advanced lte (a-lte) planning
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PROJET DE FIN D’ETUDES
Pour l’obtention du Diplôme National d’Ingénieur
Dimensionnement et planification d’un
réseau Advanced-LTE (A-LTE)
pour Tunisie Télécom
Année universitaire : 2012-2013
Réalisé par : Encadré par :
Mohamed Daoud Mr. Kais Ameur
Mme. Jihene Ben Abderrazek
Mr. Ibrahim Ben Lazreg
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Sommaire Liste des Figures ........................................................................................................................... 4 Liste des Tableaux ........................................................................................................................ 6 Liste des abbreviations ................................................................................................................. 7 INTRODUCTION GENERALE ..........................................................................................................10 Chapitre 1: Introduction au réseau 4G ..........................................................................................11 I Introduction ..............................................................................................................................11 I.1 L'évolution vers le 4G .............................................................................................................11 I.2 Architecture d’un réseau LTE ..................................................................................................12 I.3 Les entités du réseau d'accès ..................................................................................................12 I.4 Les entités du réseau cœur .....................................................................................................13 I.5 Les interfaces .........................................................................................................................16 II Innovation technique en LTE-Advanced .....................................................................................16 II.1 Agrégation de porteuses ........................................................................................................16 II.2 Le Concept Coordonné multipoints (CoMP) ............................................................................16 II.2.1 CB/CS (Coordinated BeamForming/Coordinated Scheduling) ...............................................16 II.2.2 Joint Transmission ..............................................................................................................17 II.2.3 Dynamic Cell Selection : DCS pour le sens descendant ..........................................................18 II.3 Les Nœuds Relais ...................................................................................................................18 II.4 Les réseaux hétérogènes (HetNet) ..........................................................................................19 III La structure de la trame LTE-A .................................................................................................20 III.1 Les types de trame LTE ..........................................................................................................20 III.2 Physical Resource Bloc ..........................................................................................................21 III.3 Les techniques d’accès ..........................................................................................................23 III.3.1 OFDMA..............................................................................................................................23 III.3.2 SC-FDMA ...........................................................................................................................23 III.4 Les Canaux et les signaux Physiques ......................................................................................24 III.4.1 Les canaux radios ...............................................................................................................24 III.5 Techniques multi-antennes : MIMO (Multiple-Input Multiple Output) ...................................27 III.5.1 Généralités ........................................................................................................................27 III.5.2 Diversité de transmission ...................................................................................................27 III.5.3 Multiplexage spatial ..........................................................................................................28 III.6 Modulations et codage adaptatifs .........................................................................................28 Conclusion ..................................................................................................................................29 Chapitre 2: Dimensionnement et Planification du réseau Mobile LTE-Advanced ............................30 I. Introduction .............................................................................................................................30 II. Les étape de planification dans L'E-UTRAN ...............................................................................30 II.1 Bandes de fréquences ............................................................................................................31 II.2 Dimensionnement de l'eNodeB ..............................................................................................33 II.2.1 Dimensionnement orienté couverture .................................................................................33 II.2.1.1 Bilan de liaison.................................................................................................................33 II.2.1.2 Les Modèles de propagation ............................................................................................39 II.2.1.3 Détermination du nombre de sites ...................................................................................42 II.2.2 Dimensionnement orienté capacité .....................................................................................44 II.2.2.1 Estimation du nombre d'abonnés et modèle de trafic .......................................................44 II.2.2.2 Estimation de la totalité du trafic à véhiculer ....................................................................46
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II.2.2.3 Calcul de la capacité moyenne de la cellule .......................................................................47 II.2.2.4 Détermination du nombre des sites requis .......................................................................50 II.2.3 Nombre final d’eNodeBs requis ..........................................................................................51 Conclusion ..................................................................................................................................51 Chapitre 3 : Conception d’un outil de dimensionnement et planification du réseau LTE-A ............52 I. Introduction .............................................................................................................................52 I.1 Cahier de charge de l’outil ......................................................................................................52 I.1.1 Objectifs de l’outil de dimensionnement ..............................................................................52 I.1.2 Paramètres de l’outil ...........................................................................................................52 I.1.3 Paramètres d’entrée ............................................................................................................52 I.1.4 Paramètres de sortie ............................................................................................................53 I.2 Analyse et conception de l’outil ..............................................................................................53 I.2.1 Analyse ...............................................................................................................................53 I.2.2 Spécification des besoins .....................................................................................................53 I.2.2.1 Besoins fonctionnels .........................................................................................................54 I.2.2.2 Besoins non fonctionnels ..................................................................................................54 I.2.3 Conception de l’outil ............................................................................................................55 I.2.3.1 Détermination du nombre d’eNodeB orienté couverture ..................................................55 I.2.3.2 Détermination du nombre d’eNodeB par capacité ............................................................56 I.2.4 les diagramme UML .............................................................................................................57 I.2.4.1 Le diagramme de cas d’utilisation ......................................................................................57 I.2.4.2 Le diagramme de séquence ...............................................................................................57 I.2.4.2 Le diagramme de classe ....................................................................................................58 II Environnement Logiciel ............................................................................................................59 II.1 Netbeans IDE 6.7.1 ................................................................................................................59 II.2 Base de données : MYSQL (5.1) ..............................................................................................60 II.3 Interfaces développées ..........................................................................................................60 II.3.1 L’interface d’accueil ............................................................................................................60 II.3.2 L’interface d’authentification ..............................................................................................61 II.3 Bilan de liason .......................................................................................................................61 II.3 Les interfaces du modèle de propagation ...............................................................................63 II.4 L’interface des paramètres pour le calcul de la capacité moyenne de la cellule ........................66 II.4 L’interface des paramètres pour le calcul du Trafic .................................................................67 II.5 L’interface des résultats finaux...............................................................................................68 III La phase de planification ........................................................................................................69 III.1 Présentation de l'environnement de travail ...........................................................................69 III.2 Etape de planification Atoll ...................................................................................................69 III.2.1 Zone de couverture ............................................................................................................70 III.2.2 Zone géographique à planifier ............................................................................................72 III.2.3 La position des sites après optimisation .............................................................................74 III.2.4 Résultat des simulation après optimisation .......................................................................75 Conclusion ..................................................................................................................................76 Conclusion Générale ....................................................................................................................77 Bibliographie ...............................................................................................................................78
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Liste des Figures
Figure 1: Les standards 3GPP............................................................................................................ 11
Figure 2: Evolution vers LTE Rel-10................................................................................................. 12
Figure 3: Architecture de l’E-UTRAN .............................................................................................. 12
Figure 4: Architecture EPS ................................................................................................................ 14
Figure 5: Exemple de JT-CoMP ........................................................................................................ 17
Figure 6: Exemple de DCS-CoMP ..................................................................................................... 18
Figure 7:Trame LTE de type 1........................................................................................................... 20
Figure 8: Trame LTE de type 2.......................................................................................................... 21
Figure 9: Ressource bloc et ressource élément ................................................................................ 21
Figure 10: Signaux de référence ......................................................................................................... 22
Figure 11: Différence entre OFDMA et SC-FDMA pour l’allocation des porteuses .................... 24
Figure 12: Les canaux radio en liaison montante et descendante ................................................... 24
Figure 13: Modèle d’un système MIMO à quatre antennes émettrices/réceptrices ...................... 27
Figure 14: MISO .................................................................................................................................. 28
Figure 15: SIMO .................................................................................................................................. 28
Figure 16: Technique de modulation en LTE ................................................................................... 29
Figure 17: Processus de dimensionnement radio.............................................................................. 30
Figure 18: Configuration du site ........................................................................................................ 43
Figure 19: Distribution des RE dans la trame .................................................................................. 47
Figure 20: Schéma synoptique simple de l’application .................................................................... 55
Figure 21: Diagramme de cas d’utilisation ....................................................................................... 57
Figure 22: Diagramme de séquence d'authentification.................................................................... 58
Figure 23: Diagramme de séquence ................................................................................................... 58
Figure 24: Diagramme de classe ........................................................................................................ 59
Figure 25: L’interface d’accueil ......................................................................................................... 60
Figure 26: L’interface d’authentification .......................................................................................... 61
Figure 27: Echec d’authentification ................................................................................................... 61
Figure 28: Bilan de liaison UL et DL ................................................................................................. 62
Figure 29: Modele Okumura Hata .................................................................................................... 63
Figure 30: Modèle Cost 231-Hata ...................................................................................................... 64
Figure 31: Modèle Walfisch-Ikegami ................................................................................................ 65
Figure 32: Les paramètres pour le calcul de la capacité moyenne de la cellule ............................. 66
Figure 33: Les paramètres pour trafic total ...................................................................................... 67
Figure 34: Les résultats finaux de dimensionnement ....................................................................... 68
Figure 35: Type de projet dans l’Atoll .............................................................................................. 69
Figure 36: Choix du système de coordonnées ................................................................................... 70
Figure 37: Map Sfax Ville ................................................................................................................... 70
Figure 38: Les paramètres généraux d’un site Zone urbaine ......................................................... 71
Figure 39: Paramètres d’émetteur et recepteur ............................................................................... 71
Figure 40: Les paramètres LTE du site ............................................................................................. 72
Figure 41: Zone sélectionnée pour la planification........................................................................... 72
Figure 42: Les sites actuels ................................................................................................................. 73
Figure 43: Activation des sites ............................................................................................................ 73
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Figure 44: Histogramme de la prédiction de couverture avant optimisation ................................ 74
Figure 45: Position des sites après optimisation ............................................................................... 74
Figure 46: Histogramme basé sur la prédiction de la couverture après optimisation .................. 75
Figure 47: L'état des abonnés ............................................................................................................. 75
Figure 48: Résultat de la simulation .................................................................................................. 76
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Liste des Tableaux Tableau 1: Les différentes interfaces en LTE ................................................................................... 16
Tableau 2: Le nombre de PRB valables en fonction de la largeur de la bande ............................. 22
Tableau 3: Les bandes de fréquence FDD ......................................................................................... 32
Tableau 4: Les bandes de fréquences TDD ....................................................................................... 32
Tableau 5: Largeurs de bande et les blocs de ressources spécifiées LTE ....................................... 34
Tableau 6: Les paramètres semi-empiriques pour la liaison descendante ..................................... 35
Tableau 7: Les paramètres semi-empiriques pour la liaison montante.......................................... 36
Tableau 8: IM en fonction de la charge de la cellule . ...................................................................... 37
Tableau 9: Pertes de la pénétration .................................................................................................. 38
Tableau 10: Perte selon le type de signal ........................................................................................... 38
Tableau 11: Marge de Shadowing ..................................................................................................... 38
Tableau 12: Empreinte du site en fonction du nombre de secteurs ................................................ 43
Tableau 13: Exemple du modèle de trafic ......................................................................................... 45
Tableau 14: Densité de RS en fonction de la configuration MIMO ............................................... 48
Tableau 15: Nombre de PRB alloués au canal PUCCH .................................................................. 48
Tableau 16: Bilan de liaison en fonction Channel Doppler ............................................................. 63
Tableau 17: Résultat Okumura Hata ................................................................................................ 64
Tableau 18: Résultat Cost-231 Hata .................................................................................................. 65
Tableau 19: Résultat des simulations ................................................................................................ 66
Tableau 20: Modèle de traffic en fonction peneration rate ............................................................. 68
Tableau 21: Résultat de LTE-Planet ................................................................................................. 69
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Liste des abbreviations
3GPP : Third Generation Partnership Project
AMC : Adaptative Modulation Codage
ARQ : Automatic Repeat Request
CCCH : Common Control Channel
CDMA : Code Division Multiple Access
CP : Cyclic Prefix
CQI : Channel Quality Indicator
DFT : Discrete Fourier Transform
DL : Downlink
DL-SCH : Downlink Shared Channel
DTCH : Dedicated Traffic Channel
DVB-H : Digital Video Broadcasting Handheld
DwPTS : Dowlink Pilot Time Slot
EDGE : Enhanced Data Rates for GSM Evolution
EIR : Equipment Identity Register
eNodeB : E-UTRAN NodeB
EPA : Extended Pedestrian Model A
EPC : Evolved Packet Core
EPS : Evolved Packet System
ETU : Extended Typical Urban
E-UTRAN : Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
EVA : Extended Vehicular Model A
FDD : Frequency Division Duplex
FDMA : Frequency-Division Multiple Access
GP : Guard Period
GPRS : General Packet Radio Service
GSM : Global System for Mobile
HARQ : Hybrid Automatic Repeat Request
HLR : Home Location Register
HSDPA : High-Speed Downlink Packet Access
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HSPA : High-Speed Packet Access
HSS : Home Subscriber Server
HSUPA : High-Speed Uplink Packet Access
IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP : Internet Protocol
LTE : Long-Term Evolution
MAPL : Maximum Allowable Path Loss
MCCH : Multicast Control Channel
MCH : Multicast Channel
MCS : Modulation and Coding Scheme
MIMO : Multiple-Input Multiple-Output
MISO : Multiple Input Single Output
MME : Mobility Management Entity
OFDM : Orthogonal Frequency-DivisionMultiplexing
OFDMA : Orthogonal Frequency-Division Multiple Access
PAPR : Peak-to-Average Power Ratio
PBCH : Physical Broadcast Channel
PCCH : Paging Control Channel
PCFICH : Physical Control Format Indicator Channel
PCH : Paging Channel
PCRF : Policy Charging and Rules Function
PDCCH : Physical Downlink Control Channel
PDCP : Packet Data Convergence Protocol
PDSCH : Physical Downlink Shared Channel
PDU : Packet Data Unit
P-GW : PDN-Gateway
PHICH : Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel
PMCH : Physical Multicast Channel
POH : Protocol OverHead
PRACH : Physical Random Access Channel
PRB : Physical Resource Block
PS : Packet Switched
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PSS : Primary Synchronization Signal
PUCCH : Physical Uplink Control Channel
PUSCH : Physical Uplink Shared Channel
QAM : Quadrature Amplitude Modulation
QoS : Quality-of-Service
QPSK : Quadrature Phase-Shift Keying
RACH : Random Access Channel
RAN : Radio Access Network
RB : Resource Block
RE : Resource Element
RF : Radio Frequency
RS : Reference Symbol
S1 : The interface between eNodeB and the EvolvedPacket Core.
SAE : System Architecture Evolution
SC-FDMA : Single Carrier- Frequency Division Multiple Access
SGSN : Serving GPRS Support Node
S-GW : Serving Gateway
SIMO : Single Input Multiple Output
SINR : Signal-to-Interference-and-Noise Ratio
SNR : Signal-to-Noise Ratio
SOH : System OverHead
SSS : Secondary Synchronization Signal
SU-MIMO : Single-User MIMO
TDD : Time-Division Duplex
TTI : Transmission Time Interval
UE : User Equipment
UL : Uplink
UL-SCH : Uplink – Shared Channel
UMTS : Universal Mobile Telecommunications System
UTRAN : Universal Terrestrial Radio Access Network
WCDMA : Wideband Code Division Multiple Access
X2 : The interface between eNodeBs.
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INTRODUCTION GENERALE
En 1896, Guglielmo Marconi a réussi la première liaison à ondes hertziennes, lorsqu’il
a utilisé une communication à ondes électromagnétiques dans une application télégraphe.
Cette invention a encouragé la recherche dans le domaine des communications sans fil,
jusqu’à 1947, dans les États-Unis, précisément dans un laboratoire nommé Bell Labs, il y a eu
naissance du concept cellulaire. Et s’était l’origine d’une succession des réseaux radio
mobiles, basés sur ce concept.
Le succès des technologies 3G qui permettent aux utilisateurs d'avoir accès à un vrai
Internet mobile alors les réseaux de télécommunication ont connu une grande expansion. Ces
réseaux ont permis l'intégration de nouveaux services et un débit adéquat permettant aux
operateurs de rependre à des besoins spécifiques.
Cette marge d'évolution a porté les opérateurs à adopter leurs méthodes de
dimensionnement et planification aux nouvelles technologies qui augmente la complexité au
niveau du réseau, cette complexité devient plus importante quand ces réseaux regroupent
plusieurs technologies d'accès en un réseau hétérogène, comme dans le cas des réseaux
mobiles de prochaine génération, représentent la prochaine évolution des communications
sans fil et sont basés sur l'infrastructure existante.
La planification fait alors intervenir de nouveaux défis tels que: augmentation de
nouveau services, la compatibilité avec les réseaux actuels, la gestion intercellulaire des
utilisateurs, la qualité de service. C'est dans ce contexte que se situe notre projet qui vise à
faire le dimensionnement et la planification d'un réseau LTE-Advanced pour Tunisie Télécom
à partir de son réseau 3 G existant.
De ce fait, nous avons organisé notre plan de projet en 4 chapitres. Le premier chapitre
donnera un aperçu général du réseau LTE, son architecture, ses caractéristiques, ses
technologies d'accès et ses protocoles. Le deuxième chapitre sera consacré au
dimensionnement du réseau LTE-A dans lequel nous expliquons en détails le processus de
dimensionnement. Dans le troisième chapitre l'outil de dimensionnement que nous aurons
élaboré et qui est basé sur le processus de dimensionnement y sera décrit. Ensuite un test de
validation pour notre outil de dimensionnement réalisé à l'aide de l'outil de planification
Atoll.
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Chapitre 1: Introduction au réseau 4G
I Introduction
Dans ce premier chapitre, nous présentons les différentes composantes de la
technologie LTE-Advanced et ses caractéristiques, les canaux radio, les technologies
OFDMA, SC-FDMA, MIMO et les types de modulation-codage.
I.1 L'évolution vers le 4G
Un réseau mobile est un réseau de communication composé de cellules, généralement
considérées de la forme hexagonale. Ces cellules sont toues juxtaposées l'une à l'autre afin
d'assurer une meilleure couverture de la zone géographique considéré. Ces cellules peuvent
être de tailles variables. En se basant sur cette répartition cellulaire, les réseaux mobiles
opèrent en mode infrastructure, ou tous les échanges transitent par un point d'accès, la station
de base, desservant chacune une cellule sur une couverture sans fil donnée. Plusieurs
générations de réseaux mobiles se sont défilées à travers le temps. ce sont la 1G avec un mode
de transmission analogique, la 2G qui marqua le passage à l'ère numérique, la 3G qui permet
d'intégrer des services de voix et de données, ces dernières années, les recherches portent
surtout sur l'analyse des réseaux de quatrième génération(4G),dont l'objectif est d'offrir toute
une gamme de services (l'accès rapide à l'Internet, le commerce électronique, la vidéo
conférence, la télémédecines, l'apprentissage à distance, etc.)
Figure 1: Les standards 3GPP[13]
Le travail en 3GPP sur les exigences de l’IMT-Advanced a commencé depuis 2008,
jusqu’à mars 2011, où le premier standard basé sur LTE-Advanced LTE Rel-10 (Figure 2).
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Figure 2: Evolution vers LTE Rel-10 [11]
I.2 Architecture d’un réseau LTE
L’architecture du réseau d’accès n’a pas subit des modifications énormes en LTE-A,
par rapport à l’architecture en LTE SAE. L’unique évolution a été l’apparition du nœud relais
qui s’intercale entre l’UE et l’eNodeB, et son installation est optionnelle.
Figure 3: Architecture de l’E-UTRAN [12]
I.3 Les entités du réseau d'accès
L’eNodeB est responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE. Par
rapport à la 3ème génération, l’architecture de l’E-UTRAN ne présente pas de RNC, elle est
limitée seulement à ces stations de base. Par conséquent, les fonctions de contrôle et de
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transmission qui étaient auparavant localisées au niveau de cette dernière composante ont été
réparties entre l’eNodeB et les entités du réseau coeur MME/Serving GW, l’eNodeB dispose
d’une interface S1 avec le réseau cœur. Cette dernière est composée de deux sous interfaces.
La première S1-C (S1-Contrôle), entre l’eNodeB et le MME, est chargée des signalisations de
contrôle alors que la deuxième S1-U (S1- Usager), entre l’eNodeB et le Serving GW, est
dédiée à l’acheminement du trafic entre les utilisateurs connectés à cette station et le réseau
cœur.
Une autre interface, X2, a été définie entre les eNodeB adjacents. le but de cet
interface est de minimiser la perte des paquets lors de la déplacement des usagers en mode
ACTIF (Handover). comme décrit La figure précédente le réseau d’accès LTE-Advanced et
les interfaces entre ces stations de base.
L'eNodeB présente plusieurs fonctions telles que:
Radio Resource Management (RRM) comme le contrôle de support radio et le
contrôle d'admission.
Modulation/Démodulation et Codage/Décodage du canal radio.
Compression d'entête IP et le chiffrement du flux de données de l'utilisateur.
Allocation dynamique des ressources radio en UL et DL et l'ordonnancement des
paquets data.
Sécurité de la signalisation radio.
Transfert des messages de paging.
Transfert de l'information BCCH.
Sélection de la MME pendant un appel.
Contrôle de la mobilité dans l'état actif.
I.4 Les entités du réseau cœur Le réseau cœur EPC est composé comme le montre la figure suivant:
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Figure 4: Architecture EPS [1]
A. Mobility Management Entity
Il s'agit d'une entité de gestion de mobilité. C'est le nœud principal de contrôle de
réseau d'accès. elle possède les fonctionnalités suivantes[1]:
Le suivi des UE en 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 HSS pour authentifier un utilisateur en attachement et
implémentation des restrictions d'itinérance.
Elle fournit des identités temporaires pour les UEs.
La combinaison SAE/MME agit en point de terminaison pour le chiffrement de
protection des NAS de signalisation. Dans ce cadre, elle s’occupe également de la
gestion de la clé de sécurité. La MME est le point où l’interception légale de
signalisation peut être effectuée.
La procédure de Paging.
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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.
La combinaison MME/SAE fournit un niveau considérable de fonctionnalités de
contrôle global.
B. Serving Gateway
Ce routeur peut être considéré comme étant le pont qui relie les e-NodeB au réseau
cœur. Il est connecté à ces stations à travers l’interface S1-U qui est responsable du
transfert des paquets servant aux utilisateurs de service. Donc comme tout routeur, son
rôle principal est le routage des paquets dans les deux sens montant et descendant. Ce
routeur assure aussi la comptabilité des données entrantes et sortantes avec les autres
opérateurs. Dans le cas du Handover inter-e-NodeB, cette entité est la responsable de la
commutation des stations de base. Même lorsqu’il s’agit d’un passage d’un réseau LTE
vers un autre qui utilise la commutation de paquet, c’est ce routeur qui s’interface avec le
SGSN pour assurer la continuité du service[1].
C. PDN Gateway
Cette entité est le routeur qui relie le réseau entier EPS aux autres réseaux de paquet
externes et plus précisément à l’internet. Dès qu’un utilisateur se connecte à la station de
base, c’est le routeur PDN qui lui alloue une adresse IP. Ce dernier peut disposer d’une
connectivité avec plus d’un PGW pour l’accès à des PDNs multiples[1].
D. HSS (Home Subscriber Server)
Le HSS est la nouvelle base de données utilisée au niveau des réseaux LTE. Il joue le
même rôle que HLR. Ce serveur contient toutes les informations concernant les abonnés
même ceux qui utilisent les technologies des 2ème et 3ème générations. Il supporte les
protocoles MAP et DIAMETER[1].
E. Policy and Charging Rules Function (PCRF)
Cette entité contrôle essentiellement le PDN GW. Elle lui fournit les principes de
taxation. Elle est responsable aussi de la gestion des « dedicated bearer » à travers ce
routeur[1].
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I.5 Les interfaces
Interfaces Description
X2-U (X2 User plan interface) elle est responsable du transport des paquets de
donnée entre les eNodeBs elle utilise le protocole de Tunneling GTP.
X2-C (X2 Control plan interface) c’est une interface de signalisation
S1-U (S1 User plan interface) elle est responsable du transport des paquets de
données des utilisateurs entre le eNodeB et le SGW, elle utilise pour cela
le protocole de transport (GTP over UDP/IP).
S1-C (S1-C conrole pan inteface) utiliser pour la signalisation entres eNodeB
et MME, elle assure donc la fiabilité de transmission de donnée.
S6 C’est une liaison entre le MME et la base de données globale HSS.
S13 C’est l’interface entre l’entité MME et l’entité EIR dans le réseau LTE.
Gx C’est l’interface permettant à l’entité de commutation par paquet dans
LTE appelée PDN-GW d’obtenir des règles de taxation auprès de l’entité
PCRF et ainsi taxer l’usager sur la base des flux de services et non pas
sur le volume .
Gy C’est l’interface de taxation online entre le PDN-GW et l’Online
Charging System
Gz C’est l’interface de taxation offline entre le PDN-GW et l’Offline
Charging System.
S9 C’est une liaison entre le PCRF du réseau visité et le PCRF du réseau
nominal dans le cas où la taxation est prise en charge par le réseau visité.
S5/S8 C’est l'interface entre le S-GW et P-GW. En principe, S5 et S8 sont les
mêmes, mais la différence est que S8 est utilisée lors de l'itinérance entre
les différents opérateurs alors que S5 est le réseau interne.
Tableau 1: Les différentes interfaces en LTE
II Innovation technique en LTE-Advanced
II.1 Agrégation de porteuses
Dans le cadre de satisfaire l’objectif imposé par IMT-Advanced, et atteindre la cible
de 4G fixée à 1 Gbps comme débit maximal en Downlink, et besoin d'une bande spectrale
plus large que celle employé en LTE s’avère indispensable . Pour le moment, LTE Rel-8/9
supporte une largeur de bande qui s’étend jusqu’à 20 MHz, même avec l’amélioration réalisée
au niveau de l’efficacité spectrale du système ne permet pas d’atteindre le débit requis. Donc,
la seule solution proposé est d’introduire une extension sur la largeur de bande jusqu’à 100
MHz, dans le concept d’agrégation de porteuses CA (Carrier Aggregation)[2].
II.2 Le Concept Coordinated multipoints (CoMP)
II.2.1 CB/CS (Coordinated BeamForming/Coordinated Scheduling)
L’idée de ce mécanisme, est de mettre à jour les eNodeBs, de manière où elles
négocient entre elles les vecteurs de formation de voies (ou BeamForming : BF) employés.
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Les vecteurs de BF sont des pré-codeurs (un codeur employé pour pré-coder les symboles
informations avant les transmettre), utilisé pour modifier la phase et orienter le lobe dans une
direction privilégiée dans l’espace, de façon à réduire l’interférence entre les lobes provenant
des autres stations de base. Auparavant, cette technique a été employée pour séparer
spatialement les utilisateurs de la même cellule, en générant des flux de données séparés dans
l’espace, appelés des couches, pour créer en fin une technique d’accès multiple appelée
SDMA (Space Division Multiple Access)[6].
II.2.2 Joint Transmission
Pour le cas de Coordinated Beamforming/Coordinated Scheduling (CB/CS), les
informations sur l’état du canal d’un terminal mobile donné sont partagées entre toutes les
cellules appartenant à l’ensemble de coopération et l’information n’existe que dans la station
de service. Par contre, dans le schéma de JT-CoMP, les données sont disponibles au niveau de
toutes les stations et elle est transmise de façon jointe. Ainsi, le canal PDSCH est composé de
plusieurs stations qui émettent simultanément [6].
Figure 5: Exemple de JT-CoMP[6]
La station master, étant l’ancre ou la station de service, partage les données, destinées
à transmettre vers l’UE, avec toutes les stations de la zone de coopération. Cette opération
doit se dérouler en temps réel, pour ne pas introduire un délai supplémentaire et elle nécessite
une synchronisation temporelle des stations de bases coopérants. Le délai de transport via
l’interface X2 doit être négligeable, on a ainsi recours à la technologie de fibre optique (RoF).
L’avantage majeur d’une telle configuration consiste à la diversité spatiale que puisse
introduire un réseau de systèmes MIMO (Networked MIMO) espacés géographiquement, un
gain important au niveau de débit sur les bordures de la cellule: L’interférence devient
constructive, lorsqu’elle contient un minimum d’information utile [6].
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II.2.3 Dynamic Cell Selection : DCS pour le sens descendant
Figure 6: Exemple de DCS-CoMP [6]
La sélection dynamique de cellule (Dynamic Cell Selection : DCS) ressemble à JT-
CoMP. Le canal PDSCH est composé de toutes les stations constituant la zone de
coopération, mais une seule station peut émettre sur une sous-trame6 (sub-frame SF). La
station active change dynamiquement, selon les états du canal de toutes les stations dans la
zone CoMP. En le comparant d’un système non coopératif, où la transmission de données
n’est qu’à travers la station de service, même si cette dernière présente un canal dégradé. La
station master est celle qui décide le PDSCH actif, selon les informations reçues à travers le
Backhaul [6].
II.3 Les Nœuds Relais
L’un parmi les principales causes favorisant la migration vers 4G et LTE-A, est les
débits de données pouvant être atteints. Cependant, toutes les réseaux cellulaires souffrent
d’un problème commun qui consiste au faible débit pour les utilisateurs situés sur les bordures
de la cellule, ceci est dû au faible rapport signal à bruit-plus-interférence. Les technologies
avancées employées en LTE, telles que, MIMO, OFDM, Turbo Code, etc. sont capables à
améliorer les débits dans de nombreuses conditions, mais elles ne sont pas en mesure
d’améliorer les performances sur les bordures des cellules. Par conséquence, il est nécessaire
de trouver des solutions pour examiner le problème à faible coût, on parle des nœuds relais
(Relay Node RN).
2012/2013 Page 19
Macro Evolved Node-B couvre une grande surface. Elle utilise une antenne tri-
sectorielle qui permet de transmettre à quelques centaines de mètres. Les relais, notés RN
(Relay Node), permettent d’étendre la couverture de la macro ou de renforcer le débit dans les
zones où se concentrent de nombreux utilisateurs. Ces nœuds utilisent une antenne
omnidirectionnelle pour couvrir quelques dizaines de mètres. Selon la qualité du lien radio, un
terminal mobile (noté, UE : User Equipement) peut se connecter soit au RN soit au eNB. Le
RN relaie le trafic utilisateur vers le eNB par un lien radio, un nœud relais est une solution
pratique pour améliorer au problème des trous de couverture, à condition que le RN soit
installé dans un endroit approprié et équipé d’une antenne à gain élevé.
II.4 Les réseaux hétérogènes (HetNet)
Les réseaux hétérogènes, est appelés HetNet (Heterogeneous Network), ne mentionne
pas une technologie spécifique, mais ils correspondent à la technique de déploiement
multicouches. Autrement dit, plusieurs techniques d’accès, plusieurs formats de cellule,
plusieurs types de couverture sont mis en œuvre dans la même zone de déploiement. Le
besoin découle du fait que la plupart des zones de déploiement ont un certain degré
d’hétérogénéité en termes d’exigences de couverture de débits, de délai, etc. En effet, une
macro cellule permet de réaliser le plus grand rayon de couverture, une pico cellule ou femto
cellule est caractérisée par une surface de couverture plus petite, donc elle sert moins
d’abonnées ce qui obéit à la contrainte de capacité. L’idée est donc de déployer plusieurs
formats de cellule dans la même zone, pour se garantir à la fois :
De la capacité : en mettant en place une couche hot spot composés de plusieurs
cellules à tailles réduites (pico/femto) et des nœuds relais, ces derniers sont moins
coûteuses, faciles à installer et elles permettent en plus d’assurer la couverture à
l’intérieur des bâtiments des utilisateurs (bureaux, maisons, etc.)
De la couverture : en utilisant une macro cellule capable d’étendre la couverture dans
la zone entière.
Un utilisateur peut se connecter à un réseau de type HetNet selon la technologie qui
répond le plus à son besoin : ad hoc, Wifi, etc. HetNet est constitué donc d’une station macro
qui coopère avec plusieurs petites cellules de tailles réduites d’une façon transparente dans le
but d’augmenter la capacité et la couverture.
2012/2013 Page 20
III La structure de la trame LTE-A
III.1 Les types de trame LTE
le système LTE-Advanced puisse maintenir la synchronisation entre l’eNodeB et
l’UE, il a défini deux structures de trames l’E-UTRAN. Les structures de trames pour la LTE-
Advanced diffèrent entre les modes duplex TDD et FDD, car il ya des exigences différentes
sur la séparation des données transmises. Il existe 2 types de trames LTE-A [3] :
Type1 : utilisé par les systèmes opérant en mode LTE FDD.
Type2 : utilisé par les systèmes opérant en mode LTE TDD.
A. La trame LTE de type 1
La trame LTE de type 1 a une longueur de 10 ms. Celle-ci est divisée en 10 sous-
trames de longueur de 1ms. Chaque sous-trame est divisée en 2 slots de 0.5ms. Un slot
correspond à un ensemble de symboles de modulation, 7 pour le cas d’un préfixe cyclique de
taille normale et 6 pour le cas d’un préfixe cyclique étendu.
Figure 7:Trame LTE de type 1 [3]
B. La trame LTE de type 2
Tout comme la trame FDD, la trame TDD est de longueur T=10 ms divisée en deux
demi-trames, chacune de 5ms. Les demi-trames LTE sont divisées en 5 sous-trames. Chaque
sous-trame est divisée en sous-trames spéciales. Ces dernières sont composées de trois
champs :
DwPTS (Downlink Pilot Time Slot), utilisée pour la synchronisation en DL.
2012/2013 Page 21
GP (Guard Period), assure la transmission de UE sans avoir des interférences entre UL
et DL.
UpPTS (Uplink Pilot Time Slot), utilisé par eNodeB pour déterminer le niveau de
puissance reçu de l’UE.
La figure suivante montre la structure de trame LTE Type 2 :
Figure 8: Trame LTE de type 2 [3]
III.2 Physical Resource Bloc
En LTE, l’espace temps/fréquence est divisé en PRB (Physical Resource Bloc).
Chaque PRB est composé de 12 sous porteuses consécutives d’une largeur de 15 KHz
chacune pour un slot (0.5 ms). Un PRB est le plus petit élément d’allocation des ressources
affectées par le planificateur de la station de base.
Figure 9: Ressource bloc et ressource élément [3]
2012/2013 Page 22
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 à partir de 1.4 MHz jusqu’à 20 MHz comme le montre le tableau ci-dessous :
Transmission
BW [MHz]
1.4 3 5 10 15 20
Dure Sub-
Frame
10ms
Sub-carrier
Spacing
15KHz
Number of
ressource bloc
6
15
25
50
75
100
Tableau 2: Le nombre de PRB valables en fonction de la largeur de la bande
Signal de référence est l'équivalent "UMTS pilote" et elle est utilisée par UE pour
prédire l'état de la couverture probable sur l'offre de chacun de la cellule eNodeB reçu. La
figure ci-dessous montre les emplacements du signal de référence au sein de chaque sous-
cadre
lorsque antennes d'émission sont utilisées par la cellule.
Figure 10: Signaux de référence [5]
2012/2013 Page 23
III.3 Les techniques d’accès
Pour tout système radio mobile, il faut définir une technique d’accès qui permet une
gestion des ressources radio disponibles. Pour les réseaux LTE-Advanced, la technique
OFDMA est utilisée dans le sens descendant et la technique SC-FDMA est appliquée dans le
sens montant
III.3.1 OFDMA
OFDMA est une extension de la technique de modulation OFDM pour permettre à
plusieurs utilisateurs de transmettre simultanément sur un seul symbole OFDM. Cette
technique d’accès est largement demandée dans les réseaux sans fils à large bande car elle
résout le problème de sélectivité en fréquence du canal, en le découpant en sous canaux de
largeur inférieure à la bande de cohérence. Ainsi, l’information est transmise via plusieurs
sous-porteuses orthogonales. Ces sous-porteuses sont générées grâce à l’IFFT (Inverse Fast
Fourier Transform), et leur nombre total qui dépend de la bande spectrale. L’espacement entre
sous-porteuses en LTE est fixé à 15 KHz, et le symbole OFDM est celui constitué de la
totalité des symboles informations transmis via les sous porteuses.
III.3.2 SC-FDMA
C’est une technique d’accès similaire à l’OFDMA où les symboles de données du
domaine temporel sont transformés au domaine de fréquence par DFT (Discret Fourier
Transform). Cette transformation permet de répartir le SNR sur la totalité de la
bande.L’affaiblissement du PAPR est dû à la transmission en série avec la mono-porteuse au
niveau de cette technique. Ce dernier avantage rend possible l’utilisation de l’amplificateur de
puissance du système dans sa zone proche du point de compression, maximisant ainsi son
rendement sans risquer l’apparition des distorsions [4]. La figure 13 montre la différence entre
les deux méthodes d’accès OFDMA et SC-FDMA :
2012/2013 Page 24
Figure 11: Différence entre OFDMA et SC-FDMA pour l’allocation des porteuses [4]
III.4 Les Canaux et les signaux Physiques
III.4.1 Les canaux radios
Il existe trois types de canaux radios : les canaux logiques, transports et physiques.
Figure 12: Les canaux radio en liaison montante et descendante [3]
Les canaux logiques existent au dessus de la couche MAC. Ils représentent les services
de transfert de données offerts par le MAC et sont définis par le type d'information qu'ils
véhiculent. Les types des canaux logiques comprennent des canaux de contrôle (pour les
2012/2013 Page 25
données destinées au contrôle) et des canaux de trafic (pour les données du plan utilisateur)
[8].
A. Les canaux logiques
Broadcast Control Channel (BCCH), utilisé pour transmettre les systèmes
d’information du réseau à tous les terminaux mobiles d’une même cellule.
Paging Control Channel (PCCH), utilisé pour la pagination de terminaux mobiles
dont l’emplacement au niveau cellulaire n’est pas connu de la part du réseau.
Common Control Channel (CCCH), utilisé pour la transmission des informations de
contrôle à l’aide d’un accès aléatoire.
Dedicated Control Channel (DCCH), dédié pour la transmission des informations de
contrôle du terminal mobile ou vers celui-ci. Ce canal est utilisé pour les
configurations individuelles des terminaux mobiles comme les messages de
Handover.
Multicast Control Channel (MCCH), utilisé pour transmettre les informations
demandées pour une réception multicast.
Dedicated Traffic Channel (DTCH), utilisé pour la transmission des données de
l’utilisateur vers/de un terminal mobile.
Multicast Traffic Channel (MTCH), utilisé pour la transmission des services MBMS
(Multimedia Broadcast/Multicast Service) en liaison descendante.
B. Les canaux de transport
Les Canaux de transport sont situés dans les blocs de transport en bas de la couche
MAC. Certains canaux logiques sont utilisés pour la liaison descendante, d’autres sont
réservés pour la liaison montante.
Commençons par les canaux de transport de la liaison descendante, nous trouvons :
Broadcast Channel (BCH), mappe au BCCH (Broadcast Control Channel).
Downlink Shared Channel (DL-SCH), c’est le canal principal pour le transfert des
données en liaison descendante. Il est utilisé par des nombreux canaux logiques.
Paging Channel (PCH), pour transmettre le PCCH.
2012/2013 Page 26
Multicast Channel (MCH), utilisé pour transmettre les informations MCCH afin
d’établir les transmissions multidiffusion.
Pour la liaison montante, nous avons :
Uplink Shared Channel (UL-SCH), c’est le canal principal pour le transfert des
données en liaison montante. Il est utilisé par des nombreux canaux logiques.
Random Access Channel (RACH), utilisé pour les conditions d’accès aléatoire.
C. Les canaux physiques
Ce sont en fait les canaux physiques qui transportent les données des utilisateurs ainsi
que les messages de contrôles qui lui sont parvenus des canaux logiques. Certains canaux
physiques sont utilisés pour la liaison descendante, d’autres sont réservés pour la liaison
montante.
Pour la liaison descendante, nous avons :
Physical Broadcast Channel (PBCH), transporte les informations systèmes nécessaires
pour les UEs afin d’accéder au réseau.
Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH), informer l’UE pour lui
permettre de décoder le PDSCH.
Physical Downlink Control Channel (PDCCH), transporte essentiellement
l’ordonnancement de l’information.
Physical Downlink Shared Channel (PDSCH), utilisé pour l’unicast et les fonctions de
paging.
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH), envoie les acquittements HARQ
pour contrôler la transmission en Uplink.
Physical Multicast Channel (PMCH), transporte les informations système à des fins de
multicast.
Pour la liaison montante, nous avons :
Physical Uplink Control Channel (PUCCH), transporte les acquittements de HARQ.
Physical Uplink Shared Channel (PUSCH), ce canal est l’analogue du canal PDSCH
en liaison descendante.
Physical Random Access Channel (PRACH), utilisé pour les fonctions d’accès
aléatoire
2012/2013 Page 27
III.5 Techniques multi-antennes : MIMO (Multiple-Input Multiple
Output)
III.5.1 Généralités
La technique MIMO consiste en l’utilisation de plusieurs antennes à l’émission et à la
réception. Le but de la technique MIMO était d’améliorer le débit, d’augmenter l’efficacité
spectrale, de diminuer la probabilité de coupure du lien radio, etc.
Vu que les progrès en codage se sont rapprochés da la limite de capacité de Shannon
pour les liens radio, des progrès significatifs en efficacité spectrale sont effectués à travers
l’augmentation du nombre d’antennes à la fois à l’émetteur et au récepteur.
En effet, MIMO répond au besoin de la norme LTE-Advanced en termes de capacité
de transmission. Cette dernière limite le nombre d’antennes à utiliser en raison de contraintes
technologiques exigées.
La figure suivante illustre un modèle MIMO à quatre antennes émettrices et quatre antennes
réceptrices :
Figure 13: Modèle d’un système MIMO à quatre antennes émettrices/réceptrices [7]
III.5.2 Diversité de transmission
Le but de la diversité spatiale est de rendre la transmission plus robuste. Il n’y a pas
d’augmentation du taux de données. Ce mode utilise des données redondantes sur des
chemins différents.
Il existe deux types de diversité :
Diversité RX : Quand il y a plus de RX que de TX antennes.
Diversité TX : Quand il ya plus de TX que de RX antennes.
2012/2013 Page 28
Figure 14: MISO
Figure 15: SIMO
III.5.3 Multiplexage spatial
Le multiplexage spatial n'est pas destiné à rendre la transmission plus robuste, mais
plutôt à augmenter le débit de données. Pour le réaliser, les données sont divisées en
catégories distinctes, les différentes parties sont transmises indépendamment via des antennes
séparées.
Il existe deux modes de multiplexage spatial :
MIMO à boucle fermée (Closed Loop MIMO) : L’UE, après l’estimation du canal,
envoie un message feedback vers l’eNodeB à travers le canal PUCCH.
MIMO à boucle ouverte (Open Loop MIMO) : Dans ce cas, l’eNodeB ne considère
aucun feedback de la part de l’UE, ce mode est recommandé pour les scénarios des
mobiles à vitesses élevées.
III.6 Modulations et codage adaptatifs
la modulation et le codage adaptatifs (AMC Adaptive Modulation & Coding), est une
approche opportuniste qui tend à adapter la technique de modulation et de codage en fonction
2012/2013 Page 29
de l’état du canal. Pour les transmissions DL en LTE, l’UE envoie le feedback de CQI
(Quantification du SINR) vers l’eNodeB pour que cette dernière lui sélectionne un MCS
(Modulation & Coding Scheme), un schéma de modulation et de codage qui maximise
l’efficacité spectrale tout en gardant le BLER (taux d’erreurs par bloc) inférieur à un certain
seuil (généralement 10 %). En utilisant le fait que le canal est réciproque, le MCS en UL est
maintenu le même ou inférieur10. La figure ci-dessous résume les techniques de modulation
mis en œuvre en LTE.
Figure 16: Technique de modulation en LTE [8]
Conclusion
Dans ce 1ere
chapitre, nous avons présenté les principales techniques du standard LTE
Rel-10 ou LTE-Advanced, surtout la couche physique et le réseau d’accès E-UTRAN, Ces
derniers, comme on a déjà mentionné, sont basés sur standard LTE Rel-8/9. Ce chapitre est
structuré une manière où il sera utile pour son le successeur, dans lequel nous détaillons le
processus de dimensionnement et planification du réseau d’accès LTE/LTE-Advanced.
2012/2013 Page 30
Chapitre 2: Dimensionnement et Planification du réseau
Mobile LTE-Advanced
I. Introduction
Dimensionnement des réseaux cellulaires est une étape très importante dans le cycle
de vie des réseaux mobiles. En effet, l'opérateur doit se focaliser sur la planification, avant la
mise en œuvre de son réseau, dans le but d'optimiser le coût de déploiement et devenir plus
concurrent dans le marché. L’objectif de ce chapitre est d’introduire les outils de base
permettant le dimensionnement des eNodeB qui représentent l’équipement d’accès pour le
réseau. Notre projet est inspirée de celle d’Ericsson, Huawei et Nokia Siemens Network.
II. Les étapes de planification dans L'E-UTRAN
Dimensionnement en LTE-Advanced, comme tout autre réseau cellulaire, est une
tache complexe, Du coup elle doit être bien développée. On a deux méthodes à suivre. La
première tient compte des exigences de la couverture et la deuxième tient compte des
exigences de la capacité, pour déterminer le rayon de chaque cellule et puis le nombre des
sites.
Figure 17: Processus de dimensionnement radio
la pré-planification: qui nécessite la collecte des données qui décrit la zone de
déploiement, Les informations détaillées sur l’eNodeB et l’UE, on cite par
exemple:
-Type d’antenne à utiliser: Ericsson, Huawei et Nokia Siemens Network.
2012/2013 Page 31
-Les informations sur la zone de déploiement (superficie, information géographiques,
pénétration des abonnés dans cette zone, population).
-Les services à demander: VoIP, Données, Streaming, (services demandés, trafic offert,
etc.),débit au bord de la cellule.
-La liste des sites : identifier les lieux pour placer les ENodeB.
Le Dimensionnement: consiste à dépasser les contraintes de couvertures et de
capacité tout en minimisant les ressources exploitées.
L'optimisation: On compare les résultats obtenus de deux dimensionnement, et
on considère le nombre des sites le plus grand.
II.1 Bandes de fréquences
Lors du dimensionnement d'un réseau, l'opérateur doit choisir une bande de fréquence
disponible tout en respectant les inconvénients suivants:
Les spécifications géographiques de la zone.
La densité des utilisateurs.
Disponibilité du spectre.
La faible interférence avec les autres réseaux.
Ci-dessous des tableaux qui représentent les bandes de fréquences pour la norme LTE :
LTE Band
Number
Uplink(MHz) Downlink(MHz)
1 1920-1980 2110-2170
2 1850-1910 1930-1990
3 1710-1785 1805-1880
4 1710-1755 2110-2155
5 824-849 869-894
6 830-840 875-885
7 2500-2570 2620-2690
8 880-915 925-960
9 1749.9-1784.9 1844.9-1879.9
10 1710-1770 2110-2170
11 1427.9-1452.9 1475.9-1500.9
2012/2013 Page 32
12 698-716 728-746
13 777-787 746-756
14 788-798 758-768
15 1900-1920 2600-2620
16 2010-2025 2585-2600
17 704-716 734-746
18 815-830 860-875
19 830-845 875-890
20 832-862 791-821
21 1447.9-1462.9 1495.9-1510.9
22 3410-3500 3510-3600
23 2000-2020 2180-2200
24 1625.5-1660.5 1525-1559
25 1850-1915 1930-1995
Tableau 3: Les bandes de fréquence FDD[3]
LTE Band
Number
Allocation (MHz) Width of Band(MHz)
33 1900-1920 20
34 2010-2025 15
35 1850-1910 60
36 1930-1990 60
37 1910-1930 20
38 2570-2620 50
39 1880-1920 40
40 2300-2400 100
41 2496-2690 194
42 3400-3600 200
43 3600-3800 200
Tableau 4: Les bandes de fréquences TDD[3]
2012/2013 Page 33
Dans notre travail, nous avons choisi la bande 1800 MHz.
II.2 Dimensionnement de l'eNodeB
Le dimensionnement des eNodeB est la partie la plus sensible du processus de
dimensionnement.
Pour dimensionner les eNodeB, nous avons besoin de suivre deux méthodes : un
dimensionnement orienté couverture et un dimensionnement orienté capacité. Le premier tient
compte des exigences en couverture et le deuxième donne une estimation des ressources
nécessaires pour supporter un trafic de données avec un certain niveau de QoS.
En conséquence, le nombre des eNodeB sera le maximum du nombre issu de deux
approches.
NbreNodeB=Max{ NbreNodeB(couverture), NbreNodeB(capacité)}
Dans cette partie, nous allons analyser en détail ces deux approches de dimensionnement
II.2.1 Dimensionnement orienté couverture
Pour couvrir une surface donnée, nous devons déterminer le nombre de stations
requises pour éviter l'échec d’accès, coupure de communication et taux de handover. Pour ce
faire, nous devons suivre les étapes suivantes :
II.2.1.1 Bilan de liaison
le but du bilan de liaison est de déterminer l'affaiblissement du parcours maximal
entre l'eNodeB et UE dans les deux sens Uplink et Downlink. Nous allons débuter notre
travail par le bilan de liaison radio.
Avant de commencer les calculs, il faut définir les paramétras suivants:
SINR
Sensibilité d'eNodeB.
Débit binaire requis.
Bruit de la liaison montante (Marge d'interférence)
Puissance d'UE.
A. Débit binaire requis
Le dimensionnement commence par définir les exigences de la qualité. Cette dernière
est exprimée par un certain débit binaire Rreq qui peut être fournie à un utilisateur au bord
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d'une cellule avec une certaine probabilité. L'exigence de débit suit le service pour lequel le
système est dimensionné.
Tous les calculs suivants sont effectués par ressource bloc. L’équation suivante
exprime l'exigence de débit binaire par ressource bloc:
Eq 1
avec:
Eq 2
BLER:(Block Error Rate %): le taux d'erreur par bloc à planifier sur les bordures de la cellule,
il dépend du type de service.
Bande passante MHz Nombre de ressource de
block(RB)
1.4 6
3 15
5 25
10 50
15 75
20 100
Tableau 5: Largeurs de bande et les blocs de ressources spécifiées LTE
B. SINR
Le SINR est un paramètre qui résume bien la qualité du lien entre une station de base
et un terminal mobile. Le SINR exigé pour décoder un format de transport spécifique a été
déterminé par un grand nombre de simulations. Les résultats de simulation sont regroupés
dans des tableaux pour différents modèles de canaux et arrangement d’antennes. Ces tableaux
nous permettent de calculer le SINR ou le débit binaire R.
Eq 3
2012/2013 Page 35
a0, a1, a2 et a3 sont des paramètres ajustés et est exprimé en dB.
En DL, a0 et a3 sont ajustés en tenant compte de la configuration des canaux de contrôle:
Eq 4
Eq 5
Avec:
et ce sont les valeurs maximales atteintes par et sans tenir compte des
canaux de contrôle.
le nombre de symboles PDCCH alloués.
: Le nombre de port d'antenne configurés.
Le nombre total de ressources bloc pour la bande passante déployée.
Les paramètres , , , sont regroupés dans les tableaux suivants :
Arrangement
D'antennes
SIMO1*2 Tx div 2*2 OLSM 2*2
Modèle de
canaux
EPA
5
EVA
70
ETU
300
EPA
5
EVA
70
ETU
300
EPA
5
EVA
70
ETU
300
[Kbps] 912.1 912.4 799.9 914.2 913.8 887.7 1583.8 1409.5 1162.8
[dB] 27.00 29.34 27.75 25.92 27.17 27.70 34.03 34.99 31.93
[dB] 16.03 15.90 15.34 16.01 15.38 15.49 18.37 18.16 16.84
[Kbps] -10.5 -4.4 -5.3 -16.2 -6.4 -7.3 -18.6 -10.2 -8.4
Tableau 6: Les paramètres semi-empiriques pour la liaison descendante[9]
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Modèle de canaux EPA 5 EVA70 ETU 300
[Kbps] 459 .9 456.9 322.5
[dB] 20.76 23.91 20.15
[dB] 13.28 13.74 12.41
[Kbps] 0 0 0
Tableau 7: Les paramètres semi-empiriques pour la liaison montante[9]
C. Sensibilité d'eNodeB.
La sensibilité des eNodeB, est la puissance du signal que le récepteur doit la recevoir
pour réaliser, C'est le niveau de signal minimum pour éviter les coupures radio.
Eq 6
Avec:
: La densité de puissance de bruit thermique -174dbm/Hz.
: Le facteur de bruit d'eNodeB [dB].
: Bande passante sous-porteuse [Hz].
: Nombre de sous-porteuses reçus pour la liaison montante [dB].
: Rapport signal sur interférence et bruit de l’Uplink et downlink.
D. Marge d'interférence
En LTE-A, un utilisateur n’interfère pas avec d’autres utilisateurs dans la même
cellule parce qu’ils sont séparés dans le domaine temporel et fréquentiel, la marge
d’interférence, dépend seulement de la charge des cellule adjacentes.
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Charge de la cellule % IM[dB]
35 1
40 1.3
50 1.8
60 2.4
70 2.9
80 3.3
90 3.7
100 4.2
Tableau 8: IM en fonction de la charge de la cellule [6].
E. Puissance d'UE et eNodeB
PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) : est la puissance rayonnée
équivalente à une antenne isotrope. Elle est exprimée en dBm, sous la formule suivante :
Eq 7
Atténuation du parcours maximale (sans clutter )
Apres avoir défini les paramètres précédents, l'atténuation du parcours maximale est donnée
par la formule suivante:
Eq 8
Atténuation du parcours maximale (avec clutter )
Marge de pénétration
Perte de pénétration est l’atténuation du signal due à la pénétration aux bâtiments. Elle dépend
du type de zone, comme indique le tableau suivant:
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environnement Perte de pénétration [dB]
Dense urbaine 18-25
urbaine 15-18
Suburbaine 10-12
rurale 6-8
Tableau 9: Pertes de la pénétration [3]
Cette marge dépend essentiellement de trois facteurs :
La fréquence du signal : Les pertes varient selon la fréquence du signal.
Le type des bâtiments : Essentiellement le matériel de construction (brique, bois,
pièrre, verre, ….)
La structure des bâtiments : densité et épaisseur des murs, nombre et dimensions des
fenêtres.
Perte de types de signal (Body)
Le tableau montre le taux de perte pour un signal vocal. C’est l’affaiblissement dû à
l’absorption d’une partie de l’énergie transmise par le corps humain (seulement pour le
service vocal).
Type de signal Perte [dB]
VOIP 3
Données 0
Tableau 10: Perte selon le type de signal [3]
Marge de Shadowing
C’est l’effet masque, les variations du signal due au obstacle qui existe dans le milieu
de propagation. Les mesures réelles du terrain ont montré que l’effet de masque est une valeur
aléatoire Log Normale (Logarithme est une variable aléatoire Gaussienne).
environnement Shadowing [dB]
Dense urbaine 9.2
urbaine 7.9
Suburbaine 7.9
rurale 4.4
Tableau 11: Marge de Shadowing [10]
2012/2013 Page 39
II.2.1.2 Les Modèles de propagation
Un modèle de propagation RF est une formule mathématique utilisée pour caractériser
la propagation de l’onde radio entre l’émetteur et le récepteur. Cette formule dépend de
plusieurs facteurs, à savoir :
La fréquence de l'onde.
La distance parcourue par l'onde.
les hauteurs des antennes de l'émission et de la réception.
Type de terrain.
Clutter(caractéristique et densité des bâtiments) .
Puisque il ya plusieurs modèles de propagation ont été définis. nous allons présenter
quelque modèle qui ont été mis en place dans le domaine des télécommunication sachant que
ces modèles ne peuvent pas prédire le comportement 100% exacte de la liaison radio, mais ils
prédisent le comportement le plus probable. Ils sont utilisés pour prédire le rayon de la cellule
à partir de la perte de trajet maximale autorisée.
A. Modèle Okumura-Hata
La modèle le plus connus, il est basé sur les mesures d’Okumura prises dans la région
de Tokyo au Japon .Le Hata Modèle est aussi le modèle de propagation utilisé par Tunisie
Telecom. Ce modèle est valable selon les conditions suivantes:
150≤ ≤1500 MHz
1≤d≤50 Km
30≤ ≤200 m
1≤ ≤10 m
avec:
la hauteur de la station eNodeB
:la hauteur du terminal mobile.
L’affaiblissement selon ce modèle dépend de la nature de la zone, il est donné par la formule
suivante :
-Urbain dense
=69.55+26.16 -13.82
. Eq 9
2012/2013 Page 40
Avec:
,pour ≤200 MHz
,pour >400 MHz
-Urbain
=69.55+26.16 -13.82
. Eq 10
Eq 11
-Suburbain
Eq 12
-Rural
Eq 13
B. Modèle Cost-231 Hata
Compte tenu que le modèle Okumura-Hata, le groupe COST 231 a proposé de
modifier ce modèle pour créer un autre opérant sur la bande 1500-2000 MHz dans les zones
urbaines, puis l’ajuster, en ajoutant des termes correctifs pour tous les autres environnements,
il est donné par la formule suivante :
L=46.3+33.9 -
13.82 Eq 14
avec
, pour la zone urbain est suburbain.
,pour la zone urbain dense.
=0 dB: pour la zone urbain, suburbain.
=3 dB: pour la zone urbain dense.
2012/2013 Page 41
C. Modèle Cost-231 Walfisch-Ikegami
Ce modèle est utilisé pour les environnements urbains et sous urbains. Il est valable
dans les conditions suivantes :
800≤ ≤2000 MHz mais il peut être étendu pour atteindre des fréquences
jusqu’à 6 GHz.
0.02≤d≤5 Km
4≤ ≤50 m
1≤ ≤3 m
l’expression du l'affaiblissement peut s’écrire comme étant somme de trois termes
d’affaiblissement élémentaire, comme suit :
1ere
cas: Line of sight
Eq 15
2eme
cas: Non Line of sight
Eq 16
Avec:
:Propagation en espace libre.
:Perte de diffraction du toit vers la rue.
:Perte par diffraction multi-masques.
Eq 17
Eq 18
si non
Eq 19
2012/2013 Page 42
Avec:
w: largeur de la rue en (m).
f: Fréquence en (MHz).
: Hauteur du mobile(m).
: Hauteur du toit du bâtiment (m).
: Facteur de correction prenant en compte l’orientation de la rue.
b:Séparation entre bâtiment (m).
Hauteur de station de base (m).
II.2.1.3 Détermination du nombre de sites
Après avoir calculé l’affaiblissement du parcours maximal MAPL(avec clutter) en
utilisant le bilan de liaison, nous pouvons déterminer le rayon de la cellule en utilisant le
modèle de propagation adéquat. Pour mieux comprendre, nous appliquons le modèle
Okumura-Hata pour calculer le rayon de la cellule. Nous avons :
Eq 20
d'ou
Eq 21
2012/2013 Page 43
Une fois le rayon de la cellule est calculé, nous pouvons calculer l’empreinte du
site, que nous notons . Cette dernière dépend du nombre de secteurs par site, que nous
notons . La figure ci-dessous exprime la relation entre l’empreinte du site et le
nombre de secteurs:
Figure 18: Configuration du site
Nombre de secteur par site Empreinte
Mono-sectorisé
Bi-sectorisé
Tri-sectorisé
Tableau 12: Empreinte du site en fonction du nombre de secteurs
Après la détermination de l’empreinte du site, nous pouvons maintenant calculer le nombre de
sites nécessaires pour la couverture pour une zone bien déterminée à l’aide de cette formule :
+1 Eq 22
Avec :
Area size : est la surface de la zone de déploiement.
Remarque: il faut calculer le nombre de site pour deux ou trois modèle , et choisir le plus
grand pour assurer la couverture de la surface déploiement.
+1
Avec:
x:le modèle de propagation.
C’est ainsi que nous avons déterminé le nombre d’e-Nodes B en termes de couverture.
Donc, il reste maintenant à déterminer ce nombre en capacité.
2012/2013 Page 44
II.2.2 Dimensionnement orienté capacité
Le dimensionnement de capacité permet de trouver la capacité maximale qui peut être
supporté par une cellule. Son objectif est de déterminer le nombre des sites nécessaires pour
satisfaire les trafics des abonnés dans une zone donnée.
La capacité théorique du réseau est limitée par le nombre d’eNodeB installé dans le
réseau, elle dépend de plusieurs facteurs tels que type de la zone, service, nombre des
abonnées.
De ce fait, nous devons en 1ere
lieu estimer parc d'abonnés total de Tunisie Telecom
et un modèle de trafic pour les différent service offert ensuite nous devons estimer le trafic
maximal à véhiculer dans la zone puis nous devons calculer la capacité moyenne par site enfin
on peut conclure le nombre eNodeB nécessaire et le comparer avec le nombre eNodeB par
couverture.
II.2.2.1 Estimation du nombre d'abonnés et modèle de trafic
Dans l'étape de dimensionnement l'opérateur doit faire des études sur la zone qui va
être couvert ,le type de service le plus demander dans chaque zone(habitation, industrielle,
etc...) et le profil des usagers.
ρ :Densité d'abonnées dans la zone(abonnés/km).
S :Surface de déploiement.
Parc d'abonné total de Tunisie Telecom
:Taux de croissance(%).
le nombre d'abonné chez l'operateur dans une zone est estimé à:
Eq 23
Après avoir estimé le nombre d’abonnés, nous devons estimer aussi le trafic offert par
abonné à l’heure de pointe (les 60 minutes consécutives où le trafic est maximal). Vu que le
LTE-Advanced est un réseau à commutation de paquets, la formule d’Erlang n’est plus
valable. Pour cette raison, nous proposons de considérer le trafic pour deux catégorie
d'abonnement(abonné public ,abonnée buisness).
2012/2013 Page 45
Format Link Quantité(Busy Hour) abonnée Public Abonnée business
Flat Rate
DL
Tarif d'abonnement
(kbps)
512 1024 4096 8192
Overbooking Facteur 25 25 25 25
moyenne. Data
Volume (MB)
9.2160 18.4320 73.7280 147.4560
UL
Tarif d'abonnement
(kbps)
128 128 512 1024
Overbooking Facteur 25 25 25 25
moyenne. Data
Volume (MB)
2.3040 2.3040 9.2160 18.4320
VoIP
Both
Les tentatives d'appels 1 1 1 1
Durée de l'appel (s) 90 90 90 90
Data Rate (kbps) 30.4 30.4 30.4 30.4
Service Activité 0.5 0.5 0.5 0.5
moyenne. Data
Volume (MB)
0.1710 0.1710 0.1710 0.1710
Streaming
Both
Durée de l'appel (s) 500 500 500 500
Data Rate (kbps) 200.000 200.000 200.000 200.000
moyenne. Data
Volume (MB)
12.500 12.500 12.500 12.500
Tableau 13: Exemple du modèle de trafic[10]
le débit moyenne se calcul en suivant la formule ci dessous:
Eq 24
Eq 25
Eq 26
2012/2013 Page 46
TA: Tarif d'abonnement.(kbps)
OBF: Overbooking Facteur
ta: Durée de l'appel.(s)
DA: Durée de l'appel (s)
DR:DATA Rate.(Kbps)
SA: Service Activité.
II.2.2.2 Estimation de la totalité du trafic à véhiculer
Cette étape consiste à prévoir le trafic agrégé des usagers dans la zone étudiée. Cette
estimation se fait en fonction du nombre d’abonnés dans la zone, du taux de pénétration de la
technologie LTE, du partage prévu du marché entre les opérateurs et de la demande estimée
en trafic. Sur la base de la modélisation du trafic que nous avons effectué dans la partie
précédente, l’opérateur peut estimer le trafic maximal qu’il doit véhiculer.
A. Profil des usagers
L’opérateur LTE doit classifier ses abonnés en termes de demande de trafic afin de
regrouper les usagers ayant un comportement similaire. Dans le cadre de ce projet, nous
proposons ces deux classes d’abonnements.
Abonnement public: cet abonnement offre les service de base(VoIP, jeu, Web
Browsing, etc...) dont a besoin un abonné résidentiel avec un débit allant jusqu'a (1024
ou 2048)kbps.
Abonnement business: Cet abonnement offre des service supplémentaire avec un débit
allant jusqu'a (8196 ou 20480)kbps.
Pour calculer le trafic totale requise, nous avons besoin le nombre d'abonné pour
chaque zone en spécifiant leur catégorie à l'heure chargée, respectivement pour DL and UL
comme suit:
Eq
27
avec:
Eq 28
2012/2013 Page 47
II.2.2.3 Calcul de la capacité moyenne de la cellule
La capacité de la cellule en LTE-Advanced n’est autre que le débit moyen sur le canal
physique de données (PDSCH pour DL et PUSCH pour UL), et ceci dépend de plusieurs
intervenants :
les techniques de modulation et de codage
les techniques MIMO.
L'over Head du système.
La taille du préfixe cyclique.
Carrier agrégation.
Largeur du canal.
le nombre de cellule par site, etc.
Avant de calculer la capacité moyenne de la cellule, nous avons besoin d’un paramètre
très important : le coût système (System Over Head).
La figure suivante montre la distribution des RE pour le système LTE :
Figure 19: Distribution des RE dans la trame [3]
2012/2013 Page 48
Cout des signaux de référence RS pour UL et DL
Le signal de référence permet l'estimation du canal. le cout des signaux de référence
dépend de la configuration MIMO et la longueur du préfixe cyclique. La densité des signaux
de référence en DL peut être résumée dans le tableau suivant:
Nombre d'antenne à
l'eNodeB ( )
RE de RS par PRB
1 4
2 8
4 12
8 20
Tableau 14: Densité de RS en fonction de la configuration MIMO [6]
Eq 29
pour le lien montant:
Eq 30
Avec:
:le nombre de symbole par un slot.
:le nombre de ressource bloc.
Le coût du canal PUCCH est défini comme étant le rapport entre le nombre de PRB
réservés pour ce canal et le nombre total de PRB dans le domaine fréquentiel par TTI.
Le tableau suivant indique le nombre de PRB alloués pour différentes largeurs de bande :
Largeur de la bande du canal
1.4 MHz 1
3 MHz 2
5 MHz 2
10 MHz 4
15 MHz 6
20 MHz 8
Tableau 15: Nombre de PRB alloués au canal PUCCH [6]
2012/2013 Page 49
Cout des signaux de synchronisation pour DL (PSS et SSS)
Les canaux PSS et SSS occupent ensemble deux fois 72 RE pendant chaque trame
radio. Ainsi l’OverHead relatif à ces signaux correspond au rapport entre le nombre de RE
alloués à ces signaux et le nombre total des RE dans la trame radio de 10 ms, et il est donné
par l’équation ci-dessous :
Eq 31
avec:
CC: Largeur de la bande du canal
Cout du canal PBCH,PRACH pour UL et DL
Ce canal occupe 6 PRB et il est transmis durant 4 trames radio consécutives d’où :
Eq 32
Eq 33
: le nombre de symboles dans le domaine fréquentiel que peut occuper un
préambule d’accès aléatoire.
Coût des canaux PDCCH, PCFICH et PHICH pour le DL (appelé L1/L2 OverHead)
Ces canaux occupent les trois premiers symboles, du domaine temporel, de chaque TTI. D’où:
Eq 34
Eq 35
Bilan
Après le calcul du coût du système pour les canaux et les signaux physiques, nous obtenons :
Eq 36
Eq 37
2012/2013 Page 50
Pour calculer la capacité moyenne de la cellule, nous avons besoin de l’efficacité de la bande
qui est égale :
Eq 38
Eq 39
Si on généralise la formule, on obtient l’équation de la capacité de la cellule pour le sens
descendant :
=
Eq 40
Par analogie pour le sens montant:
=
Eq 41
Avec:
- :Nombre de secteurs par site.
- :sont respectivement le nombre de CC.
- (avec b et R sont respectivement le nombre de bits/symbole et le
rendement du code).
- : la probabilité d’occurrence du MCS d’index i.
-k et :sont respectivement le gain de multiplexage spatial et la probabilité
d’occurrence de ce gain.
- : sont respectivement l’efficacité de la bande en UL et en DL.
II.2.2.4 Détermination du nombre des sites requis
Le nombre de sites nécessaires pour satisfaire la contrainte de la capacité est donnée
par :
Eq 42
2012/2013 Page 51
II.2.3 Nombre final d’eNodeBs requis
Dans les sections précédentes, nous avons déterminé le nombre minimum des
eNodeBs requis pour établir la couverture demandée, ainsi que le nombre minimum
d’eNodeB pour satisfaire la demande en termes de capacité. Par conséquence, le nombre de
sites demandés pour obéir à la fois à la contrainte de couverture et de capacité est donné par
l’équation :
Conclusion Dans ce 1
ere chapitre, nous avons présenté la méthode de dimensionnement d’un
réseau LTE-Advanced. Nous avons présenté les différentes étapes du processus de
dimensionnement ainsi que, les différentes contraintes de capacité et de couverture. Il nous
reste donc à implémenter ces différentes étapes dans un outil bien spécifique. C’est l’objectif
de notre Troisième partie.
2012/2013 Page 52
Chapitre 3 : Conception d’un outil de dimensionnement et
planification du réseau LTE-A
I. Introduction
Puisque le processus de planification radio est complexe, il est nécessaire de
développer un outil permettant de faciliter la tâche de planification ATOLL. Dans ce chapitre,
on va entamer la phase de conception, réalisation et validation de l'outil ,nous allons présenter
l’outil de dimensionnement, que nous avons développé, et son évaluation. Pour ce faire, nous
commençons par spécifier le cahier des charges. Ensuite, nous décrivons les fonctionnalités
des modules du logiciel. Enfin, nous présentons l’environnement de développement et les
différentes interfaces développées, qui demeure un besoin pour faciliter la tache de
planification Atoll.
I.1 Cahier de charge de l’outil
I.1.1 Objectifs de l’outil de dimensionnement
Le but de cette étude est de développer un outil de dimensionnement d’un réseau LTE-
Advanced qui est capable de prendre en compte les contraintes d’ingénierie de cette nouvelle
technologie. Les besoins viennent de la nécessité de palier les insuffisances des couvertures
pour le système LTE-A. Cela nécessite une bonne conception pour dimensionner les zones et
de bien partager les capacités pour gérer les besoins des abonnés.
I.1.2 Paramètres de l’outil
L’outil de dimensionnement, " LTE-Planet", se base sur un ensemble de paramètres
entrée et propres à l’opérateur, constructeur et besoin clientèle.
I.1.3 Paramètres d’entrée
Nous avons besoins de ces paramètres pour effectuer le processus de
dimensionnement :
la bande passante utilisée et le type d’antenne. .
Ville à dimensionner.
Les paramètres du modèle de propagation.
Les paramètres du bilan de liaison.
2012/2013 Page 53
Caractéristiques de la sous zone choisie : Surface, densité de la population, nature de
la zone, etc.
Caractéristiques des abonnés de la sous zone: Taux de pénétration, taux des abonnés
(public, business).
Modèle de trafic de chaque service en UL et DL
I.1.4 Paramètres de sortie
L’application doit afficher les résultats suivants à l’utilisateur :
MAPL en UL et DL.
Rayon de couverture.
Nombre d’eNodeB orienté couverture.
Trafic total sur le lien descendant et le lien montant.
Capacité moyenne de la cellule en UL et DL.
Nombre d’eNodeB orienté capacité par sous zone.
Nombre d’e-NodeB final à déployer de la sous zone.
Rayon final.
I.2 Analyse et conception de l’outil
I.2.1 Analyse
L’analyse et la spécification des besoins représentent une étape fondamentale dans un
cycle de vie du développement d’un logiciel. Pour cette raison, nous consacrons cette partie à
la présentation détaillée des deux éléments. Nous commençons par la spécification des
besoins fonctionnels et non fonctionnels. Ensuite, nous détaillerons l’analyse de besoins en
présentant les diagrammes des cas d’utilisation pour les différentes modules développées.
I.2.2 Spécification des besoins
Le développement de la solution repose sur la spécification des besoins fonctionnels et
non fonctionnels.
2012/2013 Page 54
I.2.2.1 Besoins fonctionnels
Plusieurs aspects peuvent entrer en jeu dans ce type de besoins, qui sont présentés
comme suit:
L’utilisateur doit être authentifié grâce à un login et un mot de passe avant d’accéder
aux interfaces de calcul.
L’utilisateur est obligé de commencer par le calcul de son bilan de liaison avant de
choisir le modèle de propagation.
Choisir la zone à dimensionner.
Insérer certains paramètres généraux qui interviennent dans le calcul du bilan de
liaison calcul de la couverture et le calcul de la capacité.
L’utilisateur a besoin d’une interface afin de calculer la capacité.
Visualiser les résultats après l’insertion des paramètres nécessaires. Les résultats
finaux seront affichés dans une interface.
I.2.2.2 Besoins non fonctionnels
Certains besoins vont nous permettre d’améliorer l’efficacité de l’application élaborée
dans ce projet de fin d’études, à l’instar de la convivialité, l’ergonomie des interfaces et le
temps de traitement, etc.
L’application doit présenter des interfaces graphiques : claires, conviviales et bien
structurées du point de vue contenu informationnel.
Ergonomie : Les interfaces ne doivent pas être trop chargées pour garantir un temps de
chargement acceptable. L’affichage des résultats et les champs insérés doivent être
clairs pour l’utilisateur.
Facilité d’utilisation : La manipulation doit être simple et facile grâce à des interfaces
bien structurées.
Maintenable: Pour prolonger sa durée de vie, le module doit être facilement
modifiable et maintenable, afin de l’adopter à des nouvelles technologies utilisées.
2012/2013 Page 55
I.2.3 Conception de l’outil
L’outil "LTE-Planet" fournit une interface utilisateur simple pour l’aide au
dimensionnement des réseaux LTE-Advanced. L’utilisateur de l’outil doit suivre une
démarche hiérarchique pour le dimensionnement du réseau d’accès LTE-Advanced. Dans
cette partie, nous allons décrire les différentes étapes à suivre et les différents modules que
nous avons conçus afin de déterminer le nombre d’eNodeB nécessaires pour satisfaire
l'operateur. Cet outil effectue la tâche de dimensionnement en s’appuyant sur les 2 approches
développées dans le chapitre précédent.
Figure 20: Schéma synoptique simple de l’application
I.2.3.1 Détermination du nombre d’eNodeB orienté couverture
Ce module a pour objectif la détermination du nombre d’eNodeB qui répond à la
couverture exigée pour le réseau LTE-Advanced. Pour ce faire, il calcule le rayon de
couverture d’une cellule et la distance inter-site à partir du bilan de liaison et du modèle de
propagation adéquat aux caractéristiques du milieu. Après avoir dégagé le rayon de
couverture, nous pouvons déterminer le nombre d’eNodeB nécessaires pour couvrir la surface
de la zone et la distance inter-site.
Les entrées de ce module sont :
Les paramètres du bilan de liaison.
Le modèle de propagation choisi adéquat à la nature de la zone.
Les paramètres du modèle de propagation.
2012/2013 Page 56
Surface de la zone.
Les sorties de ce module sont :
Le rayon de la couverture.
Nombre d’eNodeB.
I.2.3.2 Détermination du nombre d’eNodeB par capacité
Ce module a pour but la détermination du nombre d’eNodeB qui répond à la capacité
demandée au réseau en calculant la charge du trafic de la zone étudiée. Pour ce faire, il faut
spécifier catégorie des clients publics ou buisness ainsi que le débit en UL et DL pour ces
dernières. Ensuite, il calcule le trafic total en UL et DL, détermine la capacité moyenne de la
cellule en UL et DL, le nombre de secteurs nécessaires pour véhiculer ce trafic et enfin le
nombre de CA.
Les entrées de ce module sont :
Les caractéristiques d’abonnés : taux de pénétration de la technologie LTE, catégorie
des clients.
Les caractéristiques de chaque catégorie : le débit sur UL et DL
La bande passante.
L’efficacité et la probabilité d’occurrence du MCS.
Le gain de multiplexage spatial et l’occurrence de ce gain.
Le SOH en UL et DL.
Nature de site "trisecteur, bi-secteur, mono-secteur".
Carrier Agregation.
Les sorties de ce module sont :
Le trafic total des abonnés en UL et DL.
La capacité de la cellule en UL et DL.
Le nombre d’eNodeB.
2012/2013 Page 57
I.2.4 les diagramme UML
I.2.4.1 Le diagramme de cas d’utilisation
Le but de la conceptualisation d’un diagramme de cas d’utilisation est de comprendre
et structurer les besoins de l’utilisateur. Ces besoins qui sont le but attendu par le système à
implémente. Ce dernier représente les cas d'utilisation, les acteurs et les relations entre les
deux, il décrit le comportement d'un système du point de vue d'un utilisateur. Dans cette
partie, nous identifions les besoins de l’outil ainsi que les services offertes par notre
application.
Figure 21: Diagramme de cas d’utilisation
I.2.4.2 Le diagramme de séquence
Le diagramme de séquence est une représentation séquentielle des activités du
système. Il permet de représenter les différentes périodes d’activité des objets. Une période
d’activité correspond au temps pendant lequel un objet effectue une action, soit directement,
soit par l’intermédiaire d’un autre objet qui lui sert de sous-traitant
2012/2013 Page 58
Figure 22: Diagramme de séquence d'authentification
Figure 23: Diagramme de séquence
I.2.4.2 Le diagramme de classe
Le schéma conçu ci-dessus, le diagramme de classes UML, sera utile plus tard lors de
la conception de notre base de données. Ce diagramme qui a une structure statique décrivent
la structure du système en montrant leurs attributs, les opérations (ou méthodes), et les
2012/2013 Page 59
relations entre les classes. Dans notre cas, le diagramme de classes contient les principales
classes utilisées dans notre application avec leurs différents attributs qui seront utilisés plus
tard comme des paramètres, ainsi que les relations entre les classes qui précisent le
fonctionnement de notre outil.
Figure 24: Diagramme de classe
II Environnement Logiciel
II.1 Netbeans IDE 6.7.1
Le langage que nous avons choisi pour développer notre application est le JAVA sous
l’éditeur Netbeans. Ce langage orienté objet a été crée par Sun Microsystems en 1995.Il nous
permettra de développer une application qui pourra s’exécuter sur n’importe quel système
d’exploitation. Nous avons choisi Java vu :
Sa robustesse : une gestion de la mémoire, un puissant mécanisme d’exception face
aux conversions dangereuses.
Ses multitâches : un lancement de tout un ensemble de processus en parallèle.
Nous avons choisi Netbeans comme éditeur vu sa capacité à réaliser des interfaces graphiques
sophistiquées.
2012/2013 Page 60
II.2 Base de données : MYSQL (5.1)
Dans notre outil, nous avons pensé à créer des bases de données. Pour y parvenir, nous
avons eu recours à installer le WampServer, une plateforme de développement web sous
Windows qui contient une base de données MySQL.
MySQL dérive directement de SQL (Structured Query Language) qui est un langage
de requête vers les bases de données exploitant le modèle relationnel.
II.3 Interfaces développées
Dans cette partie, nous allons donner un aperçu sur les différentes interfaces que nous
avons développées.
II.3.1 L’interface d’accueil
Lors du démarrage de l’application, nous apercevons la fenêtre principale qui affiche
une interface de bienvenue et qui demande à l’utilisateur de se connecter. Cette interface
regroupe le nom du logiciel, le logo d’application, le logo de l’entreprise, un menu qui permet
à l’utilisation de l’outil et un autre permettant de fermer l’outil.
Figure 25: L’interface d’accueil
2012/2013 Page 61
II.3.2 L’interface d’authentification
Cette interface contient 2 champs dans lesquels l’utilisateur doit taper son identifiant et
son mot de passe.
Figure 26: L’interface d’authentification
Si l’une des deux entrées est fausse, la fenêtre suivante s’affiche pour signaler l’erreur.
Figure 27: Echec d’authentification
II.3 Bilan de liaison
Cette interface nous affiche les différents paramètres généraux nécessaires pour le
dimensionnement LTE. Elle contient les champs suivants le débit au bord de la cellule en UL
2012/2013 Page 62
et DL, puissance a utiliser, la largeur de la bande et le type d’antenne, etc., qui sont
nécessaires pour les dimensionnements orientés couverture.
Figure 28: Bilan de liaison UL et DL
Le tableau ci-dessous représente les différents résultats pour le bilan de liaison:
Uplink Downlink
Débit au
bord de la
cellule[Kbps]
256 2048
Puissance
[dBm]
23 46
Charge de la
cellule [%]
35 50
Gain
d'antenne
[dBi]
18 18
Perte feeder
[dB]
1 1
2012/2013 Page 63
Noise Figure
[dB]
2.2 7
Largeur de
bande [Mhz]
20
Channel
doppler
EPA5 EVA70 ETU300 EPA5 EVA70 ETU300
Résultat
[dB]
146,089 143,361 144,345 154,279 152,632 152,078
Tableau 16: Bilan de liaison en fonction Channel Doppler
II.3 Les interfaces du modèle de propagation
L'application contient 3 modèles de propagation Okumura Hatta , Cost-231 Hata et
Cost 231 Walfisch-Ikegami. L’utilisateur doit exécuter les deux premier modèles de
propagation pour la zone à dimensionner. Chaque modèle fournit des paramètres qui
permettent le calcul du rayon de couverture et le nombre site.
Figure 29: Modèle Okumura Hata
2012/2013 Page 64
Le tableau ci-dessous représente les résultats pour le modèle Okumura Hata frequence
1800MHz:
Urbain dense Urbain Suburbain Rural
Hauteur
eNodeB [m]
30 30 45 60
Hauteur
receiver[m]
1.5
Perte de
pénétration
[dB]
20 16 12 7
Surface [Km2] 37.52
Rayon de
couverture
[Km]
0,321 0,455 1,527 2,459
Nombre de site 73 37 4 2
Tableau 17: Résultat Okumura Hata
Figure 30: Modèle Cost 231-Hata
2012/2013 Page 65
Le tableau ci-dessous représente les résultats pour le modèle Cost-231 Hata frequence
1800MHz:
Urbain dense Urbain Suburbain Rural
Hauteur
eNodeB[m]
30 30 45 60
Hauteur
receiver [m]
1.5
Perte de
pénétration[dB]
20 16 12 7
Surface [Km2] 37.52
Rayon de
couverture[Km]
0,343 0,400 1,131 5,252
Nombre de site 64 47 7 1
Tableau 18: Résultat Cost-231 Hata
Figure 31: Modèle Walfisch-Ikegami
2012/2013 Page 66
Le tableau ci-dessous représente les différents résultats pour les deux modèles de
propagation:
Okumura Hata Cost-231 Hata
Rayon de
couverture[Km]
Nombre de site Rayon de
couverture[Km]
Nombre de site
Dense Urbain 0,321 73 0,343 64
Urbain 0,455 37 0,400 47
Suburbain 1,527 4 1,131 7
Rural 2,459 2 5,252 1
Tableau 19: Résultat des simulations orienté couverture
II.4 L’interface des paramètres pour le calcul de la capacité moyenne
de la cellule Cette fenêtre contient tous les paramètres nécessaires pour le calcul de la capacité de
la cellule en UL et DL.
Figure 32: Les paramètres pour le calcul de la capacité moyenne de la cellule
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Aprés avoir rempli les différents champs de modulation and coding scheme, spatial
multiplexing gain et configuration, il suffit de cliquer sur l'icone "calculer" pour les résultat de
la capacité en suivant l'equation(Eq 40,Eq 41) .
II.4 L’interface des paramètres pour le calcul du Trafic
Cette fenêtre affiche le trafic total des abonnés en UL et DL pour les deux catégorie
d'abonnés.
Figure 33: Les paramètres pour trafic total
Le tableau ci dessous represente les differents resultats de modele de traffic pour les
deux cas d'abonnes :
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Pénétration rate 10%
Nombre d'abonné 4500
Link UL DL
Business
subscriber[Kbps]
512 4096
Total trafic
Business[Mbps]
92,16 737,28
Public
subscriber[Kbps]
256 1024
Total trafic
Public[Mbps]
46,08 184,32
Tableau 20: Modèle de traffic en fonction peneration rate
II.5 L’interface des résultats finaux
Cette fenêtre regroupe le nombre d’eNodeB, rayon de couverture orienté couverture
pour chaque modèle de propagation, ainsi le nombre d'eNode orienté capacité.
Figure 34: Les résultats finaux de dimensionnement
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Le tableau ci dessous résume tous les résultats de dimensionnements:
Rayon de la
cellule[Km]
Nombre se
site
Nombre de
site UL
Nombre de
site DL
Couverture Okumura
Hata
0.455 37 _ _
Cost-231
Hata
0.400 47 _ _
Capacité Public _ _ 2 3
Buisness _ _ 2 7
Tableau 21: Résultat de LTE-Planet
D'après les résultats obtenus, on doit planifier notre réseau orienté couverture modèle
Cost-231 Hata ( Km, =47).
III La phase de planification
III.1 Présentation de l'environnement de travail
Afin d’accomplir notre exercice de planification, nous avons utilisé le logiciel Atoll
3.1.2. Nous pouvons utiliser ce logiciel pour planifier différents types de systèmes tels que
CDMA2000, GSM, GPRS, UMTS, WIMAX et LTE. Pour notre projet, nous choisissons le
système LTE.
Figure 35: Type de projet dans l’Atoll
III.2 Etape de planification Atoll
Une fois notre système est choisi, nous choisissons le système de coordonnées.
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Figure 36: Choix du système de coordonnées
III.2.1 Zone de couverture
Le but du projet est le déploiement du réseau LTE dans la zone de Sfax vile, comme le
montre la figure 34. La zone de couverture a une superficie de 85. km2. Nous essayons
d’assurer une couverture totale de cette région et de maintenir d’une bonne qualité de service.
Figure 37: Map Sfax Ville
Après, nous importons notre carte numérisée et nous définissons le modèle de
propagation, le type d’antenne, les caractéristiques du site ,nous avons ajouté des sites tri-
sectorisés qui fonctionnent sur cette bande pour les différents environnements.
La figure suivant résume les paramètres des sites qui sont nécessaires pour les
prédictions faites sur Atoll
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Figure 38: Les paramètres généraux d’un site Zone urbaine
Il faut aussi configurer les paramètres de l’émetteur en indiquant la perte totale ainsi
que la perte due au bruit.
Figure 39: Paramètres d’émetteur et recepteur
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Figure 40: Les paramètres LTE du site
III.2.2 Zone géographique à planifier
Nous allons choisir la zone Sfax Ville, lieu du Tunisie Telecom.
Nous limitons la zone tout d’abord en forme hexagonale par:
Computation zone(en rouge): utilisé pour définir la surface dans laquelle ATOLL
prend en considération les émetteurs activent.
Focus zone(en vert) :c’est la zone exacte à planifier, dans laquelle ATOLL génère ses
rapport et statistiques.
Cette zone se caractérise par une forte et moyenne densité de population.
La figure suivante présente un aperçu de la zone à planifier, qui couvre un peu plus que 37.52
Km².
Figure 41: Zone sélectionnée pour la planification
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Figure 42: Les sites actuels
D'après le modèle de cost-231 Hata, on doit ajouter 21 site dans la zone géographique
à planifier tout en respectant leurs positions et configurations en azimuth et tilt actuels.
Figure 43: Activation des sites
Nous remarquons que les valeurs de puissance les plus élevées sont concentrées autour
des sites, et ces valeurs diminuent en s’éloignant des émetteurs à cause des atténuations.
L’histogramme suivant exprime le pourcentage des zones couvertes en fonction du
niveau de signal :
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Figure 44: Histogramme de la prédiction de couverture avant optimisation
III.2.3 La position des sites après optimisation
Nous déplaçons aussi les sites qui sont proches des frontières dans notre zone pour
bénéficier de leurs couvertures. Nous changeons aussi l’azimuth et tilt des transmetteurs. Si
notre prédiction souffre des problèmes de couverture après le positionnement des sites, nous
devons ajouter des nouveaux sites.
Figure 45: Position des sites après optimisation
L’histogramme suivant exprime le pourcentage des zones couvertes en fonction du
niveau du signal :
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Figure 46: Histogramme basé sur la prédiction de la couverture après optimisation
D’après l’histogramme ci-dessus, nous remarquons que le niveau signal entre [-105,-
100] et [-100,-95] a diminué par rapport (figure 44).
III.2.4 Résultat des simulations après optimisation
Pour visualiser la réponse du réseau aux différentes demandes de trafic, nous avons
effectué 10 simulations. Les entrées de la simulation est user profile environnement.
Figure 47: L'état des abonnés
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L’imprime écran suivante résume les résultats de la simulation :
Figure 48: Résultat de la simulation
D’après la figure précédente, nous remarquons que le taux de blocage ne dépasse pas
3.1%, ce qui respecte le taux maximal fixé par les opérateurs (5%).
Conclusion
Au cours de ce chapitre nous avons évoqué tous les étapes en relation avec la
réalisation de l’application. Ainsi, nous avons exposé des aperçus d’écran témoignent les
différentes étapes de l’application. Enfin, une partie de planification pour valider les résultats
obtenus.
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Conclusion Générale
Le progrès du monde des télécommunications est de plus en plus rapide. Aujourd’hui
un abonné est susceptible non seulement d’établir une connexion en tout moment pour
récupérer ce dont il a besoin mais en plus, il est capable de jouir d’une multitude de services à
travers le même réseau. C’est le principe de la convergence des réseaux aux quels répondent
les réseaux des nouvelles générations et en particulier LTE-A.
L’objectif principal de ce projet est de créer un outil de planification et de
dimensionnement du réseau d’accès de l’E-UTRAN, dans LTE-Advanced. Un outil évolutif
qui fournit une solution efficace, qui suit l’évolution rapide du standard 3GPP LTE et qui tient
compte des nouvelles technologies introduites, telles que MIMO et l’agrégation de porteuses,
etc. Pour cela ce projet est de dimensionner et de planifier le réseau d’accès LTE-A dans le
"Sfax ville". Pour cela, nous avons commencé par une présentation générale du réseau LTE-A,
son architecture, ses caractéristiques, son interface radio ainsi que les avantages qu’il assure.
Ensuite, nous nous sommes intéressés à l’étude du dimensionnement d’un réseau d’accès LTE-A.
En premier lieu, nous avons présenté les différents paramètres du bilan de liaison et les modèles
de propagation afin d’effectuer un dimensionnement des e-NodeBs orienté couverture. En
deuxième lieu, nous avons profilé les usagers de l’opérateur dans le but d’évaluer la charge du
trafic. Nous avons, également, déterminé la capacité moyenne de la cellule pour effectuer un
dimensionnement orienté capacité.
Nous avons conçu l’architecture globale de notre solution et développé ses
fonctionnalités au sein d’un outil que nous avons appelé LTE-Planet. Enfin, nous avons
comparé les résultats de dimensionnement obtenus avec notre outil à ceux générés par le
simulateur Atoll.
Notre outil LTE-Planet ne couvre que le processus de dimensionnement du réseau
d’accès. En perspective, nous pourrons envisager d’intégrer tous le processus de
dimensionnement des interfaces radio (X2, S1). Nous projetons aussi d’ajouter un module
cartographique à notre application permettant la lecture des modèles numériques du terrain, le
paramétrage des sites, la sélection des emplacements des sites et l’élaboration des prédictions
et des simulations dans la zone d’étude pour accomplir le processus de planification
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Bibliographie
[1] http://www.efort.com/r_tutoriels/LTE_SAE_EFORT.pdf
[2] http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5990-6706EN.pdf
[3] « Long Term Evolution Radio Access Network Planning Guide », HUAWEI.
[4] 3GPP TS 23.002 V8.5.0, « Network Architecture (Release 8), Juin 2009.
[5] Long Term Evolution (LTE) an introduction, Ericsson, Octobre 2007.
[6] Outil de planification et de dimensionnement dans l’E-UTRAN LTE-Advanced pfe Ali
Lassoued
[7] Planification et dimensionnement d’un réseau LTE sur le Grand Tunis pfe Med hakim
Lahkimi
[8] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold et Per Beming, « 3G Evolution HSPA and
LTE for Mobile Broadband, 2nd Edition, AP, Octobre 2008.
[9] « Coverage and Capacity Dimensioning », Ericsson, 1/100 56-HSC 105 50/1-T Uen J1.
[10] RNT_LTE_Dim v2.3.6 Approved for RL10 / RL20 / RL30 / RL15TD / RL25TD Nokia
Siemens Network.xls
[11] 4G LTE/LTE-Advanced for mobile broadband”. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan
Skӧl. Published by Elsevier Ltd, 2011.
[12] http://www.netmanias.com/bbs/view.php?id=cshareforum_mobile&no=48
[13]http://www.engadget.com/2008/07/25/lte-wimax-vie-for-itus-love-and-affection/
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Annexe 1
Techniques de modulation et de codage (MCS index) pour DL et UL
MCS
index
Downlink Uplink
Modulation Coding
Rate
SNR, dB Modulation Coding
Rate
SNR, dB
0 QPSK 0.1172 -6.475 QPSK 0.1000 -7.231
1 QPSK 0.1533 -5.182 QPSK 0.1250 -6.164
2 QPSK 0.1885 -4.131 QPSK 0.1550 -5.113
3 QPSK 0.2452 -2.774 QPSK 0.2050 -3.701
4 QPSK 0.3008 -1.649 QPSK 0.2500 -2.658
5 QPSK 0.3701 -0.469 QPSK 0.3100 -1.480
6 QPSK 0.4385 0.561 QPSK 0.3650 -0.544
7 QPSK 0.5137 1.564 QPSK 0.4300 0.440
8 QPSK 0.5879 2.479 QPSK 0.4900 1.263
9 QPSK 0.6631 3.335 QPSK 0.5550 2.085
10 16QAM 0.3320 3.335 QPSK 0.6150 2.794
11 16QAM 0.3691 4.140 16QAM 0.3075 2.794
12 16QAM 0.4238 5.243 16QAM 0.3525 3.789
13 16QAM 0.4785 6.285 16QAM 0.4000 4.771
14 16QAM 0.5400 7.403 16QAM 0.4500 5.748
15 16QAM 0.6016 8.478 16QAM 0.5025 6.727
16 16QAM 0.6426 9.168 16QAM 0.5350 7.313
17 64QAM 0.4277 9.168 16QAM 0.5700 7.931
18 64QAM 0.4551 9.846 16QAM 0.6300 8.963
19 64QAM 0.5049 11.060 16QAM 0.6925 10.010
20 64QAM 0.5537 12.250 16QAM 0.7525 10.994
21 64QAM 0.6016 13.398 64QAM 0.5017 10.994
22 64QAM 0.6504 14.534 64QAM 0.5417 11.961
23 64QAM 0.7021 15.738 64QAM 0.5850 12.995
24 64QAM 0.7539 16.934 64QAM 0.6283 14.017
25 64QAM 0.8027 18.067 64QAM 0.6700 14.991
26 64QAM 0.8525 19.196 64QAM 0.7100 15.920
27 64QAM 0.8887 20.032 64QAM 0.7417 16.652
28 64QAM 0.9258 20.866 64QAM 0.7717 17.343