Etude, analyse et optimisation de la capacité et la qualité de service de réseau 4G-LTE

MEMOIRE Présenté pour l’obtention du diplôme de MASTER

En : Télécommunications

Spécialité : Réseaux et Télécommunications

Les besoins des utilisateurs dans la téléphonie mobile ont vu de nombreux rebondissement au début des années 70. L’objectif était d’avoir un moyen de télécommunication sans fil fiable capable de transmettre la voix d’un point donné à un autre, en effet après des recherches approfondies qui ont abouti à la première génération de la téléphonie mobile qui est la téléphonie analogique utilisée uniquement pour passer les appels traditionnels. Après ce premier pas, les besoins ont changé et on a pensé à améliorer la qualité de services ; donc on a digitalisé cette première technique pour avoir une nouvelle technologie qui est la 2G en 1989 (dont on a le GSM, le GPRS, et l’EDGE), après vient la 3G qui s’appuie sur la norme UMTS basée sur la technologie W-CDMA et qui offre un débit plus rapide que la 2G, ensuite, nous avons la 4G qui sera le nœud de notre mémoire, et enfin, vient le futur réseau 5G qui sera déployer à partir de 2020. Notre mémoire aura comme but d’étudier et d’analyser les différentes technologies influentes sur la capacité et la qualité de service de réseau 4G LTE en utilisant le logiciel de planification et d’optimisation des réseaux cellulaires « Atoll », afin d’avoir le choix optimal pour obtenir une meilleure capacité et une bonne qualité de service. La capacité dans LTE ne se limite pas seulement au nombre de communications téléphoniques, qui peuvent être maintenues simultanément par une même cellule, mais elle se matérialise par le nombre d’utilisateurs pouvant être connectés simultanément et par le débit total maximal pouvant être écoulé par une cellule fortement chargée.

Evolution des réseaux de télécommunication cellulaires

Dès les années 80, l’évolution technologique voit l’apparition sur le marché des systèmes de téléphonie mobile, qui permettent à leurs abonnés d’appeler et être appelés sans dépendre d’une ligne fixe et de poser pour la première fois la question « devine d’où je t’appelle ». Le développement des réseaux mobiles n’a pas cessé d’accroitre, plusieurs générations ont vues le jour (1G, 2G, 3G, 4G et prochainement la 5G qui sera déployer à partir de 2020) et ont connues une évolution remarquable, en apportant un débit exceptionnel qui ne cesse d’augmenter, une bande passante de plus en plus large et un des avantages d’une telle bande passante est le nombre d’utilisateur pouvant être supportés.

Evolution des réseaux cellulaires 

Avant d’expliquer l’état actuel des technologies utilisées aujourd’hui, il nous semble intéressant de rappeler l’évolution des réseaux cellulaires, cela a pour avantage de savoir de quoi nous sommes partis pour mieux se positionner à l’heure actuelle. La communication mobile a beaucoup évolué en quelques décennies , dans qui viennent par le biais de diverses générations de dispositifs et réseaux compatibles avec les nouvelles
normes de télécommunication.

Etat de l’art de réseau 4G/LTE

Les téléphones cellulaires sont en progression constante. Ils sont utilisés non seulement pour les communications vocales, mais également, grâce aux avancées technologiques, pour la partie vision, dans le partage d’applications et même comme modems sans fil ou navigateurs web. Dans le début des années 2000, plusieurs opérateurs mobiles et équipementiers télécomset organisations se sont réunies dans le but de développer un réseau de mobile, dit nouvelle génération, basée sur la 3G et appelée LTE (Long Term Evolution). Le principal avantage de ce nouveau standard, est de permettre des débits pouvant aller jusqu’à 1 Gigabit/s en vitesses fixes (stable), et 100 Mbit/s pour les utilisateurs mobiles.

L’Objectif de la 4G/LTE

La 4G 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.

Architecture du système LTE

L’architecture générale du système LTE est montrée sur la figure II-1, le réseau LTE est composé de deux entités principales : le réseau d’accès radio terrestre universel évolué (EUTRAN) qui est le réseau d’accès radio pour l’EU, et le cœur de paquets évolué (EPC) qui est le cœur du réseau. L’architecture du réseau cœur est aussi désignée par, évolution d’architecture de service (SAE), et la combinaison de l’EUTRAN et de l’EPC est aussi appelée système paquet évolué (EPS) [14].

Equipement Utilisateur (UE)

En LTE, l’UE communique avec l’E-UTRAN et l’EPC en utilisant les protocoles appropriés la communication du plan utilisateur se termine au niveau de l’eNodeB et supporte tous les protocoles afférents au plan utilisateur. Dans le côté plan de contrôle, l’UE communique avec l’eNodeB et le MME à travers les protocoles RRC et NAS respectivement. Pour pouvoir supporter différentes capacités matérielles, différents équipements utilisateurs (UE) sont définis (Tableau II.1). Les catégories sont différenciées selon le débit maximal, supporté, des données dans les deux liaisons montante et descendante. En plus le nombre maximale de couches de données (ou flux de données) diffère selon la catégorie de l’UE. Par exemple, le débit maximal pour la catégorie 1 pour les deux liaisons descendante et montante est approximativement de 10 et 5 Mbps respectivement.

Réseau d’accès E-UTRAN 

L’E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) désigne le réseau d’accès à la LTE, il a une architecture horizontale vu que les contrôleurs des stations de base ont été supprimés ; il est composé de stations de base nommées eNodeB, d’antennes radio et des liaisons de transmission (en fibre optique, en cuivre ou en faisceaux hertziens).

eNodeB 

L’eNodeB joue le rôle du NodeB et du RNC (Radio Network Control) dans les réseaux UMTS. Cela permet de réduire le délai d’accès et de simplifier la fonction d’opération et de maintenance du réseau. L’eNodeB est responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE. Il a pour responsabilité de gérer les tâches suivantes :

• Gestion des ressources radio (RRM).
• Contrôle du porteur radio.
• Contrôle de l’admission radio.
• Contrôle de la connexion en mobilité.
• Ordonnancement de l’UE (UL et DL).
• Sécurité en accès strate (AS).
• Effectuer les mesures comme une base pour l’ordonnancement et la gestion de lamobilité.
• Compression de l’en-tête IP.
• Le cryptage des données utilisateur.
• Routage des données utilisateur entre eNodeB et S-GW.
• Traitement de la pagination originaire du MME.
• Traitement des messages de diffusion originaires du MME et du système d’opérations et de maintenance (OMS).
• Sélection de l’élément MME dans le cas où l’UE ne fournit pas cette information.
• Traitement des messages PWS, incluant ETWS et CMAS.
Les eNodeBs sont reliés entre eux par une interface X2 .

✦ L’interface X2 : c’est une interface logique. Elle est introduite dans le but de permettre aux eNodeBs d’échanger des informations de signalisation durant le Handover ou la signalisation, sans faire intervenir le réseau cœur.

Les eNodeBs sont reliés au cœur du réseau à travers l’interface S1.

✦ L’interface S1 : c’est l’interface intermédiaire entre le réseau d’accès et le réseau cœur. Elle peut être divisée en deux interfaces élémentaires : Cette dernière consiste en S1-U(S1- Usager) entre l’eNodeB et le SGW et S1-C(S1-Contrôle) entre l’eNodeB et le MME.

Mot clé : 4G, LTE, Capacité, OFDM, MIMO, AMC, Qualité de service, Quantification, Optimisation, Nombre d’utilisateurs.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Evolution des réseaux de télécommunications cellulaires
I.1 Introduction
I.2 Evolution des réseaux cellulaires
I.2.1 La première génération (1G)
I.2.2 La deuxième génération (2G)
I.2.2.1 Le réseau GSM
I.2.2.2 Réseau GPRS (2.5 G)
I.2.2.3 Réseau EDGE (2.75)
I.2.3 La troisième génération des réseaux mobiles
I.2.3.1 Le réseau UMTS
I.2.3.2 Le HSPA
I.2.3.3 Le HSPA+
I.2.4 La quatrième génération
I.2.4.1 Réseau LTE
I.2.4.2 Le réseau LTE-A
I.2.5 La cinquième génération
I.3 Conclusion
Chapitre II : Etat de l’art de réseau 4G/LTE
II.1 Introduction
II.2 L’Objectif de la 4G/LTE
II.3 Architecture du système LTE
II.3.1 Equipement Utilisateur (UE)
II.3.2 Réseau d’accès E-UTRAN
I.3.2.1 eNodeB
II.3.3 Réseau cœur EPC (Evolved Packet Core)
II.4 La couche physique
II.4.1 Les bandes de fréquences
II.4.2 La structure de multiplexage
II.4.2.1 La structure de la trame de type 1
II.4.2.2 La structure de la trame de type 2
II.4.3 La modulation
II.4.3.1 La modulation 16-QAM
II.4.3.2 La modulation 64-QAM
II.4.3.3 La modulation QPSK
II.4.4 Les types de transmission utilisée dans la 4G
II.4.5 LTE MIMO (Multiple Input Multiple Output)
II.4.6 Les canaux radio
II.4.6.1 Les canaux logiques
II.4.6.2 Les canaux de transport
II.4.6.3 Les canaux physiques
II.5 Le Handover dans LTE
II.6 Conclusion
Chapitre III : Etude de la capacité et la QOS dans les réseaux LTE
III.1 Introduction
III.2 Etat d’art de la capacité dans le réseau LTE
III.2.1 Capacité en nombre d’utilisateurs
III.2.2 Dimensionnement de capacité
III.2.2.2 Calcul dimensionnement de capacité Downlink (DL)
III.3 La qualité de service dans le réseau LTE
III.3.1 Définition
III.3.2 But de la QoS
III.3.3 Paramètres de la QoS
III.3.3.1 Le débit
III.3.3.2 La perte de paquets
III.3.3.3 Le délai de transit (latence)
III.3.3.4 La gigue
III.3.3.5 La bande passante
III.3.3.6 Priorité des paquets
III.3.4 Les informations utilisées pour assurer la QoS
III.3.5 Qualité de service dans le réseau 4G
Conclusion générale

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