Généralités de la technologie LTE

Généralités de la technologie LTE

L’idée et le projet pour développer la technologie LTE sont menés par l’organisme de standardisation 3GPP visant à rédiger les normes techniques de la future quatrième génération en téléphonie mobile. Cette technologie a comme but de permettre le transfert de données à très haut débit, avec une portée plus importante, un nombre d’appels par cellule supérieur (zone dans laquelle un émetteur mobile peut entrer en relation avec des terminaux) et un temps de latence plus faible. En théorie, elle permet d’atteindre des débits de l’ordre de 50 Mb/s en lien ascendant et de 100 Mb/s en lien descendant, de partager entre les utilisateurs mobiles à l’intérieure d’une même cellule. Pour les opérateurs (qui ont la partie la plus importante pour supporter cette technologie), LTE implique de modifier le cœur du réseau et les émetteurs radio. Il faut également développer des terminaux mobiles adaptés.

En termes de vocabulaire informatique, le futur réseau s’appelle EPS (Evolved Packet System). Il est combiné du nouveau réseau appelé LTE (Long Term Evolution) et du nouveau réseau central appelé SAE (System Architecture Evolution).

Caractéristique de la technologie LTE (4G)

L’émergence du LTE n’est due surement pas à un coup du hasard mais bien au contraire, à plusieurs facteurs techniques et industriels qui ont poussé cette technologie à naître, on parle alors des motivations pour l’introduction du LTE. Ces dernières se résument en ces points :

Augmentation de la capacité 

Le terme capacité est dédié à une cellule d’un réseau mobile quelconque et traduit le trafic maximal (soit en nombre d’appels simultanés ou transmission de données par plusieurs utilisateurs en même temps) que la cellule peut écouler en situation de forte charge au cours d’une période donnée. En LTE. 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.
– Qu’au moins 400 utilisateurs simultanés par cellule soient acceptés à l’état actif pour des largeurs de bande supérieures à 5 MHz.

Augmentation du débit 

L’évolution des débits suit celle de la capacité, chaque nouvelle technologie de réseaux mobiles augmentant les débits et suscitant une attente de débits supérieurs. Les objectifs de débit maximal définis pour le LTE sont les suivants :
– 100 Mbps en voie descendante pour une largeur de bande allouée de 20 MHz, soit une efficacité spectrale de 5 bps/Hz.
– 50 Mbps en voie montante pour une largeur de bande allouée de 20 MHz, soit une efficacité spectrale de 2.5 bps/Hz.

Diminution de la latence

La latence est définie comme étant la capacité d’un système à réagir rapidement aux demandes et requêtes des utilisateurs. Une latence forte limite l’interactivité du système et s’avère pénalisante pour l’usage de certains services de données. On distingue deux types de latence :
– La latence du plan de contrôle : Elle représente le temps nécessaire pour établir une connexion et à accéder au service. L’objectif du LTE est d’améliorer cette dernière en visant un temps de transition inférieur à 100 ms entre un état de veille de l’UE « User Equipment » et un état actif autorisant l’établissement du plan usager.
– La latence du plan usager : Elle représente le délai de transmission d’un paquet entre la couche IP de l’UE d’un nœud du réseau d’accès ou inversement au sein du réseau et cela une fois la connexion établie bien sûr. Elle est nettement améliorée si nous la comparons à celle de l’UMTS (qui est supérieure à 70 ms) et est inférieure à 5 ms dans des conditions de faible charge du réseau et pour des paquets IP de petite taille, soit un écart d’au moins 65 ms, ce qui est sûrement très bénéfique pour la technologie LTE.

La flexibilité spectrale ou agilité en fréquence

L’un des défis que le LTE se doit de relever est de pouvoir opérer sur des porteuses de différentes largeurs afin de s’adapter à des allocations spectrales variées. Les largeurs initialement requises sont : 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz dans le sens montant comme dans le sens descendant.

La mobilité

Le LTE vise à rester fonctionnel de façon optimale pour des UE se déplaçant à des vitesses trop élevées (jusqu’à 350 km/h et même 500 km/h) et mêmes à des vitesses trop faibles (de 0 km/h à 15 km/h). En LTE, il est attendu que :
– Les services temps-réel comme le service voix, soient au moins en même niveau de qualité que ceux offerts par les systèmes UMTS.
– L’effet du Handover intra-système entre deux cellules LTE sur la qualité vocale doit être moindre qu’en GSM, ou équivalent.
– Des mécanismes optimisant les délais et minimisant la perte de paquets lors d’un Handover intra-système soient intégrés.
– Une coexistence avec les autres technologies 3GPP à savoir GSM/GPRS et UMTS, doit être maintenue lors d’un Handover inter-système (le temps d’interruption de service doit rester inférieur à 300 ms pour les services temps-réel et inférieur à 500 ms pour les autres services).

Architecture générale du réseau LTE 

Le réseau de quatrième génération, appelé EPS (Evolved Packet System), est constitué d’une partie cœur EPC (Evolved Packet Core) et d’une partie radio E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network).

Le réseau cœur EPC

Le EPC se compose principalement des entités suivantes : L’entité de gestion de mobilité (MME), la passerelle de service (S-GW), la passerelle PDN (PGW), l’entité serveur de l’abonné résidentiel (HSS) et la fonction de politique de contrôle et de chargement des règles (PCRF) .

a) Mobility Management Entity (MME)
Le MME est le nœud qui gère la signalisation entre l’UE et le réseau cœur. Il est responsable de la gestion de la connexion de signalisation qui est prise en charge par le protocole NAS et de la sécurité entre le réseau et l’UE. Il a en charge la gestion des phases d’établissement, la reconfiguration et le relâche de « bearer ». Il maintient un contexte contenant notamment les paramètres de sécurité et les capacités radio et réseau de l’UE tant que celui-ci est enregistré au réseau. L’entité MME possède les interfaces suivantes :
▶ S1-MME avec l’entité eNodeB du réseau d’accès.
▶ S6a avec l’entité HSS : cette interface supporte la signalisation permettant l’accès aux données du mobile.
▶ S10 avec l’entité MME : cette interface supporte la signalisation échangée lors d’une mobilité nécessitant le changement d’entité MME.
▶ S11 avec l’entité SGW : cette interface supporte la signalisation permettant l’établissement du support (bearer) entre les entités eNodeB et SGW.

b) Serving Gateway (SGW)
La S-GW permet le transfert des paquets IP vers les utilisateurs du réseau. Elle sert de point d’ancrage d’une part pour le « bearer » de données lorsque l’UE est en mobilité entre plusieurs eNodeB et d’autre part pour l’interfonctionnement avec d’autres technologies d’accès comme l’UMTS ou le GPRS. La S-GW conserve également des contextes sur le « bearer » de l’UE lorsqu’il est en veille. Si elle reçoit des données destinées à un UE en veille, la S-GW contacte le MME pour notifier l’UE et rétablir ainsi le « bearer » associés aux contextes. Par ailleurs, la S GW géré quelques fonctions annexes au sein du réseau visité dans le contexte d’itinérance, telles que l’envoi d’informations pour la facturation et les interceptions légales. L’entité SGW possède les interfaces suivantes :
– S11 avec l’entité MME.
– S5 avec l’entité PGW.
– S1-U avec l’entité eNodeB.

c) Packet Data Network Gateway (PGW)
L’entité PGW est le routeur de passerelle, assurant la connexion du réseau EPS au réseau de données PDN Lorsque l’entité PGW reçoit des données de l’entité eNodeB ou du réseau PDN, elle se réfère à l’identifiant de la classe de service QCI pour la mise en œuvre du mécanisme d’ordonnancement des données. L’entité PGW possède les interfaces suivantes :

– S5 avec l’entité PGW.
– Gx avec l’entité PCRF.
– SGi avec le réseau de données PDN.

d) Home Subscriber Server (HSS)
Le HSS est la base de données contenant les informations de souscriptions de l’utilisateur telles que le profil de QOS de l’abonné ou les restrictions d’accès en itinérance. Il contient également les informations concernant les réseaux de données (PDN) auxquels l’utilisateur peut se connecter. 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 ou AuC (Authentication Center) qui permet l’authentification des abonnés et fournit les clés de chiffrement nécessaires.

e) Policy and Charging Rules Function (PCRF)
Le PCRF est une entité qui exécute principalement deux grandes tâches. La première est de gérer la qualité de service que requiert le réseau, et alloue en conséquence les porteuses bearer appropriées. La deuxième tâche se rapporte principalement à la tarification. En effet, le PCRF gère les politiques de facturation qui doivent être prises en compte par le PDNGW et applicables en fonction des actions de l’utilisateur.

Le Réseau d’accès E-UTRAN

Le réseau d’accès E-UTRAN comprend un seul type entité, la station radioélectrique eNodeB (evolved NodeB) à laquelle se connecte le mobile (UE).

L’entité eNodeB possède les interfaces suivantes :
– LTE-Uu avec le mobile UE. Cette interface est utilisée pour la connexion du mobile à l’entité eNodeB. Elle supporte le trafic du mobile et la signalisation échangée entre le mobile et l’entité eNodeB. Cette signalisation supporte la signalisation échangée entre le mobile et l’entité MME du cœur de réseau.
– X2 avec les autres entités eNodeB. Cette interface est utilisée pour la mobilité intra EUTRAN et pour l’échange d’information de charge de la cellule. Elle supporte le trafic du mobile et la signalisation échangée entre deux entités eNodeB.
– S1-MME avec l’entité MME du réseau coeur. Cette interface est utilisée pour l’établissement du support (bearer) radioélectrique, pour le paging et pour la gestion de la mobilité. Elle supporte la signalisation échangée entre l’entité MME et l’entité eNodeB. Cette signalisation porte la signalisation échangée entre le mobile et l’entité MME.
– S1-U avec l’entité SGW du réseau cœur. Cette interface supporte uniquement le trafic du mobile.

Le réseau cœur CN 

Le réseau cœur de l’UMTS est composé de deux parties distinctes avec une autre commune, qui sont :
– Le domaine CS qui est utilisé pour la téléphonie.
– Le domaine PS qui permet la commutation de paquets.
– Les éléments communs aux domaines CS et PS .

a) Le domaine CS : Il est composé de plusieurs modules à savoir :
– MSC est en charge d’établir la communication avec l’équipement usager et de commuter les données.
– GMSC est une passerelle entre le réseau UMTS et le réseau téléphonique commuté PSTN. Si un équipement usager contacte un autre équipement depuis un réseau extérieur au réseau UMTS, la communication passe par le GMSC qui interroge le HLR pour récupérer les informations de l’usager, ensuite, il route la communication vers le MSC dont dépend l’usager destinataire.
– VLR qui est une base de données attachée à un ou plusieurs MSC et qui garde en mémoire l’identité temporaire de l’équipement usager et enregistre les usagers dans une zone géographique.

b) Le domaine PS : Il est composé de plusieurs modules :
– SGSN qui est en charge d’enregistrer les usagers d’une zone géographique dans une zone de routage.
– GGSN qui est une passerelle vers les réseaux à commutation de paquets extérieurs tels que l’Internet.

c) Les éléments communs entre CS et PS sont :
– HLR qui représente une base de données des informations de l’usager : l’identité de l’équipement usager, le numéro d’appel de l’usager, les informations relatives aux possibilités de l’abonnement souscrit par l’usager.
– AuC qui est en charge de l’authentification de l’abonné, ainsi que du chiffrement de la communication. Si une de ces deux fonctions n’est pas respectée, la communication est rejetée. Il se base sur le HLR afin de récupérer les informations relatives à l’usager et pour ainsi créer une clé d’identification.
– EIR qui est en charge de la gestion des vols des équipements usagers. Il est en possession d’une liste des mobiles « blacklistés » par un numéro unique propre à chaque équipement usager, le numéro IMEI.

Table des matières

Introduction
Chapitre I : Les caractéristiques et les différents composants de la technologie 4G LTE
1.1 Généralités de la technologie LTE
1.2 Caractéristique de la technologie LTE (4G)
1.2.1 Augmentation de la capacité
1.2.2 Augmentation du débit
1.2.3 Diminution de la latence
1.2.4 La flexibilité spectrale ou agilité en fréquence
1.2.5 La mobilité
1.3 Architecture générale du réseau LTE
1.3.1 Le réseau cœur EPC
1.3.2 Le Réseau d’accès E-UTRAN
1.3.3 Le Réseau CœurCN
Chapitre II : Modèle de propagation de la technologie 4G LTE
2.1 Le Canal Radio mobile
2.1.1 Caractéristiques d’un canal radio mobile
2.1.2 Paramètres de propagation
2.2 Modèles mathématiques d’un canal de transmission
2.2.1 Canal invariant à bruit additif
2.2.2 Canal invariant à trajets multiples
2.2.3 Canal à trajets multiples variables dans le temps
2.3 Classification des modèles de propagation
2.3.1 Classification des environnements terrestres
2.3.2 Types des modèles de propagation
2.4 Modèle de propagation standard
2.4.1 Modèles ITU à trajet multiples
2.4.2 Le Modèle ITU étendu
Chapitre III : Le dimensionnement de la technologie LTE
3.1 L’objectif de dimensionnement
3.2 Dimensionnement de couverture
3.2.1 Bilan de liaison
3.2.2 Paramètres du bilan de liaison
3.2.3 Calcul du bilan de liaison pour les liens montant et descendant
3.2.4 Modèles de propagation RF
3.2.5 Calcul du nombre de sites en se basant sur le bilan de liaison
3.2.6 Dimensionnement des interfaces S1 et X2
Chapitre IV : Simulation d’Algorithme d’optimisation de la technologie LTE
4.1 Choix du simulateur
4.1.1 LTE-SIM
4.1.2 OPNET
4.1.3 NS-2
4.1.4 NS-3
4.2 Présentation du simulateur NS-3
4.3 Terminologie et abstractions
4.3.1 Un nœud « Node »
4.3.2 Une application « Application »
4.3.3 Un canal communication « Channel »
4.3.4 Une interface de communication
4.4 Installation du simulateur NS-3
4.5 Déroulement de la simulation
4.5.1 Création d’un script dans le NS-3
4.5.2 Les indicateurs utilisés dans notre simulation
4.5.3 Résultats de la simulation
4.6 Algorithme d’optimisation
Conclusion
Annexe

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