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LE RESEAU LTE-A ET HETNET (HETEROGENEOUS NETWORK)
Introduction
L’évolution des réseaux cellulaires de la 3G vers la 4G a pour objectif de répondre à la croissance continue des trafics de données et la multiplication des applications et services qui exigent une meilleure qualité de service. Le système LTE-Advanced, nommé aussi 3GPP LTE version 10, est une amélioration du système LTE. En effet, le groupe 3GPP a introduit des améliorations sur le système LTE pour se conformer aux exigences de ce système. Afin d’atteindre ses performances, le groupe 3GPP a intégré de nouvelles technologies et techniques de transmission au système LTE version 8. Nous détaillons dans le paragraphe suivant les technologies clés de LTE-Advanced.
Le système LTE-Advanced
Le LTE-Advanced ou LTE avancé est une évolution du LTE normalisées dans le cadre de la Release 10 du 3GPP.Le LTE, tout comme les autres systèmes normalisés par le 3GPP (GSM, UMTS, HSPA), évolue aux cours du temps, notamment en fonction des progrès technique et de la demande de marché. Chaque palier d’évolution est appelé une Release. La première Release du LTE est la Release 8, dont les spécifications fonctionnelles ont finalisé en décembre 2008.Les spécifications fonctionnelles de la Release 10 ont elle été finalisées en mars 2011.
Le nom LTE-Advanced provient de processus de réglementation appelé IMT-Advanced du secteur Radiocommunication de l’Union internationales des télécommunications (UIT-R), dans lequel s’est inscrit son développement. [1]
Le rôle de l’IMT-Advanced
L’IMT (International Mobile Telecommunication-Advanced) est un label de l’UIT pour identifier des systèmes de communication mobile dont les capacités dépassent celle des système IMT-2000.Ce dernier label est celui qui regroupe les technologie 3G dont l’UMTS et l’HSPA.
Le but du label IMT-Advanced, comme l’avait été en son temps l’IMT-2000, est d’encourager le développement de l’interface radio de haute performance de tirant le meilleur parti du spectre disponible tout en favorisant un nombre limité de technologie mondial. En effet, ce dernier point favorise des économies d’échelle sur les prix des équipements, ainsi qu’une itinérance mondiale. Pour être labelliser IMT-Advanced, un système doit ainsi satisfaire un certain nombre d’exigences, qui portent notamment sur l’efficacité spectral mais aussi sur la latence et la mobilité, les bandes spectrales utilisable et les services. L’ensemble de cahier de charge de l’IMT-Advanced peut être trouvé dans le document de l’UIT-R (UIT-R M.2133,2008) et les références qui y sont citée. Les interfaces radio reconnues comme satisfaisant ces exigences sont finalement décrite dans la recommandation de l’UIT-R (UIT-R M.2012,2012).
En raison des caractéristiques contraignantes impose par l’UIT-R un système IMT-Advanced est par définition de haute performance, selon une classification internationalement reconnue. Outre la distinction marketing vis-à-vis d’autre technologies qui ne la possèderaient pas, la labellisation IMT-Advanced peut surtout constituer un sésame pour l’accès à de nouvelles fréquences.
A ce titre, certaines bandes avaient été réservées par l’UIT-R aux système mobiles IMT-2000.Pour l’IMT-Advanced, la situation est un peu différente : l’UIT à effectivement identifier de nouvelle bande de fréquence au-delà de celles initialement identifier comme IMT-2000 :
– La bande 800 libérée par le passage de la télévision analogique a la télévision numérique, aussi appelé le dividende numérique.
– La bande 3.5
Cependant, ces nouvelles bandes ont été regroupées avec celles de l’IMT-2000 sous la classification des bandes IMT, chaque système IMT-2000 ou IMT-Advanced y ayant accès. En pratique, cela signifie que du point de vue de l’UIT, un système 3G IMT-2000 (par exemple l’UMTS) peut utiliser par exemple la bande du dividende numérique.
Les spécifications du système IMT-Advanced
Dans le cadre de la spécification des systèmes IMT-Advanced, l’UIT a défini différentes exigences et fonctionnalités précisées dans la recommandation UIT-R Recommandation M1645 intitulée « Cadre et objectifs d’ensemble du développement futur des IMT-2000 et des systèmes postérieurs aux IMT-2000 »:
– Une meilleure efficacité spectrale et des pics de débits de donnée élevés.
– L’amélioration des débits de transfert de données pour supporter des services et des applications avancées : les débits établis comme cibles de la recherche atteignent 100 / en haute mobilité et 1 / en faible mobilité.
– Des latences plus faibles pour permettre de nouvelles applications sensibles au délai et en temps réel. Cette diminution de latences englobe les latences d’accès au lien radio, latence de handover.
– Un meilleur soutien de la mobilité des utilisateurs : les systèmes IMT-Advanced, tout comme les autres systèmes cellulaires, doivent assurer toujours leurs services dans divers scénarios de mobilité tels que :
Fixe : applications fixes ;
Piéton : vitesse moins 10 /ℎ ;
Véhicule typique : véhicule à vitesse allant jusqu’à 120 /ℎ ;
Véhicule à haute vitesse : véhicule à vitesse allant jusqu’à 500 /ℎ ;
Des performances optimisées du système pour les environnements à faible mobilité ;
Capacité d’itinérance mondiale : assurer la connectivité des applications sans coupure à d’autres réseaux mobiles et d’autres réseaux IP ;
– La prise en charge des tailles plus grandes des cellules et amélioration de la performance aux bords des cellules.
– Des terminaux à faible coût et faible complexité pour une utilisation dans le monde entier.
– Une interface utilisateur mobile.
– Un accès universel.
– L’amélioration des services de diffusion unicast et multicast.
Les systèmes IMT-Advanced doivent être développés pour offrir de meilleures performances telles qu’un haut débit de transfert de données, une latence minimale, une meilleure qualité de service. De plus, les systèmes IMT-Advanced doivent supporter les différents standards et protocoles. Ceci permet d’offrir différents services tels que la vidéo et la vidéo-conférence, la navigation web, et d’autres applications offertes aux particuliers et aux entreprises. [1][2]
Du point de vue énergétique, ces systèmes doivent être conçus pour assurer une connectivité automatique et transparente pour l’utilisateur entre le terminal mobile et la station de base, tout en préservant l’énergie de la batterie de ce terminal. Enfin, les systèmes IMT-Advanced doivent travailler dans différents environnements : urbains denses, urbains, semi-urbains, ruraux, intérieurs, extérieurs, piétonniers et véhiculaires. Les systèmes sont ainsi destinés à fournir un accès mobile à large bande sans fil dans une architecture cellulaire (par exemple, cellules macro/micro/pico/femto).
Toutes ces exigences générales sont traduites par plusieurs exigences techniques telles que, les méthodes d’accès multiples, le schéma de modulation, la bande passante du système, la structure du canal physique et le multiplexage, l’adaptation et le contrôle de puissance du lien, la latence, la qualité de service, l’aspect de la sécurité, la topologie du réseau.
Les caractéristiques du système LTE-Advanced
Le système LTE-Advanced a été retenu par l’organisation UIT comme étant un système IMT-Advanced, nommé aussi système 4G. En effet, le groupe 3GPP a annoncé le standard LTE-Advanced en Mars 2011, en répondant et même dépassant les spécifications de la recommandation UIT-R Recommandation M1645.
Les principaux apports des réseaux LTE-Advanced sont, en premier lieu, une évolution architecturale au niveau accès et réseau cœur :
– Réseau d’accès E-UTRAN : composé des eNodeB (evolved NodeB), qui ont les mêmes fonctionnalités que les NodeB des réseaux 3G et supportent une partie des fonctions du RNC
– (Radio Network Controller) qui est lui supprimé. Réseau cœur tout IP : Il s’agit du EPC (Evolved Packet Core), une infrastructure paquet tout IP qui permet de diminuer le nombre d’équipements ainsi que d’améliorer les performances en termes de QoS et de faciliter les procédures de Handover.
L’utilisation des techniques d’accès OFDMA/SC-FDMA, l’OFDMA est la technique d’accès pour la voie descendante dans LTE, cette technique de modulation divise la bande passante en une multitude en sous porteuse orthogonal. Grace à cette orthogonal, le signal transmit évite les interférences des sous porteuses adjacentes.
En termes d’allocation de ressource SC-FDMA est similaire à OFDMA mais seul les porteuses contiguës peuvent être attribuées par le même utilisateur avec SC-FDMA comme la figure 2.01.
En outre, le standard LTE-Advanced offre les améliorations suivantes par rapport à LTE :
– Un pic du débit de téléchargement DL jusqu’à 1 atteint à travers une transmission MIMO 4×4 et une largeur de bande supérieure à 70 .
– Un pic du débit de téléchargement UL jusqu’à 500.
– Un pic d’efficacité spectrale égale à 30 / en DL et atteignant 15 / en UL.
Figure 2.01 : Principe OFDMA et SC-FDMA
– Une mobilité avec différentes vitesses pouvant atteindre 350 /ℎ.
– Une allocation spectrale de différentes tailles incluant une allocation spectrale plus large
(jusqu’à 100) afin d’atteindre des pics importants de débit.
– Des bandes de fréquence additionnelles : 450 − 470 , 698 − 862 , 790 − 862 , 2.3 − 2.4 , 3.4 − 4.2 et 4.4 − 4.99 .
– L’augmentation de la capacité de fournir le service VoIP pour plus d’usagers.
– L’augmentation du nombre d’usagers simultanément connectés.
– L’amélioration de la performance aux bords de la cellule.
Le tableau suivant résume les caractéristiques offertes par le système LTE-Advanced comparées aux spécifications exigées par la recommandation UIT-R Recommandation M1645.
Afin d’atteindre ces performances, le groupe 3GPP a intégré de nouvelles technologies et techniques de transmission au système LTE version 8. Nous détaillons dans le paragraphe suivant les technologies clés de LTE-Advanced.
Les technologies clés de LTE-Advanced
Afin d’atteindre les spécifications exigées par la recommandation UIT-R Recommandation M1645, de nouvelles techniques ont été intégrées dans le système LTE-Advanced, et d’autres ont été améliorées. Parmi ces techniques on cite : l’agrégation de sous-porteuses, la transmission multi-antenne améliorée, les nœuds de relai, l’amélioration de l’auto-optimisation du réseau, le support des réseaux hétérogènes (HetNet), ainsi que l’amélioration de la mobilité de la station HeNB.
L’agrégation de sous-porteuses
Le système LTE-Advanced vise à offrir des débits de transmission plus importants que ceux offerts par le système LTE. Cependant, malgré l’amélioration de l’efficacité spectrale, il est encore difficile d’atteindre ces niveaux de débit.
Afin d’atteindre cet objectif, il était nécessaire d’augmenter les largeurs de bande de la transmission au-delà de celles supportées par une seule sous-porteuse. La solution proposée, appelée agrégation de sous-porteuses (CA), consiste à utiliser plus qu’une sous-porteuse pour la transmission, ce qui augmente par la suite la largeur de bande de la transmission. Ces sous-porteuses, appelées aussi canaux, peuvent être contigües et appartenant à une même bande de fréquence, comme elles peuvent appartenir à différentes bandes de fréquence.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : LE RESEAU 4G LTE
1.1 Introduction
1.2 Les exigences pour le LTE
1.3 Architecture de réseau LTE
1.3.1 Le réseau d’accès E-UTRAN
1.3.2 L’interface S1
1.3.3 L’interface X2
1.3.4 EPC
1.3.5 Le MME
1.3.6 Le P-GW
1.3.7 Le S-GW
1.3.8 Le HSS
1.3.9 Le PCRF
1.3.10 L’eNodeB
1.4 L’interface radio du réseau 4G LTE
1.4.1 Rappels sur le canal radio
1.4.2 Mode de propagation
1.4.3 Interférence, qualité de canal et débit
1.5 La pile protocolaire des interfaces radio du réseau 4G LTE
1.5.1 La couche physique
1.5.2 La couche 2
1.6 La structure d’une trame LTE
1.7 Mode de duplexage
1.7.1 Le duplexage en fréquence ou Frequency Division Duplex (FDD)
1.7.2 Le duplexage en temps ou Time Division Duplex (TDD)
1.8 Les technologies utilisées par le 4G LTE
1.8.1 OFDM
1.8.2 MIMO
1.9 Conclusion
CHAPITRE 2 LE RESEAU LTE-A ET HETNET (HETEROGENEOUS NETWORK)
2.1 Introduction
2.2 Le système LTE-Advanced
2.2.1 Le rôle de l’IMT-Advanced
2.2.2 Les spécifications du système IMT-Advanced
2.2.3 Les caractéristiques du système LTE-Advanced
2.2.4 Les technologies clés de LTE-Advanced
2.3 Le réseau HetNet LTE
2.3.1 Concept de petite cellule
2.3.2 Caractéristiques de l’émetteur-récepteur
2.3.3 Scénarios des interférences dans le réseau HetNet
2.3.4 Nouvelles catégories d’UE
2.3.5 L’eICIC basées sur l’agrégation de porteuses
2.3.6 L’eICIC dans le domaine temporel
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 ANNULATION D’INTERFERENCE DL DANS UN RESEAU HETNET LTE-A
3.1 Introduction
3.2 Déploiement de cellule femto
3.2.1 Définition
3.2.2 Avantages
3.2.3 Fonctionnement
3.2.4 Architecture
3.3 Le modèle du système
3.4 Principe de la stratégie d’annulation de l’interférence DL
3.4.1 Principe de base
3.4.2 La première stratégie
3.4.3 La deuxième stratégie
3.4.4 La troisième stratégie
3.5 Implémentation des stratégies
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 SIMULATION SOUS MATLAB
4.1 Introduction
4.2 Objectif de la simulation
4.3 Scénario
4.4 Paramètres de simulation
4.5 Présentation de l’interface utilisateur du simulateur
4.6 Discussion des résultats de la simulation
4.6.1 La stratégie 1
4.6.2 La stratégie 2
4.6.3 La stratégie 3
4.6.4 Optimisation de la stratégie d’annulation d’interférence
4.6.5 Comparaison des 3 stratégies
4.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
FICHE DE RENSEIGNEMENT
RESUME
ABSTRACT
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