en vue de l'obtention du diplome de master a visee
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N° d’ordre : 17/TCO M2P Année Universitaire : 2014/ 2015
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
----------------------
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
-----------------------
DEPARTEMENT TELECOMMUNICATION
MEMOIRE DE FIN D’ETUDE
en vue de l'obtention
du DIPLOME DE MASTER A VISEE PROFESSIONNELLE
Domaine : Sciences de l’Ingénieur
Mention : TELECOMMUNICATION
Parcours : Systèmes de Traitement de l’Information (STI)
par : RATOVONANTOANDRO Sandy Mialisoa
OPTIMISATION ET ETUDES DE LA PERFORMANCE DU RESEAU LTE
PAR L’UTILISATION DE LA « CARRIER AGGREGATION »
Soutenu le lundi 07 novembre 2016 devant la Commission d'Examen composée de :
Président : M.RAKOTOMALALA Mamy Alain
Examinateurs :
M.RATSIHOARANA Constant
M.RATSIMBAZAFY Andriamanga
M.RAVONIMANANTSOA Ndaohialy Manda-Vỳ
Directeurs de mémoire : M. RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel
M. RAVALIMINOARIMALALASON Toky Basilide
i
REMERCIEMENTS
Tout d’abord, j’aimerai remercier Le Bon Seigneur de la bénédiction qu’Il m’a donnée chaque
jour de ma vie.
Je tiens à remercier Monsieur ANDRIANAHARISON Yvon, Professeur Titulaire, Directeur
de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo.
Mes remerciements s’adressent également à Monsieur RAKOTOMALALA Mamy Alain,
Maître de Conférences, Chef de Département Télécommunications qui a fait l’honneur de présider
le jury de ce mémoire.
Je tiens à témoigner ma reconnaissance et ma gratitude les plus sincères à Monsieur
RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel, Maître de Conférences à l’ESPA, Enseignant au sein du
département Télécommunication, qui, en tant que Directeur de ce mémoire, s'est toujours montré à
l'écoute et très disponible tout au long de la réalisation de ce travail.
.J’aimerais exprimer ma profonde gratitude et ma reconnaissance pour le stage menant à ce
mémoire que Monsieur RAVALIMINOARIMALALASON Toky Basilide, Assistant
d'enseignement et de recherche à l’ESPA et encadreur professionnel, m’a permis d’effectuer au sein
du Groupe TELMA emmenant à ce mémoire de fin d’étude.
J’exprime également ma gratitude aux membres de jury qui ont accepté d’examiner ce mémoire
malgré leurs innombrables occupations :
− Monsieur RATSIHOARANA Constant, Maître de Conférences
− Monsieur RATSIMBAZAFY Andriamanga, Maître de Conférences
− Monsieur RAVONIMANANTSOA Ndaohialy Manda-Vỳ, Maitre de Conférences
Mes remerciements s’adressent à toute la Direction et au corps professoral de l’ESPA, en
particulier, ceux du Département Télécommunication qui m’a formé durant ces cinq années d’études
supérieures.
J’ai aussi une pensée émue pour le soutien émotionnel sans fin manifesté par ma famille, mes
amis tout au long de la réalisation de ce travail.
Enfin, à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce mémoire de fin
d’études.
Merci à tous et à toutes.
ii
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ................................................................................................................................ i
LISTE DES ABREVIATIONS ET NOTATIONS ................................................................................. vi
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................. 1
CHAPITRE 1 LA TECHNOLOGIE LTE ET LTE–ADVANCED ........................................................ 3
1.1 Introduction ................................................................................................................................... 3
1.2 La technologie LTE ........................................................................................................................ 3
1.2.1 Généralités sur la technologie LTE .......................................................................................... 3
1.2.2 Les buts de la 4G ...................................................................................................................... 4
1.2.3 Architecture ............................................................................................................................. 5
1.3 La technologie LTE-ADVANCED .............................................................................................. 10
1.3.1 Introduction ........................................................................................................................... 10
1.3.2 L’augmentation du nombre d’abonnés actifs simultanément ................................................ 11
1.3.3 La Carrier Aggregation .......................................................................................................... 11
1.3.4 Le Multiple Input Multiple Output ou multiplexage spatial ................................................... 11
1.3.5 Les nœuds relais..................................................................................................................... 13
1.3.6 Coordinated Multipoint Transmission ou Opération Multi Point coordonnée ....................... 14
1.4 Comparaison entre les réseaux 3G et 4G .................................................................................... 18
1.5 Conclusion .................................................................................................................................... 19
CHAPITRE 2 LES ASPECTS DE LA TECHNOLOGIE LTE ........................................................... 20
2.1 Introduction .......................................................................................................................... 20
2.2 Les exigences pour le LTE .................................................................................................... 20
2.2.1 La capacité en nombre d’utilisateurs simultanés ............................................................. 20
2.2.2 L’efficacité spectrale cellulaire ........................................................................................ 20
2.2.3 Les débits ......................................................................................................................... 21
2.2.4 La latence .............................................................................................................................. 21
2.2.5 L’agilité en fréquence ...................................................................................................... 22
2.2.6 La mobilité ....................................................................................................................... 22
iii
2.3 L’interface radio du LTE ...................................................................................................... 23
2.3.4 Le mode de duplexage ...................................................................................................... 23
2.3.5 La méthode d’accès .......................................................................................................... 24
2.3.6 La technologie Multiple Input Multiple Output en LTE .................................................. 28
2.3.7 Les canaux ....................................................................................................................... 31
2.3.8 Structure de la trame de l’interface radio......................................................................... 36
2.3.9 L’allocation de ressource en LTE .................................................................................... 37
2.4 Les services offerts par le LTE ............................................................................................. 39
2.5 La qualité de services ............................................................................................................ 39
2.6 Cohabitation et compatibilité avec les générations intérieures ............................................ 39
2.7 Conclusion ............................................................................................................................. 40
CHAPITRE 3 LA GESTION DE LA QUALITE DE SERVICE DU RESEAU LTE.......................... 41
3.1 Introduction .......................................................................................................................... 41
3.2 Les fonctionnalités de l’Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network ....................... 41
3.3 Les Key Performance Indicators .......................................................................................... 41
3.3.1 L’Accessibilité .................................................................................................................. 42
3.3.2 La retainability ................................................................................................................. 42
3.3.3 L’intégrité ........................................................................................................................ 43
3.3.4 La disponibilité................................................................................................................. 43
3.3.5 La mobilité ....................................................................................................................... 43
3.3.6 Utilisation des matériels ................................................................................................... 43
3.4 Les principes du Drive Test .................................................................................................. 44
3.4.1 Les améliorations apportées au Radio Access Network .................................................... 44
3.4.2 Mesures de la QoS dans le réseau cellulaire ....................................................................... 48
3.4.3 Résultats obtenus après un drive-test sur la ville d’Antananarivo .................................... 50
3.5 Conclusion ............................................................................................................................. 51
CHAPITRE 4 LA PERFORMANCE ET L'OPTIMISATION DU RESEAU LTE ............................ 52
4.1 Introduction .......................................................................................................................... 52
iv
4.2 La performance de réseau LTE ............................................................................................ 52
4.2.1 La gestion de la performance ........................................................................................... 52
4.2.2 L’audit des paramètres par défaut.................................................................................... 52
4.2.3 Les différentes optimisations apportées à un réseau LTE ................................................ 53
4.3 L’optimisation de la technologie LTE vers le LTE-Advanced ............................................. 57
4.3.1 Les bases de la Carrier Aggregation LTE ........................................................................ 58
4.3.2 Les aspects des fréquences radio de l’agrégation des porteuses ............................................ 58
4.3.3 Les largeurs de bande des Composantes spectrales ............................................................... 60
4.4 Conclusion ............................................................................................................................. 62
CHAPITRE 5 SIMULATION DE LA PERFORMANCE DE LA CARRIER AGGREGATION
CONTIGUE ........................................................................................................................................... 63
5.1 Introduction .......................................................................................................................... 63
5.2 Scénarios de Carrier Agrégation .......................................................................................... 63
5.2.1 La Carrier Aggregation intra-bande contiguë: ................................................................ 63
5.2.2 La Carrier Aggregation intra-bande non contiguës : ....................................................... 64
5.2.3 La Carrier Aggregation inter-bande non-contiguës : ....................................................... 64
5.3 Méthodologie de l'algorithme utilisé ..................................................................................... 65
5.4 Simulation de l’Agrégation des porteuses ............................................................................ 65
5.4.1 Simulation de deux composantes spectrales contiguës de bande passante différente ....... 66
5.4.2 Simulation des composantes spectrales intra-bandes contiguës ....................................... 67
5.4.3 Simulation de l’augmentation du débit par l’augmentation de la bande passante ........... 71
5.5 Conclusion ............................................................................................................................. 73
CONCLUSION GENERALE ................................................................................................................ 74
ANNEXE 1 L’EVOLUTION DES RESEAUX CELLULAIRES ....................................................... 75
A1.1 Norme GSM .............................................................................................................................. 75
A1.2. Le standard General Packet Radio Service ............................................................................. 77
A1.2.1. L’apport de la technologie GPRS ....................................................................................... 77
A1.2.2. Architecture Matérielle du GPRS ....................................................................................... 78
A1.3. La technologie Enhanced Data rates for GSM Evolution ....................................................... 78
v
A1.4. Téléphonie à mode paquet à haut débit ................................................................................... 79
A1.4.1. Architecture de l’ UMTS Terrestrial Radio Access Network............................................... 79
A1.4.2. Le domaine User Equipement............................................................................................. 80
A1.4.3.UMTS Terrestrial Radio Access Network ............................................................................ 80
A1.4.4. Réseau Coeur CN (Core Network) ...................................................................................... 80
A1.5.HSDPA ...................................................................................................................................... 80
A1.6.HSUPA ...................................................................................................................................... 81
ANNEXE 2 LES CRITERES DE CONCEPTION DU LTE-ADVANCED SELON LE 3GPP ET
L’UIT-R ................................................................................................................................................. 82
ANNEXE 3 MODULATION AND CODING SCHEME EN LTE ...................................................... 83
BIBLIOGRAPHIES .............................................................................................................................. 84
FICHE DE RENSEIGNEMENT ........................................................................................................... 87
RESUME ................................................................................................................................................ 88
ABSTRACT ........................................................................................................................................... 88
vi
LISTE DES ABREVIATIONS ET NOTATIONS
1. Minuscules latines
an bloc d’échantillon complexe à l’entrée de l’IDFT
bXL ordre de modulation en UL ou DL
d distance intersites
dn bloc d’échantillon complexe à la sortie de l’IDFT
˄f espacement entre sous porteuse OFDM
hb hauteur de la station de base
hij coefficient du canal entre une antenne de réception i et émission j
ni bruit gaussien sur l’antenne de réception i
nR nombre d’antenne de réception MIMO
nT nombre d’antenne d’émission MIMO
w largeur de la rue
yi signal reçu sur l’antenne de réception i
zi bruit à la sortie du DFT du démodulateur
2. Majuscules latines
Sj Symbole émis par l’antenne d’émission j
3. Abréviations
1G Première Génération
2G Deuxième Génération
3G Troisième Génération
3GPP 3rd Generation Partnership Project
AMPS Advanced Mobile Phone System
AuC Authentication Center
BCCH Broadcast Control CHannel
BCH Broadcast CHannel
BL Building Loss
BLER Block Error Rate
BSC Base Station Controller
BTS Base Transceiver Station
vii
CA Carrier Aggregation
CB Coordinated Beamforming
CCCH Common Control CHannel
CRS Cell Reference Signal
CC Component Carrier
CCCH Common Control CHannel
CCU Chanel Codec Unit
CDMA Code Division Multiple Access
CN Core Network
CoMP Coordinated MultiPoint
CP Cyclic Prefix
CS Coordinated Scheduling
DCCH Dedicated Control CHanel
DC-HSDPA Dual Carrier – High Speed Downlink Packet Access
DFT Discrete Fourier Transform
DL-SCH Downlink Shared Channel
DM-RS Demodulation-Reference Signal
DTCH Dedicated Trafic CHannel
DwPTS Downlink Pilot Time Slot
EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution
EIR Equipement Identity Register
eNodeB enhanced Node B
EPC Evolved Packet Core
EPS Evolved Packet System
ETSI European Telecommunication Standards Institute
E-UTRAN Evolved-UMTS Terrestrial Access Network
FDMA Frequency Division Multiple Access
FFM Fast Fading Margin
GERAN GSM EDGE Radio Access Network
GGSN Gateway GPRS Support Node
GMSC Gateway Mobile Switching Center
GMSK Gaussian Minimum Shift Keying
viii
GP Guard Period
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile communications
HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest
HLR Home Location Register
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
HSPA High Speed Packet Access
HSPA+ High Speed Packet Access +
HSS Home Subscriber Service
HSUPA High Speed Uplink Packet Access
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform
IM Interference Margin
IMS IP Multimedia Sub-system
IP Internet Protocol
IS-95 Interim Standard 95
LOS Line Of Sight
LTE Long Term Evolution
MAC Medium Access Control
MAPL Maximum Allowable Path Loss
MCS Modulation and Codage Scheme
MIMO Multiple Input Multiple Output
MME Mobile Managment Entity
MSC Mobile Switching Center
MU-MIMO Multi User - Multiple Input Multiple Output
NF Noise Figure
NLOS Non Line Of Sight
NMT Nordic Mobile Telephone
N Noise
NSS Network and Switching Subsystem
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OMC Operation and Maintenance Center
ix
PBCH Physical Broadcast Channel
PCC Primary Component Carrier
PCCH Paging Control CHannel
PCEF Policy Control Enforcement Function
PCFICH Physical Control Format Indicator CHannel
PCH Paging CHannel
PCI Physicals Cells ID
PCRF Policy and Charging Rules Function
PCU Packet Control Unit
PDC Personal Digital Cellular
PDCCH Physical Downlink Control CHannel
PDCP Packet Data Compression Protocol
PDN Packet Data Network
PDSCH Physical Downlink Shared CHannel
PDU Protocol Data Unit
P-GW Packet Data Network GateWay
PHICH Physical Hybrid ARQ Indicator CHannel
PM Planning Margin
PRACH Physical Random Access CHannel
PRB Physical Ressource Block
PUCCH Physical Uplink Control CHanel
PUSCH Physical Uplink Shared CHannel
QoS Quality of Service
RACH Random Access CHannel
RAN Radio Access Network
RE Ressource Element
RF Radio Fréquence
RLC Radio Link Protocol
RN Relay Node
RNC Radio Network Controller
RRC Radio Ressource Control
S Signal
x
SCC Secondary Component Carrier
SC-FDMA Single Carrier - Orthogonal Frequency Division Multiple Access
SDU Service Data Unit
SGSN Serving GPRS Support Node
S-GW Serving GateWay
SIM Subscriber Identity Module
SINR Signal to Interference and Noise Ratio
SM Shadowing Margin
SOH System Overhead
SU-MIMO Single User - Multiple Input Multiple Output
TACS Total Access Communication System
FDD Frequency Division Duplex
TDD Time Division Duplex
TDMA Time Division Multiple Access
UE User Equipment
UL-SCH Uplink Shared CHannel
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
UpPTS Uplink Pilot Slot
UTRAN UMTS Terrestrial Access Network
VL Vehicle Loss
VLR Visitor Location Register
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
1
INTRODUCTION GENERALE
Au cours des dernières années, l'industrie de la communication a connu une révolution réussie dans
les services d'application de paquets de données. Fournir une qualité de service pour les applications
mobiles d'une manière rentable devient de plus en plus important pour les opérateurs pour répondre
aux besoins des consommateurs. En mobilité, offrir un confort d’usage dans l’accès au réseau à très
haut débit comparable au réseau offert par une connexion fixe est le but de l’opérateur en ce qui
concerne la qualité de leur service. Au début du déploiement de la technologie LTE, le débit
maximal des données pouvait atteindre jusqu’à 300Mb/s. Puis, l’amélioration de la technologie LTE
par la technologie LTE-Advanced a apporté une révolution dans le domaine de la technologie de
communication sans fil en fournissant des débits élevés allant jusqu'à 1Gbps.
Pour atteindre un très haut débit, la Carrier Aggregation (C.A) ou l’agrégation de porteuses a été
introduite comme étant l'une des principales caractéristiques du système LTE-Advanced. Ainsi, ce
projet de mémoire se porte sur l’utilisation de la technique de Carrier Aggregation sur le réseau LTE
pour avoir les performances de la technologie LTE-Advanced.
Mais, quels sont donc les impacts de la Carrier Aggregation sur le débit de la liaison descendante du
réseau LTE?
Ce mémoire est constitué d’un rapport de stage au sein d’un opérateur à Madagascar sous le thème
de l’optimisation et études de la performance du réseau LTE par l’utilisation de la technique Carrier
Aggregation.
Pour ce présent mémoire, nous allons prendre cinq chapitres. Le premier chapitre parlera de la
technologie LTE et LTE-Advanced. Nous aurons une vue d’ensemble sur la technologie LTE avec
son architecture. Puis, nous allons voir les nouvelles fonctionnalités introduites dans le LTE pour
avoir un réseau LTE-Advanced.
Dans le second chapitre, les aspects de la technologie LTE seront pris en compte. On parlera des
exigences techniques et l’interface radio qui est le centre d’intérêt de notre étude. On invoquera
aussi les services offerts ainsi que la possibilité de compatibilité avec les réseaux de générations
antérieures.
2
Pour le troisième chapitre, la gestion de la qualité de service du LTE aura une place importante pour
l’optimisation du réseau LTE. Nous devons connaître les notions sur les fonctionnalités de l’E-
UTRAN pour pouvoir ensuite comprendre l’utilisation des indicateurs de performances ou Key
Performance Indicators pour les tests et les drive-test du réseau LTE. Nous présenterons des
exemples de résultats obtenus lors des drive-tests effectués du réseau LTE.
Le quatrième chapitre parlera de la performance et l’optimisation du réseau LTE. Il est important
de tenir compte de la gestion de la performance et les différentes optimisations apportées à un réseau
LTE. Nous allons parler de l’optimisation du réseau LTE pour avoir un réseau LTE-Advanced.
Enfin, en dernier chapitre, on va simuler la performance de la Carrier Aggregation contiguë. Nous
expliquerons le concept pour la modélisation des spectres de signal en appliquant la Carrier
Aggregation contiguë. Nous aurons le rapport des débits en fonction des bandes passantes utilisées
après agrégation.
3
CHAPITRE 1
LA TECHNOLOGIE LTE ET LTE–ADVANCED
1.1 Introduction
La planification d’un réseau mobile consiste à déterminer l’ensemble des composantes matérielles
et logicielles de ces systèmes, les positionner, les interconnecter et les utiliser de façon optimale, en
respectant, entre autres, une série de contraintes de qualité de service. Ce processus qui peut être à
la fois long et coûteux a lieu avant la mise en opération du réseau pour les réseaux de première
génération (1G), de deuxième génération (2G) et de troisième génération (3G),
Les réseaux de prochaine génération orientent la planification des réseaux cellulaires vers de
nouvelles avenues de recherche. En effet, les tendances portent de plus en plus vers une intégration
transparente des technologies sans fil existantes, comme les systèmes Global System for Mobile
communications, Local Area Network, AdHoc en un environnement totalement hétérogène. Cette
nouvelle vague de pensée distingue la 4ème génération des générations précédentes, où seul primait
le besoin de développement de nouvelles normes et de nouveaux standards. Les systèmes 4G sont
complètement orientés vers l’abonné en fournissant des services variés à haut débit et sans coupure
à travers les réseaux. Toutefois, la migration des systèmes actuels vers la 4ème génération constitue
un énorme défi. Plusieurs travaux abordent ce problème en considérant plusieurs aspects.
1.2 La technologie LTE
1.2.1 Généralités sur la technologie LTE
La technologie LTE (Long Term Evolution) ou la 4G s’appuie sur un réseau de transport à
commutation de paquet IP. Elle n’a pas prévu de mode d’acheminement pour la voix, autre que la
VoIP, contrairement à la 3G qui transporte la voix en mode circuit.
Le LTE utilise des bandes de fréquences hertziennes d’une largeur pouvant varier de 1,4 MHz à 20
MHz, permettant ainsi d’obtenir (pour une bande 20 MHz) un débit binaire théorique pouvant
atteindre 300 Mbit/s en « liaison descendante ou downlink », alors que la "vraie 4G" offre un débit
descendant atteignant 1 Gbit/s.
La technologie LTE repose sur une combinaison de technologies sophistiquées à même d’élever
nettement le niveau de performances (très haut débit et latence) par rapport aux 3G existants. Le
multiplexage OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) apporte une optimisation
dans l’utilisation des fréquences en minimisant les interférences. Le recours à des techniques
4
d’antennes multiples (déjà utilisés pour le Wi-Fi ou le WiMax) permet de multiplier les canaux de
communication parallèles, ce qui augmente le débit total et la portée. [1]
Figure 1.01 : Présentation générale sur le système LTE [1].
1.2.2 Les buts de la 4G
La 4ème génération vise à améliorer l’efficacité spectrale et à augmenter la capacité de gestion du
nombre de mobiles dans une même cellule. Elle tente aussi d’offrir des débits élevés en situation de
mobilité et à offrir une mobilité totale à l’utilisateur en établissant l’interopérabilité entre différentes
technologies existantes. Elle vise à rendre le passage entre les réseaux transparent pour l’utilisateur,
à éviter l’interruption des services durant le transfert intercellulaire, et à basculer l’utilisation vers
le tout-IP. [1]
Les principaux objectifs visés par les réseaux de 4ème génération sont les suivants :
- Assurer la continuité de la session en cours.
- Réduire les délais et le trafic de signalisation.
- Fournir une meilleure qualité de service.
- Optimiser l’utilisation des ressources.
- Réduire le délai de relève, le délai de bout-en-bout, la gigue et la perte de paquets.
- Minimiser le coût de signalisation.
5
1.2.3 Architecture
Les réseaux LTE sont des réseaux cellulaires constitués de milliers de cellules radio qui utilisent les
mêmes fréquences hertziennes, y compris dans les cellules radio mitoyennes, grâce aux codages
radio OFDMA et SC-FDMA. La figure 1.02 présente l’architecture du réseau LTE. [2]
Figure 1.02 : Architecture générale du LTE.
Les nouveaux blocs spécifiés pour l’architecture, connus aussi sous le nom d’EPS (Evolved Packet
System), sont l’EPC (Evolved Packet Core) et l’E-UTRAN (Evolved UTRAN). La figure 1.03
présente une architecture simplifiée de la partie EPS du réseau LTE.
1.2.3.1 L’équipement usager : UE
Les équipements usagers compatible LTE sont des équipements travaillant sur le domaine IP. Ces
équipements sont reliés avec la station de base par l’intermédiaire de l’interface Uu sur le lien radio.
L’UE regroupe donc les éléments suivants :
- L’équipement mobile assurant la gestion de la connexion avec le réseau mobile et la continuité de
service en mobilité de façon transparente à l’utilisateur du réseau.
6
- Les autres équipements terminaux désignant l’élément physique sur lequel l’utilisateur accède aux
services du réseau mobile. Il peut s’agir d’un ordinateur, d’un équipement domestique ou toutes
autres.
En LTE, il existe 5 catégories d’UE qui se différencient par les modulations supportées, le nombre
de couche spatiale permise et les débits maximums que ces équipements peuvent atteindre. Le
tableau 1.01 résume la comparaison entre ces catégories d’équipements.
Tableau 1.01: Les catégories d’UE en LTE
1.2.3.2 La partie radio E-UTRAN
La partie radio du réseau, appelée « E-UTRAN » est simplifiée par rapport à celles des réseaux 2G
(BSS) et 3G (UTRAN) par l’intégration dans les stations de base « eNodeB » avec des liaisons en
fibres optiques et des liens IP reliant les eNodeB entre eux (liens X2).
Ainsi que des fonctions de contrôle qui étaient auparavant implémentées dans les RNC (Radio
Network Controller) des réseaux 3G UMTS. Cette partie est responsable sur le management des
ressources radio, la porteuse, la compression, la sécurité, et la connectivité vers le réseau cœur
évolué.
eNodeB
L’eNodeB est l’équivalent de la BTS dans le réseau GSM et NodeB dans l’UMTS, la fonctionnalité
de handover est plus robuste dans LTE. Ce sont des antennes qui relient les UE avec le réseau cœur
7
du LTE via les RF air interface. Ainsi qu’ils fournies la fonctionnalité du contrôleur radio réside
dans eNodeB, le résultat est plus efficace, et le réseau est moins latent, par exemple la mobilité est
déterminée par eNodeB a la place de BSC ou RNC.
.
Figure 1.03 : Architecture d’EPS (Evolved Packet System) [2].
1.2.3.3 Le réseau cœur : EPC
L’architecture d’un réseau cœur LTE est une architecture simplifiée. Ce réseau cœur assure
l’enregistrement, l’authentification et la mise à jour de localisation de l’UE ; la gestion des appels
et toutes autres que nous allons décrire prochainement.
Figure 1.04 : Architecture du réseau cœur EPC
8
Le cœur de réseau appelé « EPC » (Evolved Packet Core) utilise des technologies « full IP », c’est-
à-dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation qui permet des temps de latence réduits,
le transport de la voix et des données. Ce cœur de réseau permet l’interconnexion via des routeurs
avec les autres eNodeBs distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de
téléphonie fixe et le réseau Internet. EPC simplifie le réseau d’architecture à tout IP, comme il assure
la mobilité entre système basé sur 3GPP système, et aussi système non-basé sur 3GPP par exemple
WIMAX et CDMA2000. [3]
Le réseau cœur EPC est constitué de plusieurs éléments comme la montre la figure 1.04.
EPC est l’élément principal de l’architecture SAE. Il a un rôle équivalent du NSS dans le réseau
GPRS. Le cœur réseau est composé de deux parties séparées :
a. La partie signalisation
Elle gère la mobilité et le rattachement des abonnés sur le réseau, il s’agit du MME. Une base de
données permettant entre autre d’authentifier l’abonné, de consulter leurs abonnements et de chiffrer
les communications, il s’agit du HSS.
Une politique de tarification, qui permet de gérer l’accès au réseau de données (PDN) en fonction
du forfait de l’abonnée, il s’agit du PCRF
- Le Serving-GateWay: S-GW
Tous les paquets IP à destination d’un utilisateur sont transférés à travers le S-GW. S’il reçoit des
données destinées à un UE en veille, la S-GW contacte le MME pour notifier l’UE et rétablir ainsi
les liaisons associées aux contextes. Elle joue aussi quelques fonctions annexes au sein du réseau
visité dans le contexte de roaming telles que l’envoi d’informations pour la facturation (par exemple,
le volume de données envoyées et reçues par l’utilisateur) [3] [4] [5].
- Le Mobile Managment Entity : MME
Le MME est le nœud de contrôle qui gère la signalisation entre l’UE et le réseau cœur. Il est le
responsable de la gestion des liaisons entre un UE et un nœud logique du réseau cœur, notamment
les phases d’établissement, de reconfiguration et de relâche de ces liaisons. Un de ses rôles majeurs
est aussi de gérer la connexion de signalisation et de la sécurité entre le réseau et l’UE [3] [4] [5].
9
- Le PDN-GateWay : P-GW
La P-GW a pour rôle principale d’allouer une adresse IP à l’UE. Elle supporte la fonction appelée
Deep Packet Inspection qui analyse les paquets du plan usager, identifie la nature des flux, applique
les règles prédéfinies pour tous les clients en fonction de l’offre de service souscrite. Par ailleurs,
elle permet la facturation par flux de données, conformément aux règles définies par le PCRF
(Policy and Charging Rules Function). Enfin, le P-GW sert de point d’ancrage pour
l’interfonctionnement avec d’autres technologies d’accès non 3GPP telles que CDMA2000 et
Wimax [3] [4] [5].
- Le Home Subscriber Service : HSS
Le HSS contient les informations de souscription de l’utilisateur telles que le profil de QoS (Quality
of Service) de l’abonné ou de restriction d’accès en itinérance. Il contient également les informations
concernant les réseaux de données ou PDN (Packet Data Network) auxquels l’utilisateur peut se
connecter. Par ailleurs, le HSS supporte des informations dynamiques telles que l’identité du MME
auquel l’utilisateur est actuellement attaché. Il peut aussi intégrer le centre d’authentification AuC
qui permet l’authentification des abonnés et fourni les clés de chiffrement nécessaires [3] [4] [5].
- Le Policy and Charging Rules Function: PCRF
Le PCRF est un nœud optionnel au sein de l’architecture EPC. Toutefois, il permet d’appliquer des
règles de gestions évoluées sur le trafic et la facturation de l’utilisateur en fonction de son offre.
Pour mettre en œuvre ces règles, il communique avec le PCEF (Policy Control Enforcement
Function), fonction intégrée à la P-GW. Le PCRF peut également indiquer lors de l’établissement
d’une session ou en cours d’une session les caractéristiques de la qualité de service à appliquer par
le PCEF [3] [4] [5].
L’architecture EPC diffère de l’architecture GPRS par les points suivants :
- La séparation du flux usager et du flux contrôle pour faciliter le dimensionnement des interfaces
et de réduire les investissements capacitaires à réaliser par les opérateurs.
- L’absence du domaine circuit comme nous l’avons déjà défini plus loin, LTE étant un réseau tout
IP. L’intérêt majeur de ce choix est de n’avoir à déployer et exploiter qu’un seul domaine au sein
du réseau cœur. Le défi qui reste pour les opérateurs est de fournir la même qualité de service voix
que celle offerte par le domaine circuit des réseaux 2G et 3G.
10
b. La partie IP Multimedia Sub-system
- Définition
L’IP Multimedia Sub-system (IMS) est une architecture standardisée NGN (Next Generation
Network) pour les opérateurs de téléphonie qui permet de fournir des services multimédias fixes et
mobiles. Cette architecture utilise la technologie VoIP ainsi qu’une implémentation 3GPP
standardisée.
Les systèmes téléphoniques existants (commutation de paquets et commutation de circuits) sont pris
en charge. L’objectif d’IMS n’est pas seulement de permettre de nouveaux services, existants ou
futurs, proposés sur Internet, les utilisateurs doivent aussi être capables d’utiliser ces services aussi
bien en déplacement (situation de roaming) que depuis chez eux.
Pour cela, l’IMS utilise les protocoles standards IP. Ainsi, une session multimédia, qu’elle s’effectue
entre deux utilisateurs IMS, entre un utilisateur IMS et un internaute, ou bien encore entre deux
internautes, est établie en utilisant exactement le même protocole. De plus, les interfaces de
développement de services sont également basées sur les protocoles IP. C’est pour cela qu’IMS fait
véritablement converger l’Internet et le monde de la téléphonie cellulaire ; Il utilise les technologies
cellulaires pour fournir un accès en tout lieu, et les technologies Internet pour fournir les services.
- Exemples de services de l’IMS
. Echange de fichiers pendant un appel.
. Un usager peut créer une règle qui le montre connecté après une certaine heure et rejette tous les
appels en provenance d’un appelant de son groupe professionnel.
. Un usager peut couper lorsque ses collègues professionnels appellent et les rediriger vers une page
Web spécifique présentant l’hôtel où il passe ses vacances.
. Un usager peut activer la sonnerie au niveau de tous ses appareils en fonction de l’appelant.
. Messagerie instantanée et vidéo conférence.
1.3 La technologie LTE-ADVANCED
1.3.1 Introduction
Dans la LTE-Advanced, une plus grande capacité est la plus importante puisque c’est la force
motrice pour développer davantage la LTE vers la LTE-ADVANCED. Le but de la LTE Release10
était de fournir des débits plus élevés d'une manière rentable et, en même temps, satisfaire
complètement les exigences établies par l’UIT pour les IMT-Advanced, aussi appelé 4G : un débit
11
de données de pointe accrue c’est-à-dire soit pour le sens descendant 3 Gbps et soit pour le sens
montant 1,5 Gbps, une plus grande efficacité spectrale à partir d'un maximum de 16bps / Hz dans
Release 8 à 30 bps / Hz en Release 10.
1.3.2 L’augmentation du nombre d’abonnés actifs simultanément
L’amélioration de la performance au niveau des bords des cellules, par exemple pour le sens
descendant DL 2x2 MIMO au moins 2,40 bps / Hz / cellule.
Les principales nouvelles fonctionnalités introduites dans la LTE-Advanced sont la Carrier
Aggregation (C.A), une meilleure utilisation des techniques multi-antennes et le soutien pour les
nœuds relais (RN). [7]
1.3.3 La Carrier Aggregation
Comme de nombreux opérateurs n'ont pas de spectre contigu suffisant pour fournir les largeurs de
bande nécessaires pour les débits de données très élevés, un système connu sous le nom d' agrégation
de porteuses a été développé. Grâce à cette technologie, les opérateurs sont en mesure d'utiliser des
canaux multiples, soit dans les mêmes bandes ou les différentes zones du spectre pour fournir la
bande passante nécessaire. [8]
1.3.4 Le Multiple Input Multiple Output ou multiplexage spatial
Le MIMO ou Multiple Input Multiple Output est utilisé pour augmenter le débit global
par la transmission de deux (ou plus) des flux de données différentes sur deux (ou plus) antennes
différentes en utilisant les mêmes ressources, la fréquence et le temps à la fois et séparées seulement
par l’utilisation de signaux de références différentes et à recevoir par deux ou plusieurs antennes,
voir la figure 1.05. [7]
Figure 1.05 : Illustration de 2x2 MIMO (Spatial Multiplexing) simplifié.
12
Deux flux de données différents sont transmis sur les deux antennes TX et reçus par les deux
antennes RX, en utilisant la même fréquence et le temps, séparés uniquement par l'utilisation des
signaux de référence différents.
Un ou deux blocs de transport sont transmis par TTI. Un changement majeur dans la LTE-Advanced
est à retenir : l'introduction de 8x8 MIMO en DownLink et 4x4 en UpLink. Le MIMO peut être
utilisé lorsque le S / N (rapport signal - bruit) et le canal radio haute soient de haute
qualité. Pour les situations à faible S / N, il est préférable d'utiliser d’autres types de techniques
multi-antennes pour améliorer la place du S / N, par exemple au moyen de TX-diversité. [7]
Figure 1.06 : La technique de multi-antennes pour le rapport S/N
MIMO est recommandée pour la haute S / N et la diversité TX est utilisée de préférence pour une
faible S / N.
Pour être en mesure de régler le type de système de transmission multi-antenne, selon par
exemple l’environnement radio, un certain nombre de modes de transmission différentes (TM) a été
défini. Par la signalisation RRC, l'UE sera informé sur le mode de transmission à utiliser. Dans la
liste de distribution, il existe neuf différents modes de transmission, où TM1-7 ont été introduits
dans le LTE Release 8. Le TM8 a été introduit dans Release 9 et le TM9 a été introduit dans LTE
Release 10. Dans le sens montant, il y a TM1 et TM2 où TM1, la valeur par défaut, a été introduite
en LTE Release 8 et la TM2 a été introduite en LTE Release 10. Les différents modes de
transmission sont :
Nombre de couches (cours d'eau, ou rang)
Ports d'antenne utilisés
13
Type de signal de référence, Cell Reference Signal (CRS) ou démodulation de signal de référence
(DM-RS), introduit en Release 10.
Type de précodage [7]
1.3.5 Les nœuds relais
Un relais est utilisé effectivement pour faire la réception, la démodulation, le décodage des données,
et la correction d'erreur, etc, pour ensuite retransmettre de nouveau le signal. De cette façon, la
qualité du signal est améliorée grâce à un relais LTE, plutôt que de subir la dégradation d'un signal
réduit par rapport au bruit lors de l'utilisation d'un répéteur.
Pour un relais LTE, les équipements utilisateurs communiquent avec le nœud de relais, qui à son
tour communique avec une eNB donneur.
Le relais LTE est un relais fixe d’infrastructure sans connexion filaire backhaul, qui relie les
messages entre la station de base (BS) et des stations mobiles (MS) par la communication multi-
sauts.
Il y a un certain nombre de scénarios où les relais LTE seront avantageux.
Augmenter la densité du réseau: les nœuds du relais LTE peuvent être déployés très facilement
dans des situations où l'objectif est d'accroître la capacité du réseau en augmentant le nombre
d’eNBs pour assurer de bons niveaux de signal qui sont reçus par tous les utilisateurs.
Les Relais LTE sont faciles à installer car ils ne nécessitent pas de backhaul séparé et ils sont de
petite taille leur permettant d'être installés dans de nombreux domaines pratiques, par exemple sur
les réverbères, sur les murs, etc.
Figure 1.07 : Relais LTE utilisé pour augmenter la densité du réseau
14
Extension de la couverture du réseau: les relais LTE peuvent être utilisés comme une méthode
pratique de remplissage de petits trous dans la couverture. Sans avoir besoin d'installer une station
de base terminée, le relais peut être installé rapidement afin qu'il remplisse la tache noire de
couverture.
Figure 1.08 : LTE extension de la couverture
Déploiement rapide du réseau: Sans avoir installé de backhaul, on peut installer de grandes
antennes et des relais LTE peuvent fournir une méthode très facile d'extension de la couverture au
cours de la mise en place rapide d'un réseau. Il y a aussi la possibilité d’installer d’autres eNBs dans
le cas de l’augmentation du volume de trafic.
1.3.6 Coordinated Multipoint Transmission ou Opération Multi Point coordonnée
Le LTE CoMP ou Coordinated Multipoint est une installation qui est développée pour la LTE
Advanced, la plupart des installations sont encore en développement et peut changer à mesure que
les normes définissent les différents éléments du CoMP plus précisément. Le LTE CoMP est
essentiellement une gamme de différentes techniques qui permettent la coordination dynamique de
transmission et de réception sur une variété de différentes stations de base. L'objectif est d'améliorer
la qualité globale de l'utilisateur ainsi que l'amélioration de l'utilisation du réseau.
Essentiellement, le LTE Advanced CoMP transforme l'interférence inter-cellules (ICI) en signal
utile, en particulier aux frontières de la cellule où les performances peuvent être dégradées. Au fil
des années, l'importance de l'interférence inter-cellules, ICI a été reconnue, et diverses techniques
utilisées depuis les jours de GSM pour en atténuer les effets. On a des techniques utilisées pour les
15
interférences telles que les sauts de fréquence. Alors la technologie a des méthodes avancées,
beaucoup plus efficaces qui luttent contre l'utilisation de l'interférence.
1.3.6.1 Les avantages du LTE CoMP
Le LTE Advanced CoMP, coordonné multipoint est un ensemble complexe de techniques, il apporte
de nombreux avantages à l'utilisateur ainsi que l'opérateur de réseau.
permet une meilleure utilisation du réseau: En offrant des connexions vers plusieurs stations
de base à la fois, les données peuvent être transmises par les stations de base moins chargées
pour une meilleure utilisation des ressources.
Offre des performances améliorées de réception: Utilisation de plusieurs sites cellulaires
pour chaque connexion signifie que la réception globale sera améliorée et le nombre d'appels
interrompus devrait être réduit.
l'accueil du site multiple augmente la puissance reçue: La réception conjointe de plusieurs
stations de base ou d'autres sites utilisant des techniques multipoint coordonnées LTE permet
à la puissance totale reçue au combiné d'être augmenté.
La réduction des interférences: en utilisant des techniques combinées spécialisés, il est
possible d'utiliser l'interférence constructive plutôt que destructrice, réduisant ainsi les
niveaux d'interférence.
1.3.6.2 Principe du LTE CoMP
Les bases CoMP de transmission et réception désignent en fait un large éventail de techniques qui
permettent la coordination de la transmission et la réception avec plusieurs eNBs géographiquement
et dynamiquement séparées. Son objectif est d'améliorer la performance globale du système, et
l’utilisation des ressources de manière plus efficace et d'améliorer la qualité de service de l'abonné.
Un des paramètres clés pour LTE dans son ensemble, et en particulier 4G LTE-Advanced est le taux
de données élevés qui sont réalisables. Ces débits sont relativement faciles à maintenir à proximité
de la station de base. Mais si la distance augmente, les débits deviennent plus difficiles à maintenir.
Évidemment, les bords de la cellule sont les plus difficiles. Non seulement le signal inférieur en
force à cause de la distance entre la station de base (eNB), mais aussi des niveaux d'interférence
d’eNB voisins sont susceptibles d'être plus élevés que l'UE sera plus proche d'eux. Le 4G LTE
CoMP nécessite une coordination étroite entre un certain nombre d’eNBs géographiquement
16
séparés. Ils coordonnent de façon dynamique pour fournir la planification et la transmission des
articulations ainsi que la preuve de traitement commun des signaux reçus.
Figure 1.09 : Concept de LTE Advanced CoMP « Coordinated Multipoint »
De cette manière, un UE au niveau du bord d'une cellule est capable d'être desservie par deux ou
plusieurs eNBs pour améliorer les signaux de réception et transmission et augmenter le débit en
particulier dans des conditions de bord de la cellule.
Le 4G LTE CoMP, se divise en deux grandes catégories:
Le traitement mixte: le traitement survient lorsqu'il y a coordination entre plusieurs entités -
stations de base – qui joue le rôle d’émetteur ou récepteur à partir des UEs.
Planification de coordonnée ou Beamforming: Cette technique souvent désignée comme CS
/ CB (coordinated scheduling / coordinated beamforming) est une forme de coordination où
un UE émet avec une seule transmission ou un point de réception « station de base ».
Toutefois, la communication est faite par un échange de contrôle entre plusieurs entités
combinées.
Pour obtenir l'un de ces modes, le feedback est requise sur les propriétés du canal d'une manière
rapide, par conséquence les changements peuvent être apportés. L'autre exigence est la coordination
très étroite entre les eNBs pour faciliter la combinaison de données ou la commutation rapide des
cellules.
17
Les techniques utilisées pour les coordonnées multipoints, les CoMP sont très différentes pour la
liaison montante et descendante. Cela résulte du fait que les eNBs sont dans un réseau, reliées à
d'autres eNBs, alors que les combinées ou UEs sont des éléments individuels.
1.3.6.3 Downlink LTE CoMP
La liaison descendante LTE CoMP nécessite une coordination dynamique entre plusieurs eNBs
géographiquement séparées pour faire la transmission à l'UE. Les deux formats CoMP a eu la liaison
descendante:
Les systèmes de traitement sont communs pour la transmission en liaison descendante. Dans ce cas,
les données sont transmises à l'UE en même temps à partir d'un nombre d’eNBs différentes.
L'objectif est d'améliorer la qualité du signal reçu et la force. Elle peut aussi avoir pour but d'annuler
activement l’interférence de transmissions qui sont destinés aux autres UEs.
Cette forme de coordonnée multipoint accorde une grande demande sur le réseau, car les données à
transmettre à l'UE a besoin d'être envoyé à chaque eNB qui va lui aussi la transmettre à l'UE. Cela
peut facilement doubler ou tripler la quantité de données dans le réseau qui dépend du nombre
d’eNBs responsables de l'envoi des données. En plus, le traitement de données conjointes doivent
être envoyé entre toutes les eNBs actives dans le domaine CoMP.
Planification de coordonnée et la formation de faisceau beamforming: ce concept est décrit comme
suit, les données d’un seul UE sont transmises d'un eNB et les décisions de planification ainsi que
les faisceaux sont coordonnés pour contrôler l'interférence qui peut être générée.
L'avantage de cette approche est que les exigences de coordination au sein du réseau backhaul sont
considérablement réduites pour deux raisons:
UE n'a pas besoin d’avoir la liaison de plusieurs eNBs, et en plus doit être dirigé vers une eNB
Seules les décisions de planification et les détails des faisceaux qui doivent être coordonnés entre
plusieurs eNBs.
1.3.6.4 Uplink LTE CoMP
La réception et le traitement conjoint: Le concept de base derrière ce format est d'utiliser des
antennes sur différents sites. En coordonnant entre les différents eNBs il est possible de former un
réseau d'antenne virtuelle. Les signaux reçus par les eNBs sont ensuite combinés et traités pour
produire le signal de sortie final. Cette technique permet aux signaux qui sont très faibles d’avoir la
18
force, ou ceux qui sont masqués par des interférences dans certaines régions ont eu qu’un peu
d'erreur.
Le principal inconvénient de cette technique est que de grandes quantités de données doivent être
transférées entre les eNBs pour qu'il puisse fonctionner.
Planification de coordonnée: Ce système fonctionne en coordonnant les décisions
d'ordonnancement parmi les eNBs pour minimiser les interférences. Comme dans le cas de la liaison
descendante, ce format offre une charge très réduite dans le réseau de backhaul car seules les
données d'ordonnancement doit être transféré entre les différents eNBs qui coordonnent les uns avec
les autres.
1.4 Comparaison entre les réseaux 3G et 4G
Appréhender les évolutions et le fonctionnement des réseaux mobiles en évolution vers des
technologies LTE (Long Term Evolution). La figure 1.10 montre une simple comparaison entre
l’architecture du réseau de troisième génération et celui de la quatrième génération.
+
:
Figure 1.10 : Comparaison 3G/4G
Les MME (Mobility Management Entity) remplacent les dispositifs PDSN / SGSN et BCS/RNC.
Les eNodeBs remplacent les BTS / NodeB Seving.
Les PDN (Packet Data Network) remplacent les GGSN.
19
1.5 Conclusion
Ainsi, on a pu voir les généralités sur la technologie LTE. Mais ainsi, l’architecture du LTE est
basée sur l’interconnexion de différents équipements ayant chacun un rôle important dans le réseau.
Les nouvelles fonctionnalités introduites dans le LTE ont pu définir les aspects du réseau LTE-
Advanced.
20
CHAPITRE 2
LES ASPECTS DE LA TECHNOLOGIE LTE
2.1 Introduction
L’utilisation de la téléphonie mobile devient primordiale pour l’être humaine. Les besoins ont
évolués au fur du temps mais dépendent des apports de chaque opérateur. Des fonctionnalités ont
été développées pour permettre un plus grand pouvoir de communication.
Face à l’évolution des nouvelles fonctionnalités de la technologie LTE, il est important de prendre
en compte les exigences de la technologie LTE. Par la suite, il faut comprendre l’interface radio, les
services offerts et la qualité de service du réseau LTE.
2.2 Les exigences pour le LTE
La première étape des travaux de normalisation du LTE consiste à définir les exigences que ce
dernier devait satisfaire. En synthèse, l’objectif majeur du LTE est d’améliorer le support des
services de données via une capacité accrue, une augmentation des débits et une réduction de la
latence. En complément de ces exigences de performance, le 3GPP a aussi défini des prérequis
fonctionnels tels que la flexibilité spectrale et la mobilité avec les autres technologies 3GPP. Nous
allons voir les différentes exigences pour le LTE. [4] [29]
2.2.1 La capacité en nombre d’utilisateurs simultanés
Avec l’explosion des services nécessitant une connexion always-on, la contrainte appliquée sur la
capacité en nombre d’utilisateurs simultanés devient forte. Le système doit supporter simultanément
un large nombre d’utilisateurs par cellule. Il est attendu qu’au moins 200 utilisateurs simultanés par
cellule soient acceptés à l’état actif pour une largeur de bande de 5 MHz, et au moins 400 utilisateurs
pour des largeurs de bande supérieures. Un nombre largement supérieur d’utilisateurs devra être
possible à l’état de veille. [4] [29]
2.2.2 L’efficacité spectrale cellulaire
Le système compte parmi ses objectifs l’accroissement de l’efficacité spectrale cellulaire (en
bit/s/Hz/cellule) et, en corollaire, l’augmentation de la capacité du système (en termes de débit total).
21
En sens descendant, l’efficacité spectrale doit être trois à quatre fois supérieure à celle offerte par le
HSPA Release 6 au sein d’un réseau chargé, et deux à trois fois supérieure en sens montant. [4] [29]
2.2.3 Les débits
Les exigences pour la technologie LTE ont porté également sur des gains de débit en comparaison
avec le HSPA. Les objectifs de débit maximal définis pour le LTE sont les suivants:
• 100 Mbit/s en voie descendante pour une largeur de bande allouée de 20 MHz, soit une efficacité
spectrale crête de 5 bit/s/Hz ;
• 50 Mbit/s en voie montante pour une largeur de bande allouée de 20 MHz, soit une efficacité
spectrale crête de 2,5 bit/s/Hz.
Ces chiffres supposent un UE de référence comprenant :
• deux antennes en réception ;
• une antenne en émission.
Nous verrons plus tard que ces exigences ont été largement dépassées. Une autre exigence a trait au
débit moyen par utilisateur par MHz. Celui-ci doit être en voie descendante trois à quatre fois
supérieur à celui disponible avec un UE UMTS Release 6 dans les conditions suivantes :
• pour l’UMTS : une antenne d’émission à la station de base avec un récepteur avancé au sein de
l’UE ;
• pour le LTE : deux antennes d’émission à la station de base et deux antennes en réception au
niveau de l’UE.
Par ailleurs, le débit moyen par utilisateur par MHz en voie montante doit être deux à trois fois
supérieur à celui disponible avec un UE UMTS Release 6 dans les conditions suivantes :
• pour l’UMTS et le LTE : une antenne d’émission au niveau de l’UE et deux antennes de réception
à la station de base.
Le débit en bordure de cellule, défini comme le débit atteignable par au moins 95 % des utilisateurs
de la cellule, a aussi fait l’objet d’exigences. Il doit être deux à trois fois supérieur à celui offert par
le HSPA Release 6 dans les conditions précédentes, en sens descendant comme en sens montant.[4]
2.2.4 La latence
La latence du système se traduit concrètement par sa capacité à réagir rapidement à des demandes
d’utilisateurs ou de services. Elle se décline en latence du plan de contrôle et latence du plan usager.
22
2.2.4.1 Latence du plan de contrôle
L’objectif fixé pour le LTE est d’améliorer la latence du plan de contrôle par rapport à l’UMTS, via
un temps de transition inférieur à 100 ms entre un état de veille de l’UE et un état actif autorisant
l’établissement du plan usager. [4] [29]
2.2.4.2 Latence du plan usager
La latence du plan usager est définie par le temps de transmission d’un paquet entre la couche IP de
l’UE et la couche IP d’un nœud du réseau d’accès ou inversement. En d’autres termes, la latence du
plan usager correspond au délai de transmission d’un paquet IP au sein du réseau d’accès. Le LTE
vise une latence du plan usager inférieure à 5 ms dans des conditions de faible charge du réseau et
pour des paquets IP de petite taille. [4] [29]
2.2.5 L’agilité en fréquence
Le LTE doit pouvoir opérer sur des porteuses de différentes largeurs afin de s’adapter à des
allocations spectrales variées. Les largeurs de bande initialement requises ont par la suite été
modifiées pour devenir les suivantes : 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz et 20 MHz dans
les sens montant et descendant. Notons que le débit crête est proportionnel à la largeur de bande.
Les modes de duplexage FDD et TDD doivent être pris en charge pour toutes ces largeurs de bande.
[4] [29]
2.2.6 La mobilité
La mobilité est une fonction clé pour un réseau mobile. Le LTE vise à rester fonctionnel pour des
UE se déplaçant à des vitesses élevées (jusqu’à 350 km/h, et même 500 km/h en fonction de la bande
de fréquences), tout en étant optimisé pour des vitesses de l’UE faibles (entre 0 et 15 km/h). Les
services temps-réel comme le service voix doivent être proposés avec le même niveau de qualité
qu’en UMTS Release 6. L’effet des handovers intra-systèmes (procédure de mobilité entre deux
cellules LTE) sur la qualité vocale doit être moindre qu’en GSM, ou équivalent. Le système doit
également intégrer des mécanismes optimisant les délais et la perte de paquets lors d’un handover
intra-système. [4] [29]
Le LTE doit aussi coexister avec les autres technologies 3GPP. Pour ce faire, les exigences suivantes
ont été définies.
23
• L’UE qui met en œuvre les technologies GSM et UMTS en complément du LTE doit être capable
d’effectuer les handovers en provenance et à destination des systèmes GSM et UMTS, ainsi que les
mesures associées. Les conséquences de ces mécanismes sur la complexité de l’UE et du système
doivent rester limitées.
• Le temps d’interruption de service lors d’une procédure de handover entre le système LTE et les
systèmes GSM ou UMTS doit rester inférieur à 300 ms pour les services temps-réel et inférieur à
500 ms pour les autres services.
Une fois l’étude de faisabilité du LTE effectuée et les grands principes du système définis, le 3GPP
a procédé à l’évaluation de la technologie au regard des exigences. [4] [29]
2.3 L’interface radio du LTE
L’interface radio assure le rôle de transfert, par la voie des airs les données issues de la couche IP
associées au service demandé par l’utilisateur. Ce transfert doit respecter des exigences de qualité
de service (latence) tout en optimisant l’accès à une ressource spectrale limitée.
2.3.4 Le mode de duplexage
Le duplexage définit la manière dont sont séparées les transmissions sur la voie descendante et sur
la voie montante. La technologie LTE supporte les deux duplexages tels que le duplexage en
fréquence ou FDD et le duplexage en temps ou TDD.
En mode FDD, les voies montantes et descendantes se placent sur deux fréquences différentes et
sont séparées par une bande de garde. En général, la bande dédiée à la voie montante est la bande
basse, à cause de l’effet d’atténuation des ondes électromagnétiques qui croit avec la fréquence. En
effet, un UE qui transmet sur une fréquence basse requiert moins de puissance d’émission pour être
reçu à la station de base qu’un UE qui transmet sur la fréquence haute.
24
En mode TDD, les voies montantes et descendantes utilisent la même fréquence porteuse mais se
distinguent dans le domaine temporel. La Figure 2.02 illustre ces deux modes de duplexages. [29]
2.3.5 La méthode d’accès
L’interface du réseau LTE constitue une rupture avec l’UMTS, qui était basé sur une modulation
mono porteuse avec étalement de spectre et accès multiple à répartition de codes. Le LTE utilise
l’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) dans le sens descendant et le SC-
FDMA (Single Carrier - Orthogonal Frequency Division Multiple Access) dans le sens montant.
Ces deux types d’accès sont tous basés sur l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
[29]
2.3.5.1 Principe de la modulation OFDM
L’OFDM découpe la bande du système en un grand nombre de porteuses individuelles appelées
sous-porteuses. Ces sous porteuses sont dites orthogonales car, pour une transmission idéale, un
25
symbole transmis sur une sous-porteuse peut être démodulé sans interférence de la part des sous-
porteuses adjacentes [10].
La modulation OFDM est réalisée en bande de base par une transformée de Fourier discrète inverse
ou IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) des symboles de modulation, afin de passer du
domaine fréquentiel au domaine temporel. La Figure 2.03 illustre un modulateur OFDM, où S/P et
P/S désignent respectivement des convertisseurs série/parallèle et parallèle/série. Le bloc
d’échantillons complexes {dn} en sortie de l’IDFT, qui représente le signal dans le domaine
temporel correspondant au bloc de modulations {an} émis sur les différentes sous porteuses, est
appelé un symbole OFDM [16]. A ce bloc, on ajoute un préfixe cyclique CP (Cyclic Prefix) qui
consiste à insérer une copie d’un bloc d’information à transmettre en amont de la trame. Le CP joue
un rôle important dans une transmission multi-trajet car il permet d’éviter les interférences inter-
symboles. Au lieu d’insérer un intervalle de garde vide, on recopie une partie du symbole émis afin
de faciliter la reconstitution de ce symbole à la réception.
26
En réception, le démodulateur effectue les opérations inverses à ceux de la modulation, comme
décrit à la Figure 2.04. Le signal reçu sur une sous porteuse entre une antenne d’émission et une
antenne de réception s’exprime comme la somme du symbole émis multiplié par un coefficient de
canal complexe hi et d’un terme d’interférence et de bruit zi [10].
2.3.5.2 Orthogonal Frequency Division Multiple Access: OFDMA
En OFDM, la granularité fréquentielle fournie par le découpage de la bande du système en sous-
porteuse permet de multiplexer aisément différents utilisateurs, ou différents canaux, en leur
allouant des sous-porteuses différents. L’accès multiple selon ce principe est ce qu’on appelle
OFDMA. La Figure 2.05 illustre le principe de l’OFDMA.
L’OFDMA permet de dimensionner le nombre de sous-porteuses allouées à un UE en fonction de
ses besoins en débit. La Figure 2.05 représente des allocations dites localisées, où les sous-porteuses
allouées à un UE sont contiguës [10]. Ce type d’allocation est utilisé lorsque l’on souhaite viser une
sous-bande particulière car l’UE connait les conditions du canal.
27
Alternativement, lorsque l’émetteur ne dispose pas d’une connaissance suffisamment précise des
conditions de canal d’un UE, on a généralement recours à une allocation distribuée comme nous
pouvons voir sur la Figure 2.05. Ce type d’allocation repartit des groupes de sous porteuses allouées
à un UE sur la bande du système afin de bénéficier la diversité en fréquence.
2.3.5.3 Single Carrier-Frequency Division Multiple Access: SC-FDMA
Le SC-FDMA est une variante de l’OFDM utilisée dans la voie montante du LTE. Il peut être mis
en œuvre à l’aide d’un modulateur OFDM auquel on ajoute un précodage des symboles à transmettre
par une DFT (Discrete Fourier Transform), entre la conversion série-parallèle et l’opération d’IDFT
[1] [7] [8]. Le principe d’un tel modulateur est décrit à la Figure 2.06. De la manière similaire à
l’OFDM, le signal dans le domaine temporel {dn} correspondant au bloc de symboles de
modulations d’entrée {an} est appelé un symbole SC-FDMA [10].
Les sous-porteuses allouées à un UE donné ont la contrainte d’être toutes contiguës. Le précodage
DFT et la contrainte de contiguïté ont pour effet de restaurer la propriété de transmission mono-
porteuse.
28
Dans le cas d’une largeur de bande de DFT plus petite que celle du système, le SC-FDMA crée une
transmission mono-porteuse occupant le bloc de ressources alloué [10], comme illustré à la Figure
2.06. C’est de ce cas qu’on l’appelle SC-FDMA.
2.3.6 La technologie Multiple Input Multiple Output en LTE
Le MIMO (Multiple Input Multiple Output) est l’une des ruptures technologiques majeures des
années 90 dans le domaine du traitement du signal. Il s’appuie sur la présence de plusieurs antennes
à l’émetteur et au récepteur pour permettre la transmission de plusieurs flux de données
indépendants sur les mêmes ressources temps-fréquence. Entre chaque antenne d’émission et
réception existe un canal de propagation caractérisé par le coefficient complexe hij, comme le
montre la Figure 2.07. En réception, les signaux issus des nT antennes d’émissions se recombinent
sur chacune des nR antennes de réceptions pondérés par le coefficient du canal [9].
29
On obtient alors l’expression du signal reçu yi pour l’antenne de réception i :
La technologie LTE met en œuvre le système MIMO pour la transmission dans les ondes radio. On
distingue quatre grandes techniques permise par la présence d’antennes multiples à l’émetteur : la
diversité de transmission, le beamforming ou formation de faisceau, le multiplexage spatial mono-
utilisateur et le multiplexage spatial multi-utilisateur.
2.3.6.1 La diversité de transmission:
Elle consiste à émettre la même information depuis plusieurs antennes. Les évanouissements rapides
du canal étant indépendants entre les antennes d’émission, la diversité augmente la robustesse de la
30
transmission. Cette technique est illustrée par la Figure 2.08.a. L’ordre de diversité est donné par le
produit du nombre d’antennes d’émission par le nombre d’antennes de réception [9].
2.3.6.2 Le beamforming
La formation de faisceau consiste à concentrer l’énergie du signal dans la direction du récepteur que
l’émetteur souhaite servir, comme le montre la Figure 2.08.b. Cette concentration s’obtient de
manière électronique en appliquant des déphasages au signal émis sur chacune des antennes, de
sorte que les signaux se recombinent de manière cohérente au niveau des antennes de réception [9].
2.3.6.3 Le multiplexage spatial mono-utilisateur SU-MIMO
Le SU-MIMO (Single User-MIMO) consiste à transmettre plusieurs flux indépendants
d’information sur les mêmes ressources temps-fréquence, en les séparant dans l’espace. Ces flux
indépendants, qu’on appelle aussi couche spatiale, sont destinés au même récepteur comme le
montre la Figure 2.08.c. Pour le SU-MIMO, le nombre maximal de couche spatiale par un mode
MIMO M x N est donné par le minimum entre M et N [9].
2.4.3.4 Le multiplexage spatial multi-utilisateurs MU-MIMO
Le MU-MIMO (Multi User-MIMO) transmet les flux multiplexés spatialement à destination de
récepteur différents comme le montre la Figure 2.08.d. Cela améliore le débit global du système. En
pratique, la station de base doit sélectionner des UE servis dans des faisceaux suffisamment
disjoints, afin de limiter au maximum l’interférence entre utilisateurs. Le nombre de couche
susceptible d’être transmises en MU-MIMO est donc limité par l’existence d’UE pouvant être
appariés en raison de ces interférences [9].
31
La famille de techniques décrites précédemment est toutes prise en charge dans la voie descendante
en LTE. Il existe également pour la voie descendante un mode mono-antenne, pour les systèmes
équipés d’une seule antenne d’émission à l’eNodeB ; aucun traitement spatial à l’émission ne peut
être mis en œuvre pour ce mode [9]. En voie montante, seule la sélection d’antenne est présente
dans les spécifications du LTE.
2.3.7 Les canaux
Le canal est un concept utilisé dans la transmission radio mobile pour identifier les types des
données transportées sur l’interface radio. On distingue trois classes de canaux, selon les couches
du modèle OSI auxquelles ils sont attachés : les canaux logiques, les canaux de transport et les
canaux physiques [4].
2.3.7.1 Rappel sur les couches protocolaires de l’interface radio
Sur la Figure 2.09, on peut voir que l’interface radio du LTE présente trois grandes couches. Ces
couches sont caractérisées par ses propres piles protocolaires.
a. La couche physique ou la couche L1
Cette couche, qui est la plus basse, a pour rôle principale d’assurer la transmission des données sous
une forme capable de se propager dans l’air et de résister aux différentes perturbations. Elle réalise
32
aussi le codage canal, la modulation, les traitements MIMO ainsi que la modulation multi-porteuse.
Les opérations inverses sont effectuées par la couche physique en réception. De plus, cette couche
effectue des taches nécessaires à son fonctionnement et aux fonctionnements de la couche
supérieure comme les mesures radio, la synchronisation, la détection de la présence d’une cellule et
la signalisation d’informations de contrôle [4].
b. La couche 2 ou couche L2
Cette couche intervient pour le transfert de données. Elle est constituée de trois sous couches :
La sous couche PDCP (Packet Data Compression Protocol) :
C’est la couche responsable de la fonction de sécurité et de transfert de données comme la
compression d’entête IP, le chiffrement de données, la suppression des doublons et enfin la remise
en séquence des paquets.
La sous couche RLC (Radio Link Protocol) :
Cette couche à son tour assure le contrôle du lien des données comme la retransmission des PDU
(Protocol Data Unit) manquantes permettant la reprise sur erreur et la remise en séquence des PDU
pour assurer l’ordonnancement des SDU (Service Data Unit) à la couche supérieure.
La sous couche MAC (Medium Access Control) :
Elle permet l’accès et l’adaptation au support de transmission grâce aux mécanismes correction
d’erreur par retransmission HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest), l’allocation dynamique de
ressource ou scheduling et la priorisation des flux sur les liens [4]
c. La couche 3 ou couche RRC :
La couche RRC (Radio Ressource Control) sert au contrôle de l’interface radio. Elle assure la
diffusion et le décodage d’informations systèmes pour tous les équipements en mode veille, l’envoi
et la réception de paging pour l’établissement d’appel destiné à n UE en mode veille, le contrôle des
mesures de l’UE et le contrôle de la mobilité en mode veille.
33
Figure 2.09 : Couche de l’interface radio LTE
2.3.7.2 Les canaux logiques
Les canaux logiques sont définis par le type d’informations qu’il transporte et opèrent entre la
couche MAC et la couche RLC. Un canal logique est associé à un ou plusieurs flux de données qui
possèdent des caractéristiques communs comme la typologie des données (plan usager ou plan de
contrôle), priorité des flux ou le débit nominal. Les canaux logiques se séparent en canaux de
contrôle et canaux de trafic. Les différents canaux logiques de l’interface radio du LTE sont:
- BCCH (Broadcast Control CHannel) : utilisé pour la diffusion d’informations de contrôle sur la
cellule.
- PCCH (Paging Control CHannel) : utilisé pour la notification d’appel
- CCCH (Common Control CHannel) : utilisé pour la transmission de la signalisation quand elle ne
peut pas être transmise sur un canal dédié DCCH
- DCCH (Dedicated Control CHanel) : utilisé pour la signalisation dédiée à un utilisateur
- DTCH (Dedicated Trafic CHannel) : utilisé pour porter les informations de trafic dédiées à un
utilisateur [4]
34
2.3.7.3 Les canaux de transport
Un canal de transport est caractérisé par la façon dont les données sont transportées sur l’interface
radio. Ces façons sont par exemple : la méthode d’accès aux ressources radio, le type de codage
canal, le schéma de transmission MIMO et la possibilité d’effectuer une retransmission. Les
différents canaux de transport sont :
- BCH (Broadcast CHannel) : utilisé en voie descendante pour la diffusion d’information sur la
cellule
- DL-SCH (Downlink Shared CHannel) : utilisé pour la transmission de données dédiées de contrôle
et du plan usager en sens descendant et utilisé également pour transmettre les informations de cellule
non portées par le BCH
- PCH (Paging CHannel) : utilisé pour diffuser les informations de paging sur l’ensemble de la
cellule
- RACH (Random Access CHannel) : utilisé pour l’établissement d’une connexion RRC avec la
station de base et le rétablissement lors d’un handover
- UL-SCH (Uplink Shared CHannel) : utilisé pour la transmission de données dédies de contrôle et
du plan usager en sens montant [4].
2.3.7.4 Les canaux physiques
Un canal physique est un ensemble d’éléments de ressource temps-fréquence (détaillé dans la partie
suivante) fournissant le moyen de transmettre par radio les données de canaux de transport. Voici
donc la liste des canaux physiques en voie montante et en voie descendante.
Pour la voie montante :
- PUSCH (Physical Uplink Shared CHannel): utilisé pour la transmission de l’UL-SCH et porte
également les informations de contrôle du PUCCH en cas de collision de ces deux canaux sur le
même intervalle de temps
- PUCCH (Physical Uplink Control CHanel): utilisé pour la transmission d’information de contrôle
nécessaire à l’HARQ et à l’allocation de ressource
- PRACH (Physical Random Access CHannel): utilisé pour porter le RACH
Pour la voie descendante :
- PDSCH (Physical Downlink Shared CHannel): utilisé pour la transmission du DL-SCH et du PCH
- PBCH (Physical Broadcast CHannel): utilisé pour la transmission de BCH
35
- PCFICH (Physical Control Format Indicator CHannel): utilisé pour indiquer le nombre de symbole
OFDM utilisés pour la transmission du PDCCH dans une sous-trame
- PDCCH (Physical Downlink Control CHannel): utilisé pour la transmission d’information de
contrôle
- PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator CHannel): utilisé pour porter les acquitements d’HARQ
Remarque :
Dans une configuration donnée de l’interface radio, un canal logique ne peut être porté que par un
seul canal de transport, mais ce dernier peut transporter plusieurs canaux logiques [1] [4]. Ainsi de
même entre le canal de transport et le canal physique. Les Figure 2.10 et 2.11 montrent
respectivement l’association entre ces différents canaux en voie montante et voie descendante.
36
2.3.8 Structure de la trame de l’interface radio
Le LTE utilise une trame radio de 10ms qui est divisé en dix sous trames de 1ms chacune et
numérotée de 0 à 9. Deux types de trames peuvent être vus dans l’interface radio :
2.4.5.1 La trame de type 1 :
Ce type de trame est adapté au FDD et au FDD half-duplex. Dans sa structure, chaque sous-trame
est divisée en deux slots de 0,5 ms. La différence entre la trame FDD et la trame FFD half-duplex
est la périodicité de ces trames au niveau de système. En d’autre terme, les 10 sous-trames en FDD
sont disponibles tous les 10ms dans les deux sens tandis qu’en FDD half-duplex, l’UE ne peut pas
transmettre et recevoir en même temps, ce qui réduit le nombre de trame utilisable en dans chaque
direction de transmission. [4]
37
La Figure 2.12 illustre la trame FDD et FDD half-duplex.
2.3.8.1 La trame de type 2
Ce type de trame est utilisé en TDD car certaines sous-trames sont réservées pour la noie montante
tandis que d’autre pour la voie descendante, comme le montra la Figure 2.13. Dans ce type de trame,
il existe une sous-trame spéciale qui contient un temps de garde GP (Guard Period) nécessaire au
basculement entre la voie montante et la voie descendante [4].
Outre le temps de garde, la sous-trame spéciale porte les champs DwPTS (Downlink Pilot Time
Slot) et UpPTS (Uplink Pilot Slot). Ces deux champs sont utilisés pour le transfert des signalisations
de contrôle et la synchronisation dans les deux sens [1] [4] [7].
2.3.9 L’allocation de ressource en LTE
L’allocation de ressource en LTE se fait à la fois dans les dimensions temporelle et fréquentielle.
La plus petite unité de ressource fréquentielle pouvant être allouée à un UE est le PRB (Physical
Ressource Block), illustré par la Figure 2.14.
38
Un PRB dure 0,5 ms, soit un slot et 12 sous-porteuses dans le domaine fréquentiel pour transporter
les symboles OFDM ou SC-FDMA. Notons que la largeur d’un sous porteuse est de 15KHz donc
un PRB a donc une largeur de 180 KHz et la durée d’un symbole dépend de la valeur du préfixe
cyclique utilisé.
Les ressources s’allouent par paire de PRB, les PRB d’une paire étant alloués dans deux slots
consécutifs d’une même sous-trame. Le Tableau 2.02 résume le nombre de PRB pour chaque largeur
de bande du système [4].
39
2.4 Les services offerts par le LTE
Une nouvelle génération de système mobile permet généralement l’introduction des nouveaux
services et pour le LTE, les services sont tous à base de transfert IP. Il est aussi impératif de fournir
les services présents dans les générations inférieures mais avec des améliorations. Les exemples de
services offerts sont : la navigation web, le vidéo streaming, le transfert de fichier FTP, la voix sur
IP, … [4]
2.5 La qualité de services
Le réseau LTE offre ces applications citées, qui ont besoins de QoS. Il existe donc un concept mis
en œuvre pour assigner la QoS selon les flux de paquets pour faciliter la prise en compte des
contraintes de services.
Ce concept se pose sur deux questions [1]:
- Le service est-il temps-réel ou non temps-réel ?
- Le service tolère-t-il des erreurs de transmission ?
La connaissance de la réponse de ces questions peut donc faciliter l’attribution de QoS sur chaque
service. Par exemple, les services temps-réel requièrent des délais de transmission courts mais
peuvent tolérer des erreurs de transmission, comme les appels vocaux et les vidéos streaming. Par
contre, les services non temps-réel n’exigent pas trop un délai de transmission court mais ne tolèrent
pas les erreurs de transmission, à l’instar le téléchargement des fichiers.
2.6 Cohabitation et compatibilité avec les générations intérieures
L’architecture LTE/EPC s’adapte également à d’autres technologies d’accès radio telles que le
GSM, l’UMTS, le CDMA200 et le WiMAX. L’architecture permettant la mobilité vers les réseaux
40
3GPP 2G et 3G est représentée à la Figure 2.15. Le S-GW agit comme un point d’ancrage au sein
de cette architecture. [4]
Le SGSN échange avec le MME, pour le plan de contrôle, par l’intermédiaire de l’interface S3, qui
est une évolution de l’interface Gn définie entre le SGSN dans l’architecture GPRS. Par ailleurs, le
plan de contrôle passe entre le SGSN et la S-GW via l’interface S4 qui est une évolution de
l’interface Gn définie entre SGSN et GGSN dans l’architecture GPRS [4].
2.7 Conclusion
Il est très important de connaître et de comprendre les exigences du réseau LTE. Ce chapitre nous
a permis d’avoir une connaissance des fonctionnements de l’interface radio du LTE et les méthodes
d’accès du réseau. On a tenu en compte les services offerts et la qualité de service du LTE.
41
CHAPITRE 3
LA GESTION DE LA QUALITE DE SERVICE DU RESEAU LTE
3.1 Introduction
Après la phase de déploiement et l’ouverture commerciale, on entre dans la phase d’exploitation du
réseau. L’opérateur commence alors un nouveau cycle qui consiste à observer la qualité de service
et à optimiser le réseau pour améliorer d’une part, la qualité de service dans les zones où cela est
nécessaire et d’autre part, pour augmenter l’efficacité du réseau de point de vue trafic. Nous
introduisons dans ce chapitre trois grandes parties : une première partie portant sur les indicateurs
et les paramètres de qualité de service du réseau LTE et une deuxième partie pour expliquer les
différentes phases du Drive-Test
3.2 Les fonctionnalités de l’Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
L’E-UTRAN est le seul responsable de la gestion radio du réseau LTE. Quand l’UE est sous tension,
l’eNodeB est responsable de la gestion des ressources radio à savoir qu'il doit faire la commande
radio au porteur, le contrôle d'admission radio, l’allocation de la liaison montante et de la liaison
descendante de l’UE, etc. Quand un paquet venant de l’UE arrive à l’eNodeB, l’eNodeB doit
compresser l'en-tête IP et crypter le flux de données.
Il est également responsable de l'ajout d’un en-tête à la charge utile et de l'envoyer à la SGW.
Avant que les données soient effectivement transmises, le plan de commande doit être établi.
L’eNB est responsable de choisir un MME utilisant la fonction de sélection MME. La QoS est prise
en charge par l’eNB car elle est seule entité à la radio. D'autres fonctionnalités comprennent
l'ordonnancement et la transmission des messages de radio messagerie, la diffusion des messages et
les renforts de taux de niveau de support sont également effectuées par l’eNB [11].
3.3 Les Key Performance Indicators
Les KPIs représentent la perception de l’abonné d'un réseau dans le niveau macro. Ils sont très
importants pour la gestion de la qualité de service d'un opérateur. Des statistiques de KPIs sont
typiquement utilisées par le réseau pour la supervision de celui-ci par rapport à d’autres réseaux et
pour détecter les éventuels problèmes.
42
La gestion de la performance fournit des données sur la qualité de service ainsi que la performance
du réseau LTE en ce qui concerne le respect des différents aspects.
3.3.1 L’Accessibilité
L’accessibilité concerne la capacité de réponse du réseau pour l’obtention d'un service dans des
tolérances indiquées et d'autres conditions données, à la demande de l'abonné.
L'accessibilité pour les E-UTRAN est une mesure de l'aptitude d'un utilisateur d'obtenir une E-RAB
venant du système. Le processus de l’établissement de l’E-RAB initial peut être divisé selon les
phases suivantes:
- Etablissement de la requête RRC Connection
- Etablissement de la connexion pour la requête Signalisation S1
- Etablissement de l’ E-RAB initial ou l’ajout d’E-RAB
La capacité d'un utilisateur pour obtenir un service venant du système se calcule par la formule 3.01.
=𝑅𝑅𝐶 𝑆𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠
𝑅𝑅𝐶 𝐴𝑡𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠−𝑅𝑅𝐶 𝑅𝑒𝑎𝑡𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠×
𝑆1 𝑆𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠
𝑆1 𝐴𝑡𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠×
𝐸−𝑅𝐴𝐵 𝑆𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠
𝐸−𝑅𝐴𝐵 𝐴𝑡𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠× 100
(3.01)
3.3.2 La retainability
La retainability est définie comme étant la capacité d'un utilisateur à maintenir l'E-RAB une fois
connecté pendant la durée souhaitée. Pour calculer la retainability de l’E-RAB où elle est mesurée
en drop/ s et en %, on a la formule 3.02 avec les mesures représentant le nombre de rejets actifs
anormal faits par l’eNodeB et le MME.
La capacité de l'abonné pour conserver son service demandé une fois connecté pour la durée
demandée est donnée par la formule 3.02 suivante.
Retainabilty de l’E-RAB (drop / s)= 𝑒𝑁𝐵 𝐴𝑏𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝐸−𝑅𝐴𝐵 𝑟𝑒𝑙𝑒𝑎𝑠𝑒𝑠+𝑀𝑀𝐸 𝐴𝑏𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝐸−𝑅𝐴𝐵 𝑟𝑒𝑙𝑒𝑎𝑠𝑒𝑠
𝐴𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 𝑠𝑒𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑖𝑚𝑒
Retainability de l’E-RAB (%)=𝑒𝑁𝐵 𝐴𝑏𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝐸−𝑅𝐴𝐵 𝑟𝑒𝑙𝑒𝑎𝑠𝑒𝑠+𝑀𝑀𝐸 𝐴𝑏𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝐸−𝑅𝐴𝐵 𝑅𝑒𝑙𝑒𝑎𝑠𝑒𝑠
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑅𝑒𝑙𝑒𝑎𝑠𝑒𝑠× 100
(3.02)
Taux de réussite de
l’établissement de l’Initial
E-RAB
43
3.3.3 L’intégrité
L’intégrité est le degré auquel un service, une fois qu'obtenu, est fourni sans affaiblissements
excessifs. [28]
3.3.4 La disponibilité
La disponibilité de la cellule est définie comme le pourcentage de temps qu'une cellule est
considérée disponible. [28]
3.3.5 La mobilité
La mobilité est l’exécution de tous les types d’handover.
La mobilité du réseau est une mesure de la capacité du réseau à fournir le service demandé par
l’abonné selon sa mobilité.
Pour calculer le taux réussite d’handover, on utilise la formule 3.03 suivante :
Taux de réussite de la mobilité de l’EUTRAN=𝑃𝑟𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑆𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠
𝑃𝑟𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐴𝑡𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠×
𝐸𝑥𝑒𝑐𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑆𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠
𝐸𝑥𝑒𝑐𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐴𝑡𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠× 100
(3.03)
Deux types de mesures sont utilisés pour le processus d’évaluation des handovers :
Le RSRP (Reference Signal Received Power) qui représente la puissance moyenne mesuré
par signal de référence.
Le RSRQ (Referece Signal Receiver Quality) qui fournit une indication sur la qualité du
signal. [28]
3.3.6 Utilisation des matériels
L’utilisation des matériels décrit l'usage du réseau en mesurant le niveau du trafic et de la gestion
de la capacité des ressources, y compris les congestions, le contrôle de l’admission et le chargement
et l’utilisation de licence. L’utilisation de l'information est nécessaire pour la planification du réseau.
Pour l’utilisation des matériels, il faut se baser et se référer des Licences et les indicateurs
d’utilisation des ressources. [28]
44
3.4 Les principes du Drive Test
Il existe plusieurs façons de mesurer les capacités du réseau. La plus commune est de remplir les
conditions requises selon le nombre d’indicateurs de performance clés dits Keys Performances
Indicators lorsque le réseau est mis en service. [28]
Les Keys Performance Indicators (KPIs) pourraient être utilisés pour la phase d’Initial Tuning.
Il est recommandé que les KPI soient mesurés selon les critères suivants :
Accessibilité
Taux de réussite d’établissement d’E-RAB
Retainability
Taux de parution anormal de Session
Parution anormal par minute
Intégrité
Débit de la liaison descendante d’abonné
Débit de la liaison ascendante d’abonné
Débit Pic de la liaison descendante d’abonné
Débit Pic de la liaison ascendante d’abonné
Temps de parcours
Mobilité
. Taux de réussite d’Handover
3.4.1 Les améliorations apportées au Radio Access Network
On a donc choisi d’améliorer la Radio Access Network selon les services fournis par le prestataire
de service télécommunication Ericsson. Il y a deux services :
Le RAN tuning
Le réglage initial du RAN est effectué lorsque:
tous les nœuds du cluster sont opérationnels mais sont pas commercialement utilisés.
de nouveaux sites sont installés dans des Zones Commerciales (ZC) déjà mises en service
45
RAN Optimisation ou Optimisation du Radio Access Network
L’optimisation du RAN est effectuée lorsque le réseau radio a été réglé et qu’il y a suffisamment
d'abonnés générant un trafic afin d'identifier et de résoudre les problèmes dans les réseaux en
service. [28]
3.4.1.1 La phase du réglage initial du Radio Access Network
a. Généralités
Le RAN Tuning appelé Initial Tuning est effectué pour s’assurer que l’interface radio du réseau
travaille bien après que le réseau soit installé. Cette phase est réalisée lorsque toutes les eNodeB de
la Zone Commerciale sont installées et opérationnelles. Et, lorsque le réseau est stable et prêt à être
utilisé selon la Zone Commerciale. Ce service vérifie que l’architecture de l’interface radio du
réseau et les données du réseau correspondantes ont été correctement implémentées. Il faut vérifier
que l’architecture implémentée est logique avec l’architecture proposée.
Plus précisément, il faut établir les performances du réseau en utilisant principalement le Drive-
Test. Ainsi, il faut s’assurer qu’il est possible de conduire dans le réseau sans coupure d’appel. Mais
aussi qu’il faut s’assurer qu’il est possible d’émettre des appels dans la zone de couverture.
Le réglage du RAN est important pour détecter les problèmes sous-jacents par l’opérateur avec une
compréhension détaillée des sites cibles en tenant en compte le design, les abonnés et le système.
b. Buts:
L’Initial tuning a pour but de
Préparer l'interface air et résoudre les problèmes du système pour obtenir un meilleur signal
pour l’UE
Améliorer la capacité de la cellule c’est-à-dire maximiser le SINR et utiliser une plus haute
modulation pour accomplir le meilleur débit par bloc de ressource (RB : Ressource Bloc).
46
La figure 3.01 montre les étapes de l’Initial tuning. [28]
Figure 3.01 : Processus de l’Initial Tuning[28]
Etape 1 : Préparation
-Examiner la conception radio de haut niveau
-Définir les clusters et les drive tests routes
-Vérifier le design et consisting check
-Installation des outils de drive tests
Etape 2 : Collection des données / Drive testing
-Mesures scanner
-Mesures UE
-Trace de cellule / mesures de trace de UE
Etape 3 : Post-processing des données du scanner
-TEMS Investigation
-Nemo outdoor
47
Etape 4 : Analyse des données mesurées
- Identifier les problèmes de couverture
- Identifier les problèmes d'interférences
- Réglage des UE
- Révision des cellules voisines manquantes- Cellules voisines perdues
Etape 5 : Changer les propositions
- Changement du design, changement de la configuration des antennes (par exemple: le tilt,
l’azimut, emplacement, ...)
-Changements des paramètres (handovers, etc…)
Etape 6 : Rapport
-Status de cluster
-KPI pour chaque cluster réglé
-Autre
Etape 7. Vérification des changements
-Refaire les étapes 1-6 après que les changements soient implémentés.
3.4.1.2 Optimisation du Radio Access Network
a. Généralités
Après avoir réglé le réseau radio et que les problèmes en live soient identifiés et résolus,
l'optimisation de la Radio Access Network sera effectuée. Quand il y a un nombre d’abonnés
suffisant générant un trafic, des données provenant de diverses sources du système peuvent être
collectées. Des sociétés prestataires de service comme Ericsson Technologies proposent plusieurs
différents outils tels que les statistiques de performance, l’enregistrement de trace de l’UE et
l’enregistrement de trace de cellule. . Par la suite, les informations à partir des drives tests ainsi que
le feedback de l'abonné peuvent être utilisés et analysés afin de faire des recommandations pour des
améliorations. [28]
48
L'optimisation du RAN peut entraîner des changements dans le réglage des paramètres pour les
différentes fonctionnalités telles que le mode veille (idle mode), la supervision de la connexion
radio, le contrôle de la puissance, la gestion des capacités, le handover.
b. Buts
L’optimisation du RAN consiste à :
Identifier et résoudre les problèmes de réseau radio
Etablir les comportements des abonnés
Assurer la manipulation de la croissance du trafic
La figure 3.02 montre le contrôle des services d'optimisation de RAN : [28]
Figure 3.02 Optimisation du RAN[28]
3.4.2 Mesures de la QoS dans le réseau cellulaire
Grâce à des sorties terrains et des simulations en différents scénarii possibles dans lesquels on teste
l’établissement de l’appel (absence d’échec), le maintien de la communication pendant un certain
temps seuil (absence de coupure) et la qualité de la communication, le débit du donnée en liaison
descendante et en liaison ascendante, etc…, tout en tenant compte de la mobilité de l’usager. Le
rapport de mesure ainsi obtenu reflète de façon objective la qualité de service des prestations des
opérateurs. Elles constituent pour cela le meilleur moyen de vérifier les performances du réseau et
49
de les ajuster aux attentes des abonnés, car elles décrivent l’état de la qualité des ressources radio
du réseau telle qu’elle est perçue par les abonnés.
Pour réaliser ces mesures, un comité se déplace, dans une voiture, muni d’une chaîne de mesure
numérique de type drive test qui comporte essentiellement :
Un mobile (s) à trace ou un modem
Un mobile à trace dit aussi mobile de test est équipé d’un logiciel spécial et est utilisé pour les
mesures radio (mesures numériques). A l'aide de l'Hyper Terminal et d'un câble série, il est possible
de taper des commandes qui permettent d'éteindre le mobile ou encore d'appeler quelqu'un, mais sa
véritable utilité réside dans le fait qu’il peut calculer tous les paramètres radios (niveau du signal, la
qualité du signal…etc.) et les communiquer au PC suites à la réception de commandes (commandes
AT) sur son modem. En général, un mobile à trace permet de faire tous les scénarii possibles pour
chaque canton mesuré.
Un équipement GPS (Geographic Positioning System)
Pour la localisation exacte de la position géographique de chaque point de mesure. Il est
indispensable pour repérer les points de l’environnement où il y’a des problèmes radios.
Un ordinateur portable doté d’un outil (software) spécial
Permettant l’acquisition, le traitement et l’enregistrement des mesures récupérées du mobile à trace
(paramètres radios) et du récepteur GPS (coordonnées géographiques) dans des fichiers spéciaux.
En visualisant sur l’écran de l’ordinateur les différentes mesures réalisées, il permet à l’ingénieur
de constater l’état du réseau sur place.
Pour notre part, nous avons utilisé et manipulé le logiciel de test NEMO OUTDOOR pour les
éventuels tests et drive-test sur les sites 4G en service.
Afin de pouvoir relever les éventuels problèmes du réseau, l’utilisation du logiciel NEMO
ANALYZE nous a aidé à analyser les données recueillies, de comprendre les causes des anomalies
du réseau par lieu et par site et enfin proposer les optimisations idéales et nécessaires. Ainsi, ce
logiciel nous a permis d’avoir un
50
3.4.3 Résultats obtenus après un drive-test sur la ville d’Antananarivo
Nous avons effectué un drive-test sur la ville d’Antananarivo pour vérifier l’état du réseau 4G après
amélioration des services de l’E-UTRAN. On nous a demandé de prendre en compte les variations
du débit de données en liaison descendante pour un instant donné selon le script utilisé.
Nous devons dégager les valeurs du débit enregistré du réseau 4G selon le parcours de l’UE appelé
aussi la trace de l’UE comme illustré dans la figure 3.03.
Figure 3.03 : Variations du débit de données en liaison descendante sur la carte MapInfo
d’Antananarivo
51
Après l’analyse des données dans la figure 3.04, on a relevé que le débit pic de données atteint le
27, 90 Mbits en liaison descendante. Ce qui est défini comme étant un haut débit du réseau LTE de
l’opérateur.
Figure 3.04 : Variation du débit par rapport à un instant donnée
3.5 Conclusion
En bref, ce chapitre nous a permis de connaitre la fonctionnalité de l’E-UTRAN en abordant les
rôles de l’eNodeB par rapport à l’UE. Puis, nous avons pu expliquer les différents indicateurs de
performance clé ou Key Performance Indicator (KPI) du réseau LTE qui sont utiliser pour mesurer
la qualité de service et la performance du réseau LTE. Nous avons dégagé les améliorations du
Radio Access Network (RAN). Ainsi, la phase de réglage du RAN ou Initial Tuning et la phase
d’optimisation du RAN sont très important pour le bon fonctionnement du RAN. Il est à retenir que
dans la phase d’Initial Tuning, le drive-test est nécessaire pour s’assurer de la performance de
l’interface radio et de pouvoir résoudre tous les problèmes du RAN.
0
5
10
15
20
25
30
1 49
97
14
51
93
241
28
93
37
38
54
33
48
15
29
57
762
56
73
72
17
69
81
78
65
91
39
61
10
09
10
57
11
05
11
53
12
01
12
49
Déb
it e
n M
bp
s
seconde
52
CHAPITRE 4
LA PERFORMANCE ET L'OPTIMISATION DU RESEAU LTE
4.1 Introduction
La LTE-Advanced décrit l’extension de la norme LTE pour atteindre des débits de transmission
allant jusqu’à 1Gbit/s. Pour se faire, l’une des possibilités consiste à agréger plusieurs bandes de
fréquence LTE. Cette agrégation de porteuses, également appelée Carrier Aggregation permet
d’associer deux ou plusieurs fréquences sur laquelle la LTE est transmise. Ainsi, on obtient des
débits théorique pouvant atteindre 300 Mbit/s voire 450Mbit/s. Dans ce chapitre, nous allons tout
d’abord aborder le sujet sur la gestion de la performance du réseau LTE et ensuite voir l’optimisation
du réseau LTE pour pouvoir atteindre la performance du réseau LTE-Advanced.
4.2 La performance de réseau LTE
4.2.1 La gestion de la performance
Superviser la performance du système LTE est une activité cruciale pour la fiabilité et l’opération
efficace du réseau en service. Les fonctions de la Performance Management peuvent promouvoir
les informations détaillées sur la performance du réseau qui peuvent être utilisé pour assurer la
plupart de l’usage efficace du réseau. La gestion de la performance dans le réseau LTE prévoit :
la détection de la dégradation de la performance du réseau qui permet à l’opérateur de
prendre des décisions nécessaires et faire des actions nécessaires pour conserver la qualité
du réseau.
concilier le réseau et suggérer des actions pour l’amélioration du réseau.
diriger et optimiser la radio et le réseau de transport pour améliorer la qualité abonné-, ou
utiliser au mieux les ressources installées.
fournir la radio et les planificateurs de réseau de transmission avec les informations
détaillées nécessaire pour le dimensionnement de l’extension du réseau [28]
4.2.2 L’audit des paramètres par défaut
L’une des importantes tâches pour un contrôle efficace du réseau cellulaire est d’assurer que
l’ensemble des paramètres de configuration sont correctement ajustés. Quel que soit les paramètres
incorrectement configurés, peuvent causer des dommages réels sur la performance et par conséquent
sur la satisfaction du client. Et, il n’est plus nécessaire de prendre du temps pour trouver les
53
problèmes depuis que les problèmes peuvent être facilement et rapidement trouvés par un audit. Par
exemple, soient les configurations des paramètres par défaut :
- eNodeBID (ex :116745)
- DIBandwidth (10 Mhz)
- Antenna Height (21,5m)
- SGW IP Sec (10.223.32.131/32)
4.2.3 Les différentes optimisations apportées à un réseau LTE
4.2.3.1 Optimisation du niveau du signal
a. Optimisation des antennes
Une antenne est typiquement caractérisée par la bande de fréquences, le gain et le modèle de
radiation horizontale et verticale mais il y a aussi d’autres multiples caractéristiques électrique et
mécanique de l’antenne.
L’optimisation des RF implique des ajustements de l’azimut, le tilt, la hauteur de l’antenne, la
puissance de transmission des eNodeBs, les algorithmes des caractéristiques et les paramètres de
performance. Les méthodes de l’optimisation dans les différentes normes sont semblables mais
chaque niveau a sa propre définition des mesures.
b. Résolution des problèmes de couverture faible
La qualité du signal dans les cellules est plus pauvre que les lignes de base de l’optimisation dans
la zone. D’où, les UEs ne peuvent pas être enregistrés dans le réseau ou les services accédés ne
peuvent pas satisfaire les exigences du QoS.
S’il n’y a aucune couverture du réseau ou les niveaux de couverture sont excessivement bas dans la
zone, cette zone est appelée zone de couverture faible. Le niveau de réception d’un UE est bas par
rapport à son niveau d’accès minimum car les niveaux de réception des liaisons descendantes dans
la zone de couverture faible sont instables. Dans ce cas, l’UE est déconnecté du réseau.
Pour résoudre ce problème, il faut analyser les environnements géographiques et vérifier les niveaux
du signal à la réception des eNodeBs adjacents. Il faut ajuster les azimuts et les tilts ainsi que la
hauteur de l’antenne utilisée avec un gain élevé.
54
c. Résolution des problèmes de couverture croisée
La couverture croisée ou cross coverage signifie que la zone de la couverture d’une eNodeB dépasse
celle prévue et génère des zones dominantes discontinues dans l’ensemble de la couverture de tous
les eNodeBs. Par exemple, si la hauteur du site est trop haut par rapport à la hauteur moyenne des
bâtiments aux alentours, cela transmet la propagation des signaux loin dans les collines ou les routes
et ainsi forme une couverture dominante dans la zone de couverture des eNodeBs. C’est un
phénomène de l’île. Si un appel est connecté au phénomène de l’île qui est loin de l’eNodeB mais
qui est encore servi par l’eNodeB et les cellules autour de l’île ne sont pas configurées. Mais, des
coupures d’appel peuvent arriver immédiatement dès que les UEs quittent l’île.
Donc, il faut ajuster les azimuts de l’antenne correctement pour que la direction du lobe principale
soit légèrement oblique vers la direction de la rue. Cela réduit excessivement la couverture lointaine
par les ondes électriques à cause des réflexions des bâtiments sur les 2 côtés de la rue.
Nous devons aussi ajuster les tilts de l’antenne ou remplacer les antennes par des antennes à tilt
large en assurant les azimuts de l’antenne adéquate. L’ajustement du tilt est l’approche la plus
efficace pour contrôler la couverture. Les tilts sont classifiés par 2 : les tilts électriques et les tilts
mécaniques. Il est préférable d’ajuster les tilts électriques. On peut aussi diminuer la hauteur de
l’antenne pour un site haut et diminuer aussi la puissance de transmission des porteuses quand la
performance de la cellule n’est pas affectée.
d. Méthodes de l’optimisation du niveau du signal
Ajustement des Tilts
Ajustement de l’azimut
Ajustement de la puissance
Hauteur de l’antenne
Configuration des caractéristiques
Réselection et ajustement des paramètres d’Handover
4.2.3.2 Optimisation de la qualité du signal
a. Résolution des problèmes dus à l’absence de cellule dominante
Dans une zone sans aucune cellule dominante, le niveau de réception de la cellule mise en service
est similaire aux niveaux de réception des signaux en liaison descendante entre les différentes
cellules qui sont proches des seuils de la resélection de la cellule. Les niveaux de réception dans une
55
zone sans aucune cellule dominante sont aussi peu satisfaisants. Le SINR de la cellule mise en
service devient instable car la réutilisation de fréquence et la qualité de réception deviennent peu
satisfaisantes. Dans cette situation, la cellule dominante est fréquemment resélectionnée et changé
en mode idle. Par conséquent, les handovers fréquents ou coupure de service se manifestent lorsque
les UEs sont en mode connecté à cause de la mauvaise qualité du signal. Une zone sans aucune
cellule dominante peut être aussi considérée comme une zone de couverture faible.
Pour résoudre ce problème, il faut déterminer les cellules qui couvrent une zone sans aucune cellule
dominante pendant la planification du réseau et ajuster les tilts de l’antenne et les azimuts pour
augmenter la couverture de la cellule avec des signaux forts et diminuer la couverture des autres
cellules avec des signaux faibles. Il faut revoir et configurer correctement la cellule qui peut couvrir
la zone selon les paramètres d’ingénierie
b. L’analyse des problèmes d’Handover
- Vérification de la validité d’handover
Il faut obtenir les cellules sources et les cellules cibles utilisant le logiciel de drive test et puis
vérifier si les handovers sont exécutés entre deux cellules qui sont géographiquement éloignées.
- Vérification des interférences
Il faut vérifier à la fois l’interférence dans la cellule source et la cellule cible car les échecs
d’handovers peuvent être causés par l’interférence de la liaison ascendante et de la liaison
descendante.
- Vérification de la couverture
Nous devons vérifier la cellule source et la cellule cible pour la couverture croisée, le
déséquilibre entre la liaison ascendante et la qualité et le niveau de réception des porteuses.
- Vérification des handovers basés sur les RSRP mesurés lors des drive-tests de l’UE
Il faut vérifier que les RSRP dans les cellules source et cible attendus sont au
maximum
Il faut vérifier que les RSRP dans les cellules source sont correctes à un point de
l’handover. En d’autre terme, les handovers ne se manifestent pas si la qualité du
signal est excessivement faible.
L’optimisation des cellules voisines doit assurer que les UEs en mode idle ou connecté peuvent
rapidement effectuer la resélection ou remettre les cellules à des services optimales. Ces aides
56
mènent à une couverture continue. De plus, les problèmes avec les délais, le ping-pong et les
handovers non-logiques peuvent être résolus en optimisant la couverture, l’interférence et les
paramètres d’handover.
c. Résolution du déséquilibre de la liaison montante et la liaison descendante
Quand la puissance de transmission de l’UE est faible par rapport à la puissance de transmission de
l’eNodeB, les UEs en mode idle peuvent recevoir les signaux de la liaison ascendante à cause de la
puissance limitée quand les UEs exécutent l’accès aléatoire ou le téléchargement des données. Dans
ce cas, la distance de la couverture de la liaison ascendante est moins par rapport à la distance de la
couverture de la liaison descendante.
Pour la couverture de la liaison ascendante limitée, la puissance de transmission de l’UE atteint son
maximum mais ne peut pas encore satisfaire l’exigence pour les BLER de la liaison ascendante.
Pour la couverture de la liaison descendante limitée, la puissance de transmission du DCH pour la
liaison descendante atteint son maximum mais ne peut pas encore satisfaire l’exigence du BLER de
la liaison descendante. Le déséquilibre entre la liaison ascendante et la liaison descendante provoque
à la coupure de service. La cause la plus commune est la limitation de la couverture de la liaison
ascendante.
Afin de résoudre le problème de déséquilibre entre la liaison descendante et la liaison ascendante,
on peut prendre en compte les optimisations suivantes.
- Si aucune donnée sur la performance n’est disponible pour l’optimisation des RF, il faut
retrouver un seul UE dans la pièce d’équipement OMC pour obtenir les rapports de mesure
de la liaison montante dans l’interface Uu et puis analyser les rapports de mesure et les
fichiers de drive-tests.
- Si les données sur la performance sont disponibles, il faut vérifier chaque porteuse dans
chaque cellule pour le déséquilibre entre la liaison montante et la liaison descendante.
- Si l’interférence de la liaison montante mène au déséquilibre entre la liaison montante et la
liaison descendante le moniteur de l’eNodeB avertie pour vérifier l’interférence.
- Il faut vérifier si l’équipement fonctionne correctement et que les alarmes se produisent
lorsqu’il y a un déséquilibre entre la liaison montante et la liaison descendante à cause
d’autres facteurs.
57
d. Résolution des problèmes de la qualité du signal par les réglages des paramètres
incorrectes
Optimisation des fréquences
Changer et optimiser les fréquences basées sur le drive-test et la performance des mesures des
données
Ajustement du système d’antenne
Ajuster les azimuts et les tilts d’antenne pour changer la distribution des signaux dans une zone
ayant des interférences par l’augmentation du niveau du secteur dominant et la diminution des
niveaux des autres secteurs.
Ajout de la couverture dominante
Augmenter la puissance de la cellule et diminuer la puissance des autres cellules pour former
une cellule dominante.
4.3 L’optimisation de la technologie LTE vers le LTE-Advanced
L’évolution de la technologie LTE vers le LTE-Advanced nécessite l’introduction et l’application
de la technique de l’agrégation des porteuses appelée Carrier Aggregation. Ainsi, la
technique la plus simple pour augmenter la capacité est d'ajouter plus de bande passante.
Comme il est important de garder une compatibilité descendante avec la technologie LTE Release
8 et le Release 9 mobiles, l'augmentation de la bande passante dans le LTE-Advanced est fournie
par l’agrégation de porteuses Release 8 et Release 9.
Le LTE-Advanced offre des débits beaucoup plus élevés que les versions initiales de LTE. Bien que
l’efficacité de l’utilisation du spectre a été améliorée, celle-ci ne peut pas fournir les débits de
données nécessaires qui sont en tête d’affiche pour la 4G LTE-Advanced. Pour atteindre ces débits
de données très élevés, il est nécessaire d’augmenter les largeurs de bande de transmission par
rapport à ceux qui peuvent être pris en charge par une seule porteuse ou canal. La méthode proposée
est appelée l’agrégation de porteuses ou la Carrier Aggregation (C.A) ou parfois agrégation de
canaux.
Par l’application de la Carrier Aggregation en LTE-Advanced, il est possible d’utiliser plus d’une
porteuse et d’augmenter la bande passante de transmission globale. Ces canaux ou les supports
peuvent être des éléments contigus du spectre ou de bandes différentes.
La disponibilité du spectre est une question clé pour la 4G LTE. Dans de nombreuses régions que
des petites bandes sont disponibles et souvent aussi petites que 10 MHz. En tant qu’agrégation de
58
porteuses de résultats sur plus d’une bande est continue dans le cahier des charges de l’IMT-
Advanced même si elle ne présente des défis techniques.
L’agrégation des porteuses est prise en charge par les deux formats de LTE à savoir les variantes
FDD et TDD. Cela garantit que les deux FDD LTE et TDD LTE sont en mesure de répondre aux
exigences de débit élevé des données qui sont imposées.
4.3.1 Les bases de la Carrier Aggregation LTE
Les objectifs chiffrés pour le débit de données sur la liaison descendante est de 1 Gbps pour la 4G
LTE-Advanced. Même avec les améliorations de l’efficacité spectrale, il est impossible de fournir
les débits de données globaux requis dans le canal maximum de 20 MHz. Le seul moyen d’atteindre
les débits de données les plus élevés est d’augmenter la bande passante totale utilisée. L’IMT-
Advanced définit la limite supérieur à 100 MHz mais avec une attente de 40 MHz étant utilisée pour
l’efficacité minimale. Pour l’avenir, il est possible que la limite supérieure de 100 MHz puisse être
étendue. Il est bien entendu que le spectre est une denrée précieuse et il faut du temps pour réattribuer
d’une utilisation à une autre en vue : le coût de forcer les utilisateurs à se déplacer est énorme que
de nouveaux équipements doivent être acheté. Par conséquent, en tant que sections du spectre hors
d’usage, ils peuvent être réaffectés. Cela conduit à des niveaux significatifs de fragmentation.
Pour un terminal LTE, chaque porteuse ou composante spectrale ou Component Carrier (C.C)
apparait comme un support du LTE tandis qu’un terminal LTE-Advanced peut exploiter la bande
passante agrégée totale.
4.3.2 Les aspects des fréquences radio de l’agrégation des porteuses
Il y a un certain nombre de façons dont les composantes spectrales LTE peuvent être agrégées. Pour
la FDD, on utilise 2 porteuses différentes, une pour l’Uplink et une autre pour la downlink. Pour la
TDD, on n’utilise qu’une seule porteuse fréquentielle mais les transmissions en Uplink et downlink
sont séparés dans le domaine temporel basé selon la cellule.
59
Figure 4.01 : Les transmissions pour la FDD et TDD
Comme chaque porteuse agrégée est désignée en tant que Component Carrier ou composante
spectrale, elle peut avoir une bande passante de 1, 4, 3, 5, 10, 15 ou 20 MHz, et un maximum de
cinq composantes spectrales peuvent être agrégées. D' où la bande passante maximale est de 100
MHz. Le nombre de porteuses agrégées peut être différent en sens descendant et en sens montant,
mais le nombre de composantes spectrales en liaison montante est plus grand que le nombre de
composantes spectrales en liaison descendante. Les composantes spectrales individuelles peuvent
également être de différentes largeurs de bande comme illustrés sur la figure 4.02. [7]
Figure 4.02 : Les différentes largeurs de bande
60
4.3.3 Les largeurs de bande des Composantes spectrales
Pour l’utilisation de la FDD en LTE-Advanced Release 10, l’UE peut allouer des ressources DL et
UL sur un maximum de cinq composantes spectrales (CC). Pour le LTE Release 8 et le LTE Release
9, les UEs peuvent allouer des ressources selon les pays. Les CCs peuvent avoir différentes largeurs
de bande.
Pour des raisons pratiques, les différentes configurations d'agrégation de porteuses (spécifiées par
exemple des combinaisons de bande de fonctionnement d’E-UTRAN et le nombre de
porteurs de composants) sont introduites par étape.
Dans le LTE Release 10, il y a deux composantes spectrales dans le sens descendant et une seule
dans le sens montant (donc pas d'agrégation de porteuses dans la liaison montante).
Pour le LTE Release 11, il y a deux composantes spectrales en sens descendant et un ou deux
composantes spectrales dans la liaison montante lorsque l’agrégation de porteuses est utilisée. [7]
La meilleure technique pour organiser l’agrégation est d'utiliser des composantes spectrales
contiguës dans la même bande de fréquence de fonctionnement (telle que défini pour le LTE), dite
intra-bande contiguë. Cela pourrait ne pas être toujours possible, en raison
de la fréquence des scénarios d'allocation.
Pour l’attribution non-contiguë, il pourrait être soit intra-bande : c’est-à-dire que les composantes
spectrales appartiennent à la même bande de fréquence de fonctionnement, mais sont séparées par
un intervalle de fréquence
Il pourrait être inter-bande : auquel les composantes spectrales appartiennent à différentes bandes
de fréquences de fonctionnement suivant la figure 4.03.
Figure 4.03 : Les différentes techniques d’agrégation des porteuses
61
Il convient de noter que les composantes spectrales agrégées ne doivent pas nécessairement être
contiguës dans le domaine de fréquence, mais plutôt, par rapport à l'emplacement de la fréquence
de l'autre composante spectrale. On peut donc définir trois différentes techniques d’agrégation de
porteuses sont :
L’agrégation intra-bande avec des composantes spectrales contiguës
L’agrégation intra-groupe avec des composantes spectrales non-contiguës
L’agrégation inter-bande avec des composantes spectrales non-contiguës
La possibilité de composantes spectrales non-adjacentes globales permet l'exploitation d'un spectre
fragmenté; les opérateurs avec un spectre fragmenté peuvent fournir un haut débit de
services de données basés sur la disponibilité d'une large bande passante globale, même si elles ne
possèdent pas une seule attribution du spectre à bande large. Sur le point de vue de la fréquence, il
n'y a pas de différence entre les trois différents cas décrit dans la figure 4.03 et ils sont tous supportés
par la spécification de base du LTE release 10. [7]
Cependant, la complexité de mise en œuvre des fréquences est très différente, le premier cas étant
le moins complexe. Bien que l'agrégation du spectre soit prise en charge par la couche physique, les
spécifications du protocole, la mise en œuvre effective seront fortement limitées. De plus, la
spécification d'un nombre limité de scénarios d'agrégation et l'agrégation sur un spectre dispersé ne
peuvent pas être prises en charge par les terminaux les plus avancés. [7]
Figure 4.04 : Exemples de Carrier Aggregation
Pour la Carrier Aggregation en DL, une porteuse fonctionne comme une cellule primaire (PCell ou
PCC) avec accès à la DL et l’UL et dans laquelle s’effectue la signalisation. Les porteuses
supplémentaires DL allouées sont qualifiées de cellules secondaires (SCell ou SCC). Jusqu’à
présent, seules les cellules secondaires ont utilisé la DL. [7]
62
Dans les réseaux réels, chaque cellule LTE peut exercer la fonction d’une PCell ou d’une SCell. En
mode agrégation de porteuses de DL avec deux porteuses composantes, la bande passante est
doublée jusqu’à 40 MHz et le débit de données jusqu’à 300 Mbit/s. [7]
4.4 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons pu expliquer la performance du réseau LTE en expliquant la gestion
de la performance, l’audit de paramétrage par défaut du réseau LTE et les différentes optimisations
apportées au réseau LTE après définition de problèmes aperçus lors du drive-test. Les anomalies
peuvent concerner le niveau du signal, la qualité du signal mais surtout le débit de données lors de
l’utilisation du data. On a donc proposé dans l’optimisation de la technologie LTE pour le passage
vers le LTE-Advanced l’application de la technique d’agrégation de porteuses ou Carrier
Aggregation pour améliorer et augmenter le débit de données.
63
CHAPITRE 5
SIMULATION DE LA PERFORMANCE DE LA CARRIER AGGREGATION
CONTIGUE
5.1 Introduction
La technologie LTE-Advanced comprend deux parties pour les transmissions des données : la
première est la transmission en liaison montante qui utilise le mode d’accès Single Carrier
Frequency Division Mutliple Access (SC-FDMA) qui transmet les données de la téléphonie mobile
à partir de l'équipement utilisateur (UE) à la station de base (eNB). Tandis que la seconde partie est
utilisée pour la liaison descendante. C'est le mode de transmission Orthogonal Frequency Division
Multiple Access (OFDMA) à partir duquel les données de la station de base mobile (eNB) sont
transmises à l'équipement utilisateur (UE). Dans ce chapitre, on s’intéresse particulièrement à la
transmission des données de la liaison descendante. Des simulations, des analyses des résultats et
des performances requises seront effectuées.
5.2 Scénarios de Carrier Agrégation
Les systèmes de CA améliorent les taux des données pour les utilisateurs dans des zones couvertes
par les cellules en permettant aux opérateurs de déployer un système avec une bande passante
étendue. Les taux des données de la transmission augmentés peuvent être obtenus en agrégeant
plusieurs plus petites composantes spectrales en fournissant la compatibilité moins évoluée aux
abonnés [17].
Pour avoir une transmission à large bande passante allant jusqu'à 100MHz, deux ou plusieurs
composantes spectrales peuvent être agrégés. Les déploiements du spectre peuvent être contigus ou
non-contigus. En générale, il y a trois scénarios du spectre différents comme suit.
5.2.1 La Carrier Aggregation intra-bande contiguë:
Pour la CA intra-bande, une seule bande de fréquence est utilisée et toutes les composantes
spectrales utilisés sont adjacentes les unes aux autres. L'espacement entre les fréquences centrales
des composantes spectrales contiguës agrégées est un multiple de 300 KHz pour être compatible
avec la fréquence de 100 KHz des LTE release 8 et release 9 et préserver l'orthogonalité des sous-
porteuses avec un espacement de 15 kHz. Bien que ceci puisse être un scénario moins possible
aujourd'hui, mais il peut être commun quand les nouvelles bandes du spectre de 3.5 GHz sera alloué
64
dans le futur dans plusieurs parties du monde [16]. C'est la forme la plus simple de l’agrégation de
porteuses en LTE pour sa mise en œuvre [20].
5.2.2 La Carrier Aggregation intra-bande non contiguës :
Une seule bande de fréquences est utilisée mais les composantes spectrales utilisées ne sont pas
adjacentes les unes aux autres c’est-à-dire que les composantes spectrales sont séparées les unes des
autres. Cela ajoute de la complexité, en particulier à l'équipement utilisateur (UE) où l'espace, la
puissance et le coût sont des facteurs majeurs. Cette forme est plus compliquée que le premier cas
où les porteuses adjacentes sont utilisées. Le signal multi-porteur ne peut pas être considéré comme
étant un seul signal et deux émetteurs-récepteurs sont nécessaires [15].
5.2.3 La Carrier Aggregation inter-bande non-contiguës :
Les CCs utilisées appartiennent à différentes bandes de fréquences et séparées les unes aux autres.
Ce scénario est très prometteur pour les futures communications mobiles à haut débit hautes débits
en raison de la fragmentation inévitable des bandes car certains qui n’ont qu’une largeur de bande
de 10MHz. En ce qui concerne l'UE, il nécessite l'utilisation de plusieurs émetteurs-récepteurs
introduisant ainsi de nouveaux défis liés aux coûts, à la performance et à la consommation d'énergie
[16]. Avec ce type d'agrégation, la robustesse de la mobilité peut potentiellement être améliorée en
exploitant des caractéristiques de la propagation radio des différentes bandes [21].
Dans tous les cas, plusieurs composantes spectrales sont agrégées pour servir un seul abonné LTE-
Advanced. En ce qui concerne le coût, la complexité et la consommation d'énergie de l'UE, c’est
plus facile à implémenter. La Carrier Aggregation peut être mise en œuvre sans faire beaucoup de
changements à la structure physique des systèmes LTE existants. Il est possible d'utiliser un seul
module de transformée de Fourier rapide (FFT) et une seule composante de fréquence radio pour
atteindre la Carrier Aggregation pour l’abonné du système LTE-Advanced tout en assurant une
compatibilité avec les systèmes LTE. Par rapport à la CA non-continue, il est plus facile de mettre
en œuvre l'allocation des ressources et des algorithmes de gestion de CA continue [22]. Or,
actuellement l’allocation de spectre est éparpillée et la disponibilité d’une bande passante de 100
Mhz est improbable pour le système LTE-Advanced, on peut dire que l'approche de la CA non-
contiguë semble plus concret [16].
65
5.3 Méthodologie de l'algorithme utilisé
Pour pouvoir montrer la performance de la Carrier Aggregation contiguë, nous allons appliquer
l’algorithme illustré dans la figure 5.01 et voir l’évolution du débit des composantes spectrales par
rapport à la bande de fréquence utilisée.
Figure 5.01 : Algorithme pour le rapport entre la bande passante et le débit
5.4 Simulation de l’Agrégation des porteuses
La performance d’un réseau LTE-Advanced a été développée précédemment en expliquant le rôle
de la Carrier Aggregation selon ses différents aspects afin d’atteindre un très haut débit. Maintenant,
nous allons démontrer les résultats obtenus selon le nombre de composantes spectrales utilisé par
des simulations sous le logiciel MATLAB.
Dans ce cas, nous allons représenter la Carrier Aggregation par des figures de spectre en liaison
descendante selon le nombre de composantes spectrales.
Pour générer une forme d'onde de la liaison descendante, un eNodeB est configuré pour chaque
composante spectrale. Les paramètres des composantes spectrales sont calculés et utilisés pour
66
générer une forme d'onde modulée pour chaque configuration d’eNodeB. Pour permettre la
combinaison de formes d'ondes modulées, il doit être rééchantillonné avec un taux d'échantillonnage
commun. Les composantes spectrales modulées sont combinées pour créer une forme d'onde
agrégée.
Les données de paramétrage pour chaque script sont à entrer manuellement sur la fenêtre de
commande de MATLAB affectant l’allure de la courbe tracée et les valeurs de sorties du graphe.
5.4.1 Simulation de deux composantes spectrales contiguës de bande passante différente
Nous allons effectuer une modélisation de la CA de la technologie LTE-Advanced dont la première
composante spectrale a une bande passante de 10MHz (NDLRB = 50) et la deuxième composante
spectrale a une bande passante de 20MHz (NDLRB = 100). Les paramètres des composantes sont
configurés comme suit :
- Composante spectrale 1:
bord inférieure de la bande: -13,9575 MHz
bord supérieur de la bande: -4,9425MHz
- Composante spectrale 2:
bord inférieure de la bande: -4,0575 MHz;
bord supérieur de la bande: 13,9575 MHz.
Pour un taux d'échantillonnage commun pour le signal agrégé, le facteur de suréchantillonnage
requis pour chaque composante spectrale OSRs sera calculé et on aura :
Taux de d'échantillonnage à la sortie: 61 Ms / s
Deux largeurs de bande à porteuse unique sont visibles dans le spectre, la fréquence centrée
inférieure -9,45MHz et la fréquence centrée supérieure 4,95MHz.
67
La figure 5.02 ci-après montre l’aspect de la Carrier Aggregation dont la première composante
spectrale a une bande passante de 10 Mhz et la seconde a une bande passante de 20 Mhz.
Figure 5.02 : Puissance du spectre asymétrique de la Carrier Aggregation avec la CC 1 à 10 Mhz
et la CC 2 à 20 Mhz
5.4.2 Simulation des composantes spectrales intra-bandes contiguës
A partir des différents cas pour démontrer la performance de LTE-Advanced, les cas suivants sont
choisis pour montrer la principale amélioration de la performance de la technologie LTE-Advanced
après l'augmentation de la bande passante. Les résultats suivants sont obtenus après l’application de
la Carrier Aggregation avec différentes bandes passantes (60MHz, 80MHz et 100MHz).
68
5.4.2.1 CAS 1 :
Premièrement, la liaison descendante du LTE-A est définie pour supporter la C.A à bande passante
de 60 Mhz avec au plus deux composantes spectrales. La figure 5.03 nous montre que chaque
composante spectrale a une bande passante de 20 Mhz.
Figure 5.03 : Puissance du spectre symétrique de la Carrier Aggregation avec la CC 1 à 20 Mhz
et la CC 2 à 20 Mhz
- Composant Carrier 1:
bord inférieure de la bande: -18.9075 MHz
bord supérieur de la bande: -0.8925 MHz
- Composant Carrier 2:
bord inférieur de la bande: 0.8925 MHz
bord supérieur de la bande:18.9075 MHz
69
5.4.2.2 CAS 2:
En second lieu, pour augmenter le débit du système, nous allons utiliser trois composantes spectrales
avec une bande passante de 20Mhz chacune. La figure 5.04 nous montre l’allure des trois
composantes spectrales.
Figure 5.04 : Puissance du spectre de la Carrier Aggregation avec la CC 1 à 20 Mhz, la CC 2 à
20 Mhz, la CC 3 à 20Mhz
- Composant Carrier 1:
bord inférieure de la bande: -28.8075 MHz
bord supérieur de la bande: -10.7925 MHz
- Composant Carrier 2:
bord inférieure de la bande: -9.0075 MHz
bord supérieur de la bande: 9.0075 MHz
70
- Composant Carrier 3:
bord inférieur de la bande: 10.7925 MHz
bord supérieur de la bande: 28.8075 MHz
Taux de suréchantionnage : 122.8800 Ms/s
5.4.2.3 CAS 3:
La figure 5.05 suivante montre qu’on a besoin de quatre composantes spectrales pour avoir un
système utilisant une bande passante égale à 100 Mhz pour la Carrier Aggregation.
Figure 5.05 : Puissance du spectre de la Carrier Aggregation avec la CC 1 à 20 Mhz, la CC 2 à
20 Mhz, la CC 3 à 20Mhz, la CC 4 à 20 Mhz
- Composant Carrier 1:
bord inférieure de la bande: -38.7075 MHz
bord supérieur de la bande: -20.6925 MHz
71
- Composant Carrier 2:
bord inférieure de la bande: -18.9075 MHz
bord supérieur de la bande: -0.8925 MHz
- Composant Carrier 3:
bord inférieure de la bande: 0.8925 MHz
bord supérieur de la bande: 18.9075 MHz
- Composant Carrier 4:
bord inférieur de la bande: 20.6925 MHz
bord supérieur de la bande: 38.7075 MHz
5.4.3 Simulation de l’augmentation du débit par l’augmentation de la bande passante
5.4.3.1 Calcul du débit par nombre de composante spectrale
L'OFDM permet de transporter les données entre deux points en utilisant des fréquences pour ne
pas dégrader entièrement un message.
Le LTE regroupe un bloc de données à transmettre en 12 bandes de 15 kHz (technique OFDM). Un
bloc élémentaire en LTE utilise donc un spectre de 12*15kHz=180 kHz.
On l'appelle Bloc Ressource ou RB, les 12 bandes de 15 kHz
Le LTE est scalable, il permet d'exploiter des largeurs de bande de 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10
MHz, 15 MHz et 20 MHz
Une ressource bloc correspond à une bande de 180 kHz, si la communication utilise :
une bande de 1,4 MHz, alors 6 RB peuvent être exploitées
une bande de 3 MHz, alors 15 RB peuvent être exploitées
une bande de 5 MHz, alors 25 RB peuvent être exploitées
une bande de 10 MHz, alors 50 RB peuvent être exploitées
une bande de 15 MHz, alors 75 RB peuvent être exploitées
une bande de 20 MHz, alors 100 RB peuvent être exploitées
a. Trame LTE
Une trame LTE dure 10 ms. Elle est découpée en 10 sous trames d'une durée de 1 ms. Chaque Sous
trame est divisée en deux slots de 0,5ms. Un slot dure donc 0,5 ms, durée pendant laquelle est
transmis 7 symboles par bande OFDM. Or, nous avons vu qu'il y avait 12 bandes.
72
Par conséquent, 7 symboles *12 bandes = 84 symboles sont transmis en 0,5 ms
b. Technique de la multi-antenne
Le LTE-Advanced utilise des multi-antennes pour permettre une transmission à haut débit.
On peut utiliser les techniques de multi-antennes :
2×2 MIMO
4×4 MIMO
8×8 MIMO
5.5.3.2 Le rapport entre le débit et la bande de fréquence
A partir des principaux cas du système précédemment, nous allons démontrer que l’augmentation
de la bande passante de 60 MHz à 100 MHz, nous permet d'augmenter le débit de 300Mbps à
1682Mbps comme le montre la figure 5.06.
Figure 5.06 : Comparaison entre le débit et la bande passante
73
Bande de fréquence
[MHz] 20 40 60 80 100
Débit [Mbps] 336,45 672,9 1009,36 1345,82 1682,28
Tableau 5.01 : Valeurs du débit par rapport à la bande de fréquence
5.5 Conclusion
Les principaux composants de la technologie LTE-Advanced ont été répertoriés dans ce chapitre.
Le débit pic théorique de LTE-Advanced peut même atteindre jusqu'à 1 gigabit par seconde. La
technologie. La Carrier Aggregation aide le réseau à atteindre des débits de données pic plus élevée
et passées à une meilleure couverture pour des débits de données moyens. Pour cela, il utiliserait
des taux inférieurs de code qui permettrait de réduire la puissance de transmission et les
interférences. La conception et la mise en œuvre de la technologie LTE-A qui prend en charge une
bande passante plus large jusqu'à 100 MHz est fait en utilisant le programme MATLAB dans ce
chapitre pour améliorer augmenter le débit de données et le débit crête du système. Le LTE-
Advanced offre des débits plus élevés que le LTE release 8 et même que l'efficacité spectrale a été
modifiée. Par conséquent, la conception de la composante spectrale contiguë est utilisée pour
augmenter la bande passante pour supporter de 80 MHz à 100 MHz et ainsi obtenir un débit plus
élevé. Le principal résultat de cette simulation est l’augmentation du débit du système en
augmentant le nombre de composantes spectrales.
74
CONCLUSION GENERALE
La technologie LTE s’avère être une grande innovation apportée aux réseaux cellulaires. Sa
performance a été aperçu par la manifestation du débit de données allant jusqu’à 450 Mbps.
Cependant, le développement du LTE-Advanced a encore permis d’atteindre de très haut débits
pouvant aller jusqu’à 1Gbps.
Les nouvelles fonctionnalités du LTE-Advanced ont permis cette performance sur le débit. Parmi
celles-là, il faut tenir compte d’introduction de la Carrier Aggregation. Ce qui nous a emmené à
s’intéresser de l’impact de la Carrier Aggregation sur le débit en liaison descendante du réseau LTE.
Pour cela, nous nous basons sur les débits de données du réseau LTE recueillis lors des drive-tests
sur la ville d’Antananarivo et par la suite, voir l’optimisation à faire pour permettre d’atteindre les
débits de données d’un réseau LTE-Advanced.
L’application de la technique Carrier Aggrégation est fondamentale pour permettre au réseau LTE
d’atteindre les critères du réseau LTE-Advanced. Cette technique permet d’agréger deux à cinq
porteuses de 1,4MHz à 20 Mhz sur une même bande de fréquence ou sur différentes bandes de
fréquence.
Enfin, nous avons simulé des modélisations du signal LTE-Advanced en liaison descendant après
agrégation des porteuses. Nous avons appliqué la Carrier Aggregation intra-bande contiguë au
signal LTE. Ainsi, l’amélioration et l’augmentation du débit de données ont été concrètement
obtenues.
Notre étude a été faite sur la liaison descendante du signal LTE-Advanced pour permettre de
comprendre l’augmentation du débit de données par la technique Carrier Aggregation. Cependant,
il est nécessaire de prendre en compte que les autres fonctionnalités introduites dans la technologie
LTE-Advanced sont nécessairement utilisés pour faciliter aux utilisateurs d’atteindre le très haut
débit.
75
ANNEXE 1
L’EVOLUTION DES RESEAUX CELLULAIRES
A1.1 Norme GSM
La norme GSM est un système cellulaire de transmission numérique. Le réseau GSM a pour rôle
essentiellement de permettre des communications entre abonnés mobiles (GSM) et abonnés du
réseau téléphonique commuté (RTC ou réseau fixe). Le GSM qui a fait une rupture avec les
systèmes cellulaires analogiques, utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz et utilise
la technique de multiplexage F-TDMA ce qui offre un multiplexage temporel et fréquentiel à la fois.
Le réseau GSM comporte les 3 sous-ensembles :
Le Sous-Système Radio BSS : responsable d’assurer et gérer les transmissions radios. Une
station mobile est un terminal de données qui transmet et reçoit des messages du réseau. La
«Base Transceiver Station» ou (BTS)»représente l’ensemble d’émetteurs et de récepteurs fixes.
Elle a pour rôle d’échanger des messages avec les stations mobiles présentes dans la cellule
qu’elle contrôle. Nous trouvons aussi le contrôleur de station de base nommé «Base Station
Controller » ou (BSC). Il communique avec une ou plusieurs BTS [23].
Figure A1.01:Le Sous-Système Radio [23]
Le Sous-Système Réseau NSS : comporte l’ensemble des fonctions nécessaires pour les
appels et la gestion de la mobilité .On trouve le commutateur du réseau «Mobile Switching
Centre» ou (MSC) qui a pour rôle le contrôle de la BSC .D’une part, il permet
76
l’interconnexion entre un réseau GSM et un réseau téléphonique public interconnecte un
réseau GSM avec le réseau téléphonique public RTCP/RNIS, D’autre part, il présente
l’interface des bases de données du réseau GSM avec le sous-système radio. Ces bases de
données enregistrent la localisation des abonnés. A ce niveau, on trouve les entités :
VLR «Visitor Location Register» : Une base de données représentant l’enregistreur
des visiteurs.
HLR «Home Location Register» : Une base de données contenant les informations
relatives à chaque utilisateur (abonné) à savoir l’IMSI et l’IMEI.
AUC «Authentification Centre» : Une base de données qui permet
l’authentification des demandes de services
En effet, quand cet abonné demande l’accès à un service, un équipement du réseau qui veut contrôler
la validité des privilèges du demandeur interroge le HLR de l’abonné. Le HLR d’un abonné contient
des informations permanentes. En revanche, un VLR enregistre les informations temporaires,
relatives à une station mobile. [23]
Figure A1.02:Le Sous-Système d'Acheminement [23]
Le Sous-Système d’Exploitation et de Maintenance OSS : permet à l’opérateur d’exploiter
et de contrôler son réseau. équipements (OMC, EIR et AUC) assurent ensemble
l’administration du réseau. L’OMC est responsable de la gestion du rendement, la gestion
de la sécurité, et les opérations de maintenance. L’EIR est une base de données qui peut être
77
consultée lors des demandes de services d’un abonné pour vérifier que le terminal utilisé est
autorisé à fonctionner sur le réseau. L’AUC est une base de données qui permet
l’authentification des demandes de services. [23]
Figure A1.03:Le Sous-Système d'Exploitation et de Maintenance [23]
A1.2. Le standard General Packet Radio Service
A1.2.1. L’apport de la technologie GPRS
Cette technologie étend l’architecture de la norme GSM et permet un transfert de données à un débit
plus élevé tout en optimisant l’utilisation des ressources. La technologie GPRS donne la possibilité
d’atteindre un débit maximal théorique de 171,2 Kbit/s ce qui correspond pour l’utilisateur à un
débit maximal de 114 Kbit/s dans les conditions optimales.
Donc la mise en place d'un réseau GPRS permet à un opérateur de proposer de nouveaux services
de type data avec un débit de données 5 à 10 fois supérieur au débit maximum théorique d'un réseau
GSM.
Le GPRS spécifie une technique de transmission en mode paquet qui immobilise le canal de
communication. Cet action donne la possibilité d’avoir une connexion permanente et une facturation
à la donnée ce qui présente un avantage non négligeable pour l’utilisateur qui peut rester connecté
sans surcoût et ne paye que le coût du volume échangé de données le contraire de GSM où
l’utilisateur est facturé par le temps de connexion ainsi il paye même s’il ne consomme pas la
capacité du réseau. [23]
78
A1.2.2. Architecture Matérielle du GPRS
L’intégration du GPRS nécessite l’ajout de quelques équipements et des mises à jour aux entités
du réseau GSM pour que l’ancien réseau accepte l’intégration de la nouvelle technologie tout en
conservant ses fonctionnalités. La figure ci-dessous présente une architecture de la norme GPRS.
Figure A1.04 : Architecture du Réseau GPRS [23]
Comme la figure A1.04 le présente, il existe coté NSS un réseau de commutation de paquets en
parallèle du réseau de commutation de circuit. Pour cela on ajoute deux entités (SGSN et GGSN).
Le SGSN est le dual paquet du MSC/VLR circuit. Il est connecté au BSS et à des SGSN et GGSN
voisins. Le SGSN joue le même rôle réalisé par le VLR dans la gestion de mobilité. En effet, il
s’occupe aussi de la compression et cryptage des données. Pour le GGSN il s’agit d’un nœud
d’interfonctionnement entre le réseau de données extérieur et le réseau mobile de transfert de
paquets. [23]
A1.3. La technologie Enhanced Data rates for GSM Evolution
L’EDGE peut être considéré comme une amélioration du GPRS. Les opérateurs font le recours à
cette technologie car la norme UMTS les oblige à déployer un autre réseau physique et donc des
investissements très lourdes. L'EDGE présente l'avantage de pouvoir utiliser les infrastructures déjà
déployées contrairement à l'UMTS.
79
L’EDGE est mis en place afin d’accroître la capacité des données par rapport au GPRS. La vitesse
de transfert de données pour un réseau EDGE peut théoriquement atteindre un débit maximum de
384 Kbps contre seulement 114 Kbps pour un réseau GPRS.
Même avec l’introduction du GPRS et EDGE, le débit pratique dans des conditions optimales ne
passe pas les 120 Kbit/s ce qui ne pas correspond aux attentes des utilisateurs .Pour cela les
opérateurs se trouvent obligés à sacrifier financièrement et installer le réseau de troisième
génération.
A1.4. Téléphonie à mode paquet à haut débit
L’UMTS ou 3G est une norme pour les réseaux mobiles permettant de fournir aux utilisateurs une
meilleure qualité de service. L’UMTS est capable d’offrir de nouvelles applications multimédias et
des services à valeur ajoutée telle que la visiophonie et internet à haut débit. L’UMTS utilise des
fréquences plus élevées que le standard 2G. L’UMTS occupe les bandes passantes : 1885-2025MHz
et 2110-2200MHz. [25]
A1.4.1. Architecture de l’ UMTS Terrestrial Radio Access Network
Le réseau UMTS possède une architecture flexible et modulaire. L’architecture illustrée à la figure
8, est composée de trois entités qui sont l’équipement de l’usager(UE), le réseau d’accès radio
(UTRAN) et le réseau cœur (CN). En effet, chaque équipement doit réaliser une fonction bien
déterminée dans le réseau, alors que des interfaces d’échange, notés par Uu et Iu, assurent les
échanges et la communication entre les différentes entités du réseau.
Figure A1.05 : Architecture du Réseau UMTS [26]
80
A1.4.2. Le domaine User Equipement
Il comprend tous les équipements terminaux et permet l’accès à l’infrastructure du réseau et à ses
services par le biais de l’interface Uu.
A1.4.3.UMTS Terrestrial Radio Access Network
Il fournit les ressources radio et les mécanismes nécessaires à l’UE pour accéder au CN. Il permet
la maintenance et la libération des canaux radio entre le terminal et le réseau cœur CN et la gestion
de ressources radio. L’UTRAN est composé d’un ensemble de sous-systèmes nommés RNC et de
plusieurs stations de base appelé Node B.
NodeB : il a comme rôle la transmission et la réception d’informations entre l’UTRAN et
un ou plusieurs équipements usagers. Les UEs sont connectés au Node B via l’interface Uu,
qui assure la connexion radio. Le Node B s'occupe de la transmission et de la réception du
signal radio, de la modulation/démodulation, du codage de canal et l'adaptation du débit de
transmission.
RNC: Il assure essentiellement le routage des communications entre les Nodes B et le réseau
cœur d’une part et le contrôle et la supervision des Nodes B d’autre part par le biais de
l’interface IuB. [24]
A1.4.4. Réseau Cœur ou Core Network
Le CN assure la connexion entre les différents réseaux d’accès radio d’une part et les autres réseaux
externes d’autre part tels que RTCP et les réseaux Internet. Sa principale fonctionnalité est la
commutation et le routage des données utilisateurs vers la destination correspondante, la gestion de
la mobilité, de l’authentification, de la sécurité des échanges, de la taxation et de signalisation entre
les terminaux mobiles et les réseaux distants via l’interface radio. Dans le rôle d'acheminement, le
réseau cœur se compose de serveurs et de passerelles qui se divisent entre deux sous-systèmes
principaux: le domaine CS et le domaine PS.
A1.5. High Speed Downlink Packet Access
HSPDA High Speed Downlink Packet Access) ou encore 3.5G ou le 3G+ présente une norme
évoluée du standard UMTS. En effet, ce protocole pour la téléphonie mobile offre des performances
dix fois supérieures à la 3G.Cette évolution basée essentiellement sur la technologie WCDMA
permet à un utilisateur de télécharger à des débits théoriques de 1,8 Mbit/s ; 3,6 Mbit/s ; 7,2 Mbit/s
et 14,4 Mbit/s. Donc, il s’agit d’une amélioration qui offre des occasions de téléchargement à des
81
très hauts débits de telle façon qu’on peut atteindre un débit de téléchargement qui dépasse 7,2
Mbit/s avec la Release7. [27]
A1.6.HSUPA
HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) est une norme de haut-débit mobile de troisième
génération dont les standards ont été définies et diffusés par le 3GPP dans la sixième édition du
référentiel UMTS (Release 6 de l’UMTS). HSUPA présenté comme un successeur de la technologie
HSPDA, vient d’améliorer le débit sur la voie montante (Uplink) qui peut atteindre à ce niveau 5,8
Mbit/s alors que le débit descendant (Downlink) reste le même que celui de son prédécesseur
(HSPDA) qui atteint 14 Mbit/s [27].
82
ANNEXE 2
LES CRITERES DE CONCEPTION DU LTE-ADVANCED SELON LE 3GPP ET L’UIT-R
Type de critère Configuration
MIMO Cibles 3GPP
Exigences de
l’UIT-R
Amélioration
requise par
l’IMT-
Advanced
Largeur de bande gérée N/A Jusqu’à 100Mhz 40 Mhz Agrégation de
porteuses
Efficacité
spectrale crête
(bit/s/Hz)
DL N/A 30 (MIMO 8×8) 15 (MIMO
4×4)
UP N/A 15 (MIMO 4×4) 6,75 (MIMO
2×4)
Introduction du
SU-MIMO en
UL
Efficacité
spectrale
cellulaire
(bit/s/Hz/cellule)
DL
2×2 2,4 Amélioration du
MIMO DL,
notamment du
MU-MIMO
4×2 2,6 2,2
4×4 3,7
UP 2×4 2,0 1,4
Efficacité
spectrale en
bordure de
cellule (pour 10
UE par cellule)
(bit/s/Hz/UE)
DL
2×2 0,07 Amélioration du
MIMO DL
notamment en
SU-MIMO
4×2 0,09 0,06
4×4 0,12
UP 2×4 0,07 0,03
Tableau A2 .01 : Critères de conception du LTE-Advanced [13]
83
ANNEXE 3
MODULATION AND CODING SCHEME EN LTE
MCS
Voie descendante
Voie montante
Modulation Rendement
du codage
cible
Efficacité
spectrale
cible
(bit/symbole)
Modulation Rendement
du codage
cible
Efficacité
spectrale
cible
(bit/symbole)
0 QPSK 0,12 0,23 QPSK 0,10 0,20
1 QPSK 0,15 0,31 QPSK 0,13 0,25
2 QPSK 0,19 0,38 QPSK 0,16 0,31
3 QPSK 0,25 0,49 QPSK 0,20 0,41
4 QPSK 0,30 0,60 QPSK 0,25 0,50
5 QPSK 0,37 0,74 QPSK 0,31 0,62
6 QPSK 0,44 0,88 QPSK 0,37 0,73
7 QPSK 0,51 1,03 QPSK 0,43 0,86
8 QPSK 0,59 1,18 QPSK 0,49 0,98
9 QPSK 0,66 1,33 QPSK 0,55 1,11
10 16QAM 0,33 1,33 16QAM 0,62 1,23
11 16QAM 0,37 1,48 16QAM 0,31 1,23
12 16QAM 0,42 1,69 16QAM 0,35 1,41
13 16QAM 0,48 1,91 16QAM 0,40 1,60
14 16QAM 0,54 2,16 16QAM 0,45 1,80
15 16QAM 0,60 2,41 16QAM 0,50 2,01
16 16QAM 0,64 2,57 16QAM 0,54 2,14
17 64QAM 0,43 2,57 64QAM 0,57 2,28
18 64QAM 0,46 2,73 64QAM 0,63 2,52
19 64QAM 0,50 3,03 64QAM 0,69 2,77
20 64QAM 0,55 3,32 64QAM 0,75 3,01
21 64QAM 0,60 3,61 64QAM 0,50 3,02
22 64QAM 0,65 3,90 64QAM 0,54 3,25
23 64QAM 0,70 4,21 64QAM 0,59 3,51
24 64QAM 0,75 4,52 64QAM 0,63 3,77
25 64QAM 0,80 4,82 64QAM 0,67 4,02
26 64QAM 0,85 5,11 64QAM 0,71 4,26
27 64QAM 0,89 5,33 64QAM 0,74 4,45
28 64QAM 0,93 5,55 64QAM 0,77 4,63
Tableau A3.01 : Les 29 MCS utilisées en LTE [4]
84
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- ESPA, AU : 2014-2015
87
FICHE DE RENSEIGNEMENT
Nom: RATOVONANTOANDRO
Prénoms : Sandy Mialisoa
Adresse de l’auteur : Lot S35 Mandikanamana Alasora
Antananarivo
Titre du mémoire :
« OPTIMISATION ET ETUDES DE LA PERFORMANCE DU RESEAU LTE PAR
L’UTILISATION DE LA ʺ CARRIER AGGREGATIONʺ »
Nombre de pages : 89
Nombre de tableaux : 6
Nombre de figures : 43
Directeurs de mémoire :
Nom : RAKOTONDRAINA
Prénoms : Tahina Ezéchiel
Grade : Maître de conférences
Tel : 034 19 082 00
E-mail : [email protected]
Nom : RAVALIMINOARIMALALASON
Prénoms : Toky Basilide
Grade : Assistant
Tel : 034 00 164 33
E-mail : [email protected]
RESUME
Apporter une révolution dans le domaine de la technologie de communication sans fil en fournissant
des débits allant jusqu'à 1Gbps est le but de la technologie LTE-Advanced. Une caractéristique clé
de l'amélioration de la technologie LTE-A est l'extension de la bande passante par l'utilisation de la
technologie multi-porteuse pour soutenir le déploiement d'une bande passante de 100MHz. Pour
atteindre cette innovation dans les systèmes mobiles IMT-Advanced, la technologie de la Carrier
Aggregation par le 3GPP a été introduite pour soutenir les transmissions à très haut débit sur une
large bande de fréquence dans les nouvelles normes du LTE-Advanced. Par ailleurs, des paramètres
des composantes spectrales et des facteurs de suréchantillonnage ont été trouvés en utilisant les
paramètres de puissance de spectre. Le principal résultat de notre recherche est l’augmentation du
débit du système par l’augmentation croissante du nombre de composantes spectrales ou par
l’augmentation de la bande.
Mots-clés : LTE-Advanced, Carrier Aggregation, débit, E-UTRAN, KPI
ABSTRACT
Bring a revolution in the field of wireless communications technology providing data rates up to
1Gbps is the aim of the LTE-Advanced technology. A key feature of the improvement of the LTE-
A technology is the extension of bandwidth through the use of multi-carrier technology to support
the deployment of a bandwidth of 100MHz. To achieve this inovation in mobile IMT-Advanced the
Carrier Aggregation technology by 3GPP was introduced to support transmissions at very high
speed over a wide frequency band in the new LTE-Advanced standards. Moreover, the parameters
of the Components Carriers and oversampling factors were found using spectrum power settings.
The main result of our research is the increase in system throughput by increasing the increase of
spectral components or by increasing the bandwidth.
Keywords: LTE-Advanced, Carrier Aggregation, throughput, E-UTRAN, KPI