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  • Ya n n i c k B o u g u e n

    r i c H a r d o u i n

    F r a n o i s - X a v i e r W o l f f

    Pr face d A la in Ma lober t i

    LTE et les rseaux

    4G

    S o u s l a d i rect ion de Guy Pu jo l l e

    Groupe Eyrolles, 2012, ISBN : 978-2-212-12990-8

  • 1 LTE, la rvolution de lUMTS

    Sommaire : Le contexte historique Les motivations pour lintroduction du LTE Le processus de normalisation au sein du 3GPP Les exigences dfinies par le 3GPP Les bandes de frquences pour le LTE Les services Les performances du LTE

    Ce chapitre prsente, dans un premier temps, les tapes majeures du dveloppement des rseaux mobiles, de leurs premiers pas dans les annes 1970 leurs dernires volutions. Ces rappels permet-tront de mieux apprhender le contexte dmergence du LTE (Long Term Evolution), qui constitue un systme dit de quatrime gnration. Puis, les motivations pour la dfinition dune nouvelle gnra-tion de systmes mobiles sont examines. Cest ensuite le processus de normalisation du LTE au sein du 3GPP (3rd Generation Partnership Project) qui est dcrit, ainsi que les objectifs ayant prsid sa conception. Nous prsentons alors les frquences alloues au LTE, ainsi que les services envisags grce cette nouvelle technologie. Les performances atteintes par le LTE sont quantifies. Nous terminons par un aperu des volutions du LTE depuis sa version initiale.

    Un peu dhistoire

    En lespace dune vingtaine dannes, lusage des services de communications mobiles a connu un essor remarquable. La figure suivante illustre lvolution du nombre dabonns mobiles au regard de la population mondiale : on compte fin 2011 prs de 6 milliards dabonns travers le monde, soit 87 % de la population mondiale [UIT, 2012]. Cest vritablement un nouveau secteur de lindustrie mondiale qui sest cr, regroupant notamment constructeurs de circuits lectroniques, constructeurs de terminaux mobiles, constructeurs dinfrastructures de rseaux, dveloppeurs dapplications et de services et oprateurs de rseaux mobiles.

    Conues lorigine pour offrir un service de tlphonie mobile uniquement, les technologies de communications radio mobiles ont considrablement volu et permettent dsormais une

  • LTE et les rseaux 4G2

    connexion haut-dbit en situation de mobilit. Les rseaux mobiles compltent ainsi les rseaux daccs rsidentiels tels que x-DSL (x-Digital Subscriber Line) et FTTH (Fiber To The Home) pour laccs haut-dbit Internet. Les utilisateurs de terminaux mobiles peuvent naviguer sur le Web, utiliser leurs applications et services prfrs, consulter leurs courriels, tlcharger des vidos, de la musique, regarder la tlvision, partager des photos, tout cela sur le mme terminal et en mobilit. Ainsi, cette dernire nest plus un frein laccs aux contenus numriques. Dans certains pays dpourvus de rseau fixe fiable et dvelopp, les rseaux mobiles se substituent mme aux rseaux rsidentiels et sont lunique moyen daccder Internet.

    Figure 1-1volution du nombre dabonns mobiles travers le monde

    Quelques rappels techniquesLhistoire des rseaux mobiles est relativement rcente puisque louverture commerciale du premier rseau mobile fut annonce en 1979 au Japon. Jusque-l, ltat de lart en matire dlectro-nique et de micro-ondes nautorisait pas lmission/rception radio avec un quipement portable. Les progrs majeurs raliss dans ces domaines ont permis de rduire de manire drastique la taille des terminaux.

    Le premier rseau mis en service tait dj bas sur le concept de motif cellulaire, concept dfini au sein des Bell Labs au dbut des annes 1970. Cette technique est une composante technologique cl des rseaux mobiles car elle permet de rutiliser les ressources du rseau daccs radio sur plusieurs zones gographiques donnes appeles cellule. une cellule est ainsi associe une ressource radio (une frquence, un code) qui ne pourra tre rutilise que par une cellule situe suffisamment loin afin dviter tout conflit intercellulaire dans lutilisation de la ressource. Conceptuellement, si une cellule permet dcouler un certain nombre dappels simultans, le nombre total dappels pouvant tre supports par le rseau peut tre contrl en dimensionnant les cellules selon des tailles plus ou moins importantes. Ainsi, la taille dune cellule situe en zone urbaine est habituellement infrieure celle dune cellule situe en zone rurale. Les rseaux mobiles sont tous bass sur ce concept de cellule, cest pourquoi ils sont aussi appels rseaux cellulaires.

  • LTE, la rvolution de lUMTSCHAPITRE 1

    3

    Une cellule est contrle par un metteur/rcepteur appel station de base, qui assure la liaison radio avec les terminaux mobiles sous sa zone de couverture. La couverture dune station de base est limite par plusieurs facteurs, notamment :

    la puissance dmission du terminal mobile et de la station de base ;

    la frquence utilise ;

    le type dantennes utilis la station de base et au terminal mobile ;

    lenvironnement de propagation (urbain, rural, etc.) ;

    la technologie radio employe.

    Une cellule est communment reprsente sous la forme dun hexagone ; en effet, lhexagone est le motif gomtrique le plus proche de la zone de couverture dune cellule qui assure un maillage rgulier de lespace. Dans la ralit, il existe bien entendu des zones de recouvrement entre cellules adjacentes, qui crent de linterfrence intercellulaire.

    On distingue plusieurs types de cellules en fonction de leur rayon de couverture, li la puissance dmission de la station de base, et de leur usage par les oprateurs.

    Les cellules macro sont des cellules larges, dont le rayon est compris entre quelques centaines de mtres et plusieurs kilomtres. Les cellules macro couvrent lensemble dun territoire de manire rgulire et forment ainsi lossature de la couverture dun rseau mobile. Elles sont contrles par des stations de base macro dont la puissance est typiquement de 40 W (46 dBm) pour une largeur de bande de 10 MHz. Leurs antennes sont places sur des points hauts, comme des toits dimmeubles ou des pylnes.

    Les cellules micro sont des cellules de quelques dizaines une centaine de mtres de rayon, destines complter la couverture des cellules macro dans des zones denses ou mal couvertes. Les stations de base associes sont appeles des stations de base micro et leur puissance est de lordre de 10 W (40 dBm). Leurs antennes sont typiquement places sous le niveau des toits, gnralement en faade de btiments.

    Les cellules pico poursuivent le mme but que les cellules micro, mais sont associes des puis-sances plus faibles, de lordre de 0,25 5 W (24 37 dBm). Elles peuvent notamment servir couvrir des hot spots, ou de grandes zones intrieures (indoor), tels que des aroports ou des centres commerciaux. Les antennes des stations de base pico peuvent tre places comme celles des stations de base micro, ou au plafond ou contre un mur lintrieur de btiments.

    Les cellules femto sont de petites cellules dune dizaine de mtres de rayon, principalement destines couvrir une habitation ou un tage de bureaux. Elles sont associes des puissances faibles, de lordre dune centaine de mW (20 dBm), et sont gnralement dployes lintrieur des btiments.

    Chaque station de base requiert un site radio, habituellement acquis ou lou par loprateur de rseaux mobiles, lexception des stations de base femto qui peuvent tre dployes par lutilisa-teur. On notera que seules les cellules macro sont gnralement dployes selon un motif cellulaire rgulier, les autres types de cellules venant dans la plupart des cas seulement complter localement la couverture, formant alors un rseau dit htrogne.

  • LTE et les rseaux 4G4

    Afin de minimiser le nombre de stations de base macro, on utilise communment la trisectorisation. Ce dploiement consiste pour une station de base mettre en uvre un systme dmission/rcep-tion dans trois directions distinctes appeles azimuths. Ceci seffectue au moyen dantennes direc-tionnelles, chaque antenne pointant dans une direction donne. Le schma suivant prsente une topologie commune de rseau macrocellulaire et illustre le concept de trisectorisation, chaque flche reprsentant la direction de pointage dune antenne et chaque hexagone reprsentant une cellule. Dans le cas de la trisectorisation, une cellule est aussi appele un secteur. Notons que dans la ralit, notamment en milieu urbain, les cellules ne sont pas disposes selon un motif aussi rgu-lier et peuvent tre de formes varies en fonction de la propagation locale.

    Figure 1-2Topologie dun rseau cellulaire trisectoris structure hexagonale

    Larchitecture dun rseau mobile inclut trois entits fonctionnelles :

    le terminal mobile, appel aussi quipement utilisateur (ou usager), abrg en UE (User Equipment) ;

    le rseau daccs ou RAN (Radio Access Network) ;

    le rseau cur ou CN (Core Network).

    On distingue galement deux domaines :

    le domaine de lUE, qui inclut les quipements propres lutilisateur ;

    le domaine de linfrastructure, constitu des quipements propres loprateur.

    La figure suivante prsente la structure dun rseau mobile. LUE fait partie du domaine de lqui-pement utilisateur et est interconnect au rseau daccs par lintermdiaire de linterface radio. Llment dinterconnexion du rseau daccs avec linterface radio est la station de base. Le rseau daccs et le rseau cur sont rattachs au domaine de linfrastructure et sont interconnects par une ou plusieurs interfaces terrestres. Nous prciserons au chapitre 2 la rpartition fonctionnelle entre UE, rseau daccs et rseau cur pour le LTE.

  • LTE, la rvolution de lUMTSCHAPITRE 1

    5

    Figure 1-3Structure dun rseau mobile

    Lhistoire des rseaux mobiles est jalonne par trois tapes principales, auxquelles on donne couramment le nom de gnration. On parle des premire, deuxime et troisime gnrations de rseaux mobiles, gnralement abrges respectivement