme Orthogonal Frequency Division Multiplex est dû au fait que deux sous-porteuses OFDM modulées xk1(t) et xk2(t) sont orthogonales entre elles au cours de l'intervalle de temps m Tu ≤t < (m+1) Tu. Pour que les fréquences des sous-porteuses soient les plus proches possibles et ainsi transmettre le maximum d'information sur une portion de fréquences donnée, l'OFDM utilise des sous-porteuses orthogonales entre elles. Les signaux des différentes sous-porteuses se chevauchent mais grâce à l'orthogonalité n'interfèrent que peux. En codage orthogonal, l'espacement entre chaque sous-porteuse doit être égal à : Δf = fq − fq+1 = n T Hz Cela implique que l’interaction entre sous porteuses et approximativement nul telle que : cos⁡(2π fq T 0 t + φ) ∗ cos 2πfq+1t dt ≈ 0 Où T secondes est la durée utile d'un symbole (c.à.d. la taille de la fenêtre de capture du récepteur), et n est un entier positif, généralement égal à 1. Par conséquent, avec N sous-porteuses la largeur totale de la bande passante sera de B ≈ N·Δf (Hz).
  34. 34. Long Term Evolution 34 Le multiplexage orthogonal permet une haute efficacité spectrale, la bande passante étant quasiment utilisée dans son intégralité. Ce pseudo orthogonalité produit un spectre de fréquence presque plat (typique du bruit blanc), ce qui entraîne un minimum d'interférences avec les canaux adjacents. Un filtrage séparé de chaque sous-porteuse n'est pas nécessaire pour le décodage, une transformée de fourrier FFT étant suffisante pour séparer les porteuses entre elles. 2.3 Avantages de l’OFDM Pour éliminer l’IES, le symbole OFDM est constitué de deux composantes principales: le CP et une période FFT (TFFT). La durée du CP est déterminée par le plus haut degré prévu de delay spread . Lorsque les signaux transmis arrivent au niveau du récepteur par deux chemins de différentes longueurs, ils sont décalés dans le temps comme la montre la figure ci-dessous : Figure 3.06 : OFDM Elimine l’IEDS via des périodes symbole plus longues et le préfixe cyclique. Avec un CP d'une durée suffisante, les symboles précédant ne rejaillissent pas sur la période FFT(contenant l’information utile), il n'y a que des perturbations causées par les « copies »- échelonnées dans le temps, du symbole actuel. Une fois la réponse impulsionnelle du canal est déterminée (par transmission périodique des signaux de référence connus), les distorsions peuvent être corrigées en appliquant un décalage de base d'amplitude et de phase sous- porteuse par sous-porteuse.
  35. 35. Long Term Evolution 35 Figure 3.07 : La FFT de symbole OFDM révèle des sous-porteuses distinctes. L’OFDM a deux faiblesses principales par rapport aux systèmes à porteuse unique : la sensibilité aux erreurs de fréquence porteuse (due soit à l'offset de l’oscillateur local ou aux décalages Doppler) et un grand rapport puissance crête-à-moyenne du signal (PAPR, Peak-to-Average Power Ratio). 3. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) 3.1 La structure des trames en LTE Pour remédier aux problèmes de la faible efficacité des réseaux orientés-pacqués où beaucoup de ressources sont consommées pour la gestion, la période back-off conçue pour minimiser les collisions est assez longues et le pacqué garde la bande passante complet pendant la transmission et l’acquittement, la mise en œuvre d’un système plus performant est devenue indispensable. C’est ainsi que l’OFDMA s’est présenté avec un faible temps de latence et une grande efficacité. Les trames LTE sont de 10 ms. Ils sont divisés en 10 sous- trames, chaque sous-trame de longueur 1,0 ms. Chaque sous-cadre est divisée en deux slots, chacun de 0,5 ms. Un slot est composé de 6 ou 7 symboles OFDM, selon que le préfixe cyclique normal ou étendu est employé.
  36. 36. Long Term Evolution 36 Figure 3.05 : Structure générique de trame LTE. 3.2 Définition du ‘Physical Resource Block’ En LTE, l’espace temps/fréquence est divisé en PRB (Physical Resource Blocks). Chaque PRB est défini comme étant composé de 12 sous-porteuses consécutives pour un slot (0,5 ms). Un PRB est le plus petit élément d'allocation des ressources affectées par le planificateur de station de base. Figure 3.06 : Physical Resource Blocks. Le nombre total de sous-porteuses disponibles dépend de la largeur de bande de transmission globale du système. Les spécifications LTE définissent les paramètres de bande passante système à partir de 1,25 MHz à 20 MHz comme la montre la figure :
  37. 37. Long Term Evolution 37 Figure 3.07 : Tableau récapulatif du nombre de PRBs disponibles par bande-passante. La performance d’un canal secondaire alloué à un utilisateur sera différente de celle d’un autre utilisateur, puisque les qualités de canal y sont différentes, en fonction des conditions de propagation individuelles. Ceci veut dire qu’un canal qui a de mauvaises performances avec un utilisateur peut se révéler favorable à un autre. La technique OFDMA exploite cette caractéristique, du fait qu’elle permet d’allouer des canaux différents selon les utilisateurs dans une fenêtre temporelle à configuration variable. On consacre des ressources aux canaux de contrôles communs qui sont classiquement des informations sur le réseau, la cellule et les symboles pilotes qui sont utiles pour effectuer l'identification de la réponse du canal. Figure 3.08 : Répartition des ressources sur les utilisateurs. 4. Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) SC-FDMA est bien adapté aux exigences de LTE en uplink. Il offre des performances et une complexité globale similaire a l’OFDMA mais utilise en revanche une technique de multiplexage fréquentiel à une seule porteuse.
  38. 38. Long Term Evolution 38 La chaine de transmission du SC-FDMA est la suivante : Figure 3.09 : Chaine de transmission SC-FDMA. Le SC-FDMA peut être vue comme un OFDMA où des symboles de données de domaine de temps sont transformés au domaine de fréquence par DFT (Discret Fourier Transform) avant de passer par une modulation OFDMA. Les signaux binaires d'entrée sont transformés en signaux complexes à l'aide d'un modulateur en bande de base dans un format possible de modulation : BPSK, PSK, QPSK et 64-QAM. Ces signaux sont mis à l'entrée d'un DFT pour transformation dans le domaine fréquentiel. L'utilisation de la DFT a été choisie pour les raisons suivantes:  la détection après le IDFT donne un SNR (Signal Noise Ratio) est proportionnellement repartie sur la bande entière. Car dans le cas d'une détection en OFDMA, le canal ayant subi un bruit aura un SNR faible et proportionnelle seulement à ce canal contrairement au SC-FDMA où la détection est faite sur la bande du signal (donnée en domaine temporel)  la transmission en série des données avec la mono porteuse rend le PAPR faible. Figure 3.10 : Comparaison entre la détection en SC-FDMA et OFDMA.
  39. 39. Long Term Evolution 39 Cette transformée de Fourier discrète produit une représentation de symboles dans le domaine fréquentiel qui sont transmis au bloc Subcarrier Mapping pour transformation en M sous porteuses orthogonales. Puis une IDFT a N points permet d’obtenir un unique signal dans le domaine temporel. L'émetteur effectue deux autres opérations avant la transmission : il insère un ensemble appelé préfixe cyclique (CP) offrant un temps de garde suffisant pour éviter l'interférence entre bloque transmis due à la propagation de multi trajets. Généralement, le préfixe cyclique est une copie de la dernière partie du bloque. Un filtrage linéaire est nécessaire afin de réduire l'énergie du signal. Le filtre utilisé est un filtre en cosinus sur- élevé. A la réception, le récepteur transformera le signal reçu en domaine fréquentiel via le DFT, exécutant ainsi l'égalisation fréquentielle. Puisque le SC-FDMA utilise la modulation mono porteuse et donc soumis aux interférences inter symbole alors un égaliseur est nécessaire afin de combattre l'ISI (contrairement au CP qui combat l'interférence entre bloque). Les symboles égalisés sont transformés via l'IDFT en domaine temporel permettant une détection et un décodage dans le dit domaine. Le SC-FDMA utilise deux méthodes pour associer les données aux sous-porteuses (mapping):  Distribué : Un certain nombre de zéros est inséré entre chaque échantillon de sortie de la DFT, offrant une plus grande diversité fréquentielle. Donc, les données de l'utilisateur occupent un ensemble de sous-porteuses réalisant non consécutives de façon à réaliser une diversité en fréquence.  Localisé : Aucun zéro n’est inséré entre les échantillons de sortie de la DFT (Discrete Fourier Transform), ceux-ci étant donc transposés sur des sous-porteuses consécutives. Donc, les données de l'utilisateur occupent un ensemble de sous porteuses consécutives localisées réalisant ainsi le gain sélectif en fréquence par établissement d'un ordonnancement dépendant du canal dépendant (Channel-Dependent Scheduling : CDS). Figure 3.11 : Mode Localisé et Mode Distribué.
  40. 40. Long Term Evolution 40 5. Multiple Input Multiple Output et Maximal Radio Combining (MIMO & MRC) 5.1 Principe du MRC Les techniques actuelles associées à des modulations et des codages adaptées mettant en œuvre un lien point à point permettent d’approcher à la limite théorique de Shannon. De récentes recherches en théorie de l’information ont montré que la capacité des systèmes multi-antennes (MIMO) augmente linéairement avec le nombre d’antennes, dépassant considérablement la limite théorique de Shannon en apparence et ceci sans consommer de ressources radios supplémentaires. Ces systèmes permettent ainsi d’augmenter le débit usager et de combattre efficacement les évanouissements et les interférences en exploitant la diversité produite par le canal MIMO (constitué de sous canaux), améliorant ainsi la qualité du lien sans fil. Le LTE la technique de Maximal Ratio Combining(MRC) est utilisée pour accroître la fiabilité du lien dans des conditions de propagation difficiles quand la force du signal est faible et les conditions de trajets multiples sont difficiles. Avec la MRC, un signal est reçu par deux (ou plus) d'antennes séparées / paires émetteur- récepteur. Notez que les antennes sont physiquement séparées, et donc ont des réponses impulsionnelle distinctes du canal. La compensation de canal est appliquée à chaque signal reçu dans le processeur bande de base avant d'être linéairement combinés pour créer un signal composite unique reçu. Lorsqu'ils sont combinés de cette façon, les signaux reçus sont ajoutés de façon cohérente dans le processeur bande de base. Toutefois, le bruit thermique de chaque émetteur-récepteur est non corrélé. Ainsi, la combinaison linéaire des signaux de canal compensés en bande de base donne comme résultat une augmentation moyenne de 3 dB du SNR pour un récepteur à deux canaux MRC dans un bruit d’environnement limité.
  41. 41. Long Term Evolution 41 Figure 3.12 : La technique MRC améliore la fiabilité du lien. 5.2 Principe de MIMO : La MRC améliore la fiabilité du lien, mais elle n'augmente pas le taux nominal de données du système. En mode MRC, les données sont transmises par une antenne unique et sont traitées au niveau du récepteur par l'intermédiaire de deux récepteurs ou plus. MRC est donc une forme de diversité de récepteurs plutôt que plus de diversité d'antenne classique. La MIMO, d'autre part, augmentent les taux de données du système. Afin d’obtenir un gain en diversité et en débit, la LTE MIMO propose Un système qui se compose de 4 antennes émettrices et 4 antennes réceptrices (configuration inférieure possible). Ainsi, le récepteur doit déterminer la réponse impulsionnelle du canal de chaque antenne d'émission. En LTE, les réponses impulsionnelles des canaux sont déterminées par la transmission séquentielle de signaux de référence connus de chaque antenne de transmission. Notez que pendant qu’une antenne émettrice envoie le signal de référence, l'autre antenne est inactive. Une fois que les réponses impulsionnelles du canal sont connues, les données peuvent être transmises par les deux antennes en même temps comme le montre la Figure ci-dessous.
  42. 42. Long Term Evolution 42 Figure 3.13 : Illustration du principe MIMO. 6. Power Control Afin de s'adapter aux changements dus aux interférences inter-cellulaires ou de correction des pertes ou des erreurs des amplificateurs de puissance, le LTE adopte un système de contrôle de puissance. Comme il est indiqué à la Figure, le UE transmettre la puissance, exprimée en dBm, est fixé comme suit: P = min (Pmax, P0 +10 ° log10M + α · L + Δmcs + f (Δi)) Avec : Pmax est la puissance d'émission maximale UE P0 est un paramètre specifique UE (Éventuellement spécifique des cellules) M est le nombre des ressources affectées blocs (BPR) à un certain utilisateur α est le facteur de compensation des pertes L est la mesure de chemin de liaison descendante en se basant sur PDL Δmcs est un paramètre spécifique d’UE-spécifiques signalée par couches supérieures Δi est une valeur spécifique de correction de gros en boucle valeur avec une augmentation relative ou absolue en fonction de f ().
  43. 43. Long Term Evolution 43 Figure 3.14 : La signalisation du contrôle de puissance. Le contrôle de puissance cherche généralement à maximiser la puissance reçue de signaux souhaités tout en limiter les perturbations. Les terminaux qui sont plus loin de la cellule voisine peut transmettre avec plus de puissance que les terminaux qui sont à proximité de la cellule. L’orthogonalité des porteuses dans LTE permet la transmission de signaux avec différents puissance dans la même cellule. À court terme, cela signifie qu'au lieu de compenser les pics de multipath fading par réduction de puissance, on peut exploiter ces pics d'augmenter le taux de données au moyen de planification et adaptation de liaison.

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