2. Pourquoi ce cours ? ?
Comprendre la logique d'évolution vers LTE
Comprendre l'architecture LTE
Comprendre les techniques d'accès OFDM et OFDMA
ISI M1 SSII 2
3. Plan
1 Évolution vers LTE
2 Architecture LTE
3 Technique d'accès OFDMA
4 LTE Advanced
5 Gestion de QoS dans LTE
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4. 1 Évolution vers LTE
2 Architecture LTE
3 Technique d'accès OFDMA
4 LTE Advanced
5 Gestion de QoS dans LTE
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5. Introduction
LTE : Long Term Evolution
3GPP a commencé les travaux sur l'évolution de la technologie
cellulaire 3G avec un atelier qui a eu lieu à Toronto au Canada
en Novembre 2004.
Les spécications de base de la LTE sont incluses dans la
Release 8
LTE fait partie des normes UMTS (3GPP)
La commutation par circuits n'est plus utilisée
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9. Objectifs LTE
Des débits plus élevés : de 10 à 300 Mbps en DL, de 5 à 75
Mbps en UL
Mobilité plus importante : jusqu'à 350km/h
Réponses plus rapides : latence moyenne de 20ms et peut
descendre en dessous des 5ms en condition optimale (un
réseau UMTS a une latence moyenne de 300ms)
Réduction du coût par bit
Architecture simpliée, interfaces ouvertes, plus
d'utilisateurs par cellule
Compatible avec les anciennes normes
Plus de services à moindre coût avec une meilleure
expérience utilisateur
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10. Services LTE
Un réseau full IP : L'avantage d'un réseau full IP est la
simplicité de son interconnection avec le réseau internet ainsi
que la possibilité d'utiliser tous les services déjà développés
pour celui-ci
La voix sur IP : La norme LTE propose un service de voix sur
IP. Ce type de communication vocale, déjà courante sur les
lignes xes, est amené à se généraliser au mobile.
MBMS : Ce service propose du multicast et du broadcast
multimédia. Il est prévue pour concurrencer la TNT mobile.
Son atout majeur est qu'il ne demande pas de développer un
réseau spécique. Le réseau LTE sut.
D'autres services viendrons, la norme est en cours de
développement
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11. 1 Évolution vers LTE
2 Architecture LTE
3 Technique d'accès OFDMA
4 LTE Advanced
5 Gestion de QoS dans LTE
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13. E-UTRAN
L'E-UTRAN est la partie accès radio d'un réseau LTE
L'E-UTRAN permet la connexion entre l'UE et l'EPC
Les stations de base (eNodeB ou eNB) sont le principal constituant de
l'E-UTRAN
Techniques de codage : OFDMA en downlink et SC-FDMA en uplink
Deux techniques de duplexage sont utilisées : TDD ou FDD
Interfaces :
S1 : utilisées pour les connexions à EPC
S1-MME : supporte le trac de signalisation et de contrôle vers le
MME
S1-U : supporte le ux des données utilisateurs (voix et données)
allant ou venant des SGW
X2 : relient chaque eNode B aux eNode B voisins et qui sont utilisées
notamment pour gérer le handover d'un mobile d'une cellule radio vers
une autre.
La connexion physique des eNodeB 4G au c÷ur du réseau LTE est
réalisée par un réseau de backhaul généralement constitué de liaisons en
bres optiques supportant des protocoles IP (IPv6)
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14. E-UTRAN
Les améliorations par rapport aux autres réseaux 2G et 3G :
Architecture simpliée par l'intégration dans les eNodeB des
fonctions de contrôle qui étaient auparavant implémentées dans le
RNC ou le BSC.
Il permet des performances supérieures (débits et diminution de la
latence) grâce aux liens généralement optiques vers le c÷ur de
réseau et vers les antennes distantes et à la simplication du réseau
Le codage radio OFDMA et l'utilisation d'antennes multi-modes
MIMO contribuent aussi aux débits plus élevés et à une meilleure
adaptation à des conditions radio défavorables (échos, chemins
multiples) notamment grâce à la décomposition du signal en des
centaines de sous-porteuses indépendantes
Plus grande souplesse dans le choix des largeurs de bandes
fréquence (de 1,4 MHz à 20 MHz) et la possibilité d'attribution
dynamique de bande passante à chaque abonné (via le nombre de
sous-porteuses et une réattribution temporelle rapide : chaque ms)
ce qui en fait un support optimisé pour des usages qui nécessitent
des débits variant rapidement tels l'accès à internet, les jeux
interactifs ou la cartographie (GPS)
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15. Femtocell
On distingue deux types de cellules :
Macrocell (eNodeB)
Femtocell (Home eNodeB)
Une femtocell est une petite cellule permettant des
transmissions mobiles à la résidence. La consommation
d'énergie doit être faible.
Dans une zone gérée par un eNodeB, la QoS n'est pas bien
garantie si un UE se trouve loin de l'eNodeB, alors
l'installation de Home eNodeB permet d'équilibrer la charge.
Le but principal du concept de femtocell est de mieux gérer la
ressource radio (la séparation de ressources indoor (gérées par
Home eNodeB) et outdoor (eNodeB). De ce fait, un UE à la
maison peut obtenir la QoS.
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16. EPC
HSS (Home Subscriber Server) : Base de données qui contient les
informations relatives aux abonnés. Elle intervient aussi dans la gestion de la
mobilité, la conguration de session et des appels, l'authentication de
l'utilisateur et l'autorisation d'accès.
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17. EPC
S-GW (Serving GateWay) : C'est le point d'interconnexion entre la partie
radio et l'EPC. Comme son nom l'indique, la fonction principale de cette
passerelle est l'acheminement des paquets IP entrants et sortants. Elle gère
aussi le handover inter-eNodeB. Elle est relié à la PDN GW.
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18. EPC
P-GW (PDN GateWay) : C'est le point d'interconnexion entre l'EPC et les
réseaux IP externes (appelés PDN). La fonction principale de PDN GW est le
routage des paquets vers et en provenance des ces réseaux. Autres fonctions :
adressage IP, facturation, ...
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19. EPC
MME (Mobility Management Entity) : C'est l'entité qui gère la signalisation
liée à la mobilité et la sécurité pour l'accès E-UTRAN.
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20. EPC
PCRF (Policy charging and Rules Function) : Il est principalement
responsable de l'élaboration des politiques et des décisions de contrôle. Fournir
des informations de QoS à la PDN GW ; Gérer et contrôler de façon dynamique
les sessions de données ; Garantir la QoS minimale ; politique de facturation.
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21. 1 Évolution vers LTE
2 Architecture LTE
3 Technique d'accès OFDMA
4 LTE Advanced
5 Gestion de QoS dans LTE
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22. Rappels sur les techniques d'accès
Objectif d'une technique d'accès : gérer l'accès multiple au
canal
Ces techniques doivent :
réduire les interférences
permettre des débits satisfaisants
gérer d'une façon intelligente les ressources radio
être robustes face aux uctuations du canal radio
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24. La technique d'accès OFDMA
OFDMA : Orthogonal Frequency Division Multiple
Access
C'est une technique hybride entre l'OFDM, le TDMA et le
FDMA
OFDMA est une version multi-utilisateur de l'OFDM
OFDM dénit des sous-porteuses orthogonales pour
transmettre les données d'un seul utilisateur
OFDMA devise chaque sous-porteuse en plusieurs tranches et
aecte les utilisateurs dynamiquement
Utilisation : LTE en Downlink, Wimax
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25. 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
le ux originel de données de débit R est multiplexé en N ux
parallèles de débit R/N
l'OFDM utilise des sous-porteuses orthogonales entre elles. Les
signaux des diérentes sous-porteuses se chevauchent mais
grâce à l'orthogonalité n'interfèrent pas entre eux
Le produit scalaire pendant la durée de transmission d'un
symbole entre chacune des porteuse est nulle
l'orthogonalité signie que le pic d'une sous-porteuse coïncide
avec le zero des sous-porteuses adjacentes
l'orthogonalité est garantie par un espacement entre les sous
porteuses qui est égal à 1/Ts où Ts est la période symbole.
Utilisation : DAB, DVB-T, IEEE 802.11 a et g
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27. l'OFDM
L'OFDM divise une bande de fréquence en plusieurs
sous-canaux espacés par des zones libres de tailles xes.
Par la suite, un algorithme, la Transformée de Fourier Rapide
Inverse (Inverse Fast Fourier Transform, IFFT), véhicule le
signal par le biais des diérents sous-canaux.
C'est également cet algorithme qui s'occupe de la
recomposition du message chez le récepteur.
Le but est alors d'exploiter au maximum la plage de fréquence
allouée tout en minimisant l'impact du bruit (interférences)
grâce aux espaces libres séparant chaque canal.
Cette technique apparaît alors comme une solution pour les
canaux qui présentent des échos importants (canaux multi
trajets).
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28. l'OFDM
Un canal multi trajet présente une réponse fréquentielle qui
n'est pas plate (cas idéal) mais comportant des creux et des
bosses, dus aux échos et réexions entre l'émetteur et le
récepteur.
Un grand débit impose une grande bande passante et si cette
bande passante couvre une partie du spectre comportant des
creux (dus aux trajets multiples), il y a perte totale de
l'information pour la fréquence correspondante. Le canal est
alors dit sélectif en fréquence.
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29. l'OFDM
Pour remédier à ce désagrément, l'idée est de répartir
l'information sur un grand nombre de porteuses, créant ainsi
des sous-canaux très étroits pour lesquels la réponse
fréquentielle du canal peut-être considérée comme constante.
Ainsi, pour ces sous canaux, le canal est non sélectif en
fréquence, et s'il y a un creux, il n'aectera que certaines
fréquences.
L'idée est d'utiliser la diversité apportée pour lutter contre la
sélectivité fréquentielle et temporelle du canal. En diusant
l'information sur un nombre important de porteuses, on
s'aranchit alors de la sélectivité du canal.
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30. La technique d'accès OFDMA
Les sous porteuses sont divisées en blocks appelés PRB
(Physical Resource Blocks).
Chaque utilisateur se voit attribuer un nombre des blocks sur
une ou plusieurs sous-porteuses
La répartition des PRBs est géré par une fonction de
planication à la station de base
Cette attribution est dynamique selon la QoS demandée
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31. La technique d'accès OFDMA
Les avantages de l'OFDMA
Un débit binaire plus élevé grâce à sa grande ecacité
spectrale (nombre de bits transmis par Hertz)
Capacité à conserver un débit élevé même dans des
environnements défavorables avec échos et trajets multiples
Un facteur de réutilisation des fréquences égal à 1 (comme en
CDMA)
Compatible avec la technique MIMO
Plus besoin du cell breathing (utilisé en UMTS)
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32. La technique d'accès SC-FDMA
SC-FDMA : Single Carrier - Frequency Division Multiple
Access
Peut être vue comme une variante de l'OFDMA
Elle utilise, en complément, une DFT (Transformation de
Fourier discrète du signal) supplémentaire pour précoder
l'OFDMA conventionnel
Utilisée en Uplink (Mobile vers eNodeB)
Permet de bénécier au terminal mobile en termes d'ecacité
énergétique, en diminuant la puissance crête d'émission et
donc le poids et le coût du terminal (smartphone ou tablette)
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34. Trames LTE
Le système 3G LTE a déni une structure de trame et de
sous-trame pour l'E-UTRA (interface radio pour la 3G LTE).
Objectifs :
Maintien de la synchronisation
Gestion les diérents types d'informations transportées
Les structures de trames pour la LTE dièrent entre les modes
duplex TDD et FDD.
Il existe deux types de structures de trames LTE :
Type 1 : Utilisé pour le mode LTE FDD
Type 2 : Utilisé pour le mode LTE TDD
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35. Trame LTE Type 1
Durée totale de la trame 10 ms
20 slots individuels de 0,5ms
La sous-trame LTE se compose de deux slots (1ms)
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37. Trames LTE type2
Les sous-trames peuvent être divisées en sous-trames de types sous-trames
spéciales.
Facilitent le switch entre le DL to UL
Composées de trois champs
1 DwPTS - Downlink Pilot Time Slot : Utilisé pour la synchoronisation
download
2 GP - Guard Period :
Permet la transition du DL au UL
Assure la transmission de UE sans avoir des interférences entre UL
et DL.
3 UpPTS - Uplink Pilot Time Stot
Utilisé par eNode B pour déterminer le niveau de puissance reçu
UE écoute les signaux de références ou RACH transmission (dans le
cas où UpPTS a 2 symboles OFDM)
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39. 1 Évolution vers LTE
2 Architecture LTE
3 Technique d'accès OFDMA
4 LTE Advanced
5 Gestion de QoS dans LTE
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40. LTE Advanced
LTE-A est une évolution de la norme LTE permettant de
répondre aux exigences émises par l'IMT Advanced pour la
4G : Débit DL 1 Gb/s à l'arrêt et à plus de 100 Mb/s pour un
terminal en mouvement,
Normalisation :
3GPP Release 8 (rel-8) pour le LTE,
3GPP Releases 10, 11 et 12 pour le LTE-A
Evolutions de la norme LTE vers le LTE Advanced :
Améliorations indépendantes :
Agrégation de porteuses : utiliser un spectre hertzien (contigu
ou pas) pouvant atteindre 100 MHz de largeur
MIMO, beamforming
Des relais radio à coûts plus faibles pour étendre la couverture
des cellules principale
CoMP (Coordinated Multi-Point) : micro-synchronisation entre
cellules et le SON (Self Organizing Network)
LTE et LTE Advanced utilisent un c÷ur de réseau IP (IPv6)
pour transmettre la voix (protocole VoLTE) et les données.
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41. Carrier Aggregation (CA)
Aggrégation de porteuse : LTE-A permet d'agréger jusqu'à
cinq porteuses d'une largeur de bande maximale de 20 MHz
pour atteindre une largeur de bande globale maximale de 100
MHz.
Une bande de 20 MHz permet d'avoir un débit de 150 Mbit/s.
En agrégeant 5 porteuses, la bande totale atteint 100 MHz, le
débit sera donc 5 fois plus élevé.
En augmentant le nombre d'antennes (MIMO) au niveau de
l'émetteur et du récepteur et en améliorant la modulation
(jusqu'à 256 QAM) avec de bonnes conditions radios (mobile
proche de l'antenne), le débit peut dépasser le Gbps.
Trois modes diérents de CA :
agrégation intra-bande contiguë
agrégation intra-bande non contiguë,
agrégation inter-bande.
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43. eICIC
ICIC a été introduit dans la Rel-8 : Les eNB peuvent
communiquer via l'interface X2 pour atténuer les interférences
intercellulaires pour les mobiles au bord de la cellule.
ISI M1 SSII 43
44. eICIC a été introduit dans la Rel-10 : Une macro-cellule et de
petites cellules partageant un même canal peuvent utiliser des
ressources radio dans diérentes plages de temps.
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45. CoMP
CoMP est utilisé pour améliorer les performances du réseau
aux bordures des cellules.
En DL, deux approches de CoMP :
Coordinated Scheduling/Beamforming (CS/CB)
Joint transmission.
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47. MIMO
La combinaison linéaire des deux ux de données sur les deux
antennes du récepteur donne comme résultat un système de
deux équations
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49. Self-Organizing Network (SON)
Dans les réseaux cellulaires 2G et 3G, la planication, la mise
en service, la conguration et l'intégration sont congurés
manuellement.
Le coût de gestion est très élevé pour les opérateurs.
SON est une technologie conçue permettant :
l'auto-conguration, l'auto-exploitation et l'auto-optimisation
des équipements des réseaux cellulaires.
Un déploiement rapide de nouvelles stations de base sans
intervention humaine.
L'auto-conguration a pour but de réduire les coûts de
l'intervention humaine en introduisant des fonctionnalités
plug play dans les eNode B.
Elle comprend toutes les tâches nécessaires pour automatiser le
déploiement et la mise en service de réseaux ainsi que la
conguration des paramètres.
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50. 1 Évolution vers LTE
2 Architecture LTE
3 Technique d'accès OFDMA
4 LTE Advanced
5 Gestion de QoS dans LTE
ISI M1 SSII 50
51. Gestion de QoS dans LTE
LTE utilise comme UMTS la notion de Bearer (concept virtuel
qui correspond à un ensemble de conguration du réseau pour
eectuer un traitement particulier sur les classes du trac)
ISI M1 SSII 51
52. Default Bearer vs. Dedicated Bearer
Default Bearer :
Lorsque le mobile LTE se connecte au réseau pour la première
fois, il se voit aecter un default bearer qui reste aussi
longtemps que l'UE est attaché.
Ore un service best eort.
Livré avec une adresse IP.
L'UE peut également avoir des bearers supplémentaires.
Chaque default bearer aura une adresse IP distincte.
Les classes de service dont les identiants (QCI) de 5 à 9
(Non-GBR) peuvent être assigné au porteur par défaut.
Dedicated Bearer :
Fournit un tunnel dédié (traitement diérencié) à un type
spécique du trac (VoIP, vidéo, etc).
Agit comme un bearer supplémentaire au-dessus du default
bearer.
Utilise la meme adresse IP du default bearer
GBR (QCI de 1 à 4) ou non-GBR (QCI de 5 à 9)
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54. Classes des services
Les services GBR (Guaranteed Bit Rate) sont assurés par des
paramètres tels que :
GBR : le débit minimum garanti par EPS bearer (spécié
indépendamment entre l'UL et le DL)
MBR : le débit maximum garanti par EPS bearer (spécié
indépendamment entre l'UL et le DL)
Les services non-GBR (Non Guaranteed Bit Rate) ne
permettent pas des garanties sur les débits et donc utilisent
des paramètres tels que :
A-AMBR (APN Aggregate maximum bit rate) : le débit
maximum autorisé par un APN (spécié indépendamment
entre l'UL et le DL).
UE-AMBR (UE Aggregate maximum bit rate) : le débit
maximum autorisé par tous les APN pour un seul UE.
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55. Classes des services
ARP (Allocation and retention priority) : utilisé principalement
pour accepter/refuser une modication ou une création d'un
bearer selon les ressources disponibles.
TFT (Trac ow template) : associé toujours à un dedicated
bearer. Il dénit les règles de traitement d'un paquet selon la
QoS requise en se basant principalement sur les adresses
source et destination du paquet et le protocole utilisé.
L-EBI (Linked EPS bearer ID) : Informe le Dedicated bearer
sur le default bearer à qui il est connecté.
IP Address/ PDN : détermine l'adresse IP et le PDN auquel
le default bearer est attaché. N'est pas utilisé par les dedicated
bearers car ces derniers utilisent les mêmes adresses IP que les
default bearers.
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