Les réseaux hétérogènes (HetNet)

Les réseaux hétérogènes (HetNet)

Introduction à LTE Advanced et l’interface Radio

L’évolution vers LTE-Ad

Les communications sans fil ont évolué à partir de la deuxième génération dite (2G) systèmes du début des années 1990, qui a d’abord introduit la technologie cellulaire numérique, le déploiement de systèmes de troisième génération (3G) avec leurs réseaux de données et son accélération avec une grande vitesse à la technologie de quatrième génération qui est très attendue aujourd’hui. Cette évolution est illustrée à la figure 1, elle montre que moins de normes sont proposées pour la 4G que dans les générations précédentes, avec seulement deux candidats 4G sont activement développés aujourd’hui: 3GPP LTE-Advanced et IEEE 802.16m qui est l’évolution de la norme WiMAX connu comme le WiMAX mobile.
Le tableau 1 montre l’évolution de la troisième génération Universal Mobile Telecommunication System 3GPP (UMTS) avec la technologie originale CDMA à large bande qu’est apparue avec sa première Relaise en 1999/2000. Il y a de différentes Relaises de l’UMTS, et en plus l’ajout de High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) en Relaise 5 a marqué le début de la 3.5G. L’ajout du canal amélioré (E-DCH) connu sous le nom High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) a fait l’achèvement de la 3,5G. Alors La combinaison de la technologie HSDPA et HSUPA a donnée une norme appelée High Speed Packet Access (HSPA). LTE est arrivé avec la publication de la Relaise 8 du cahier des charges en 2008 et LTE-Advanced est mis en place dans le cadre de la Relaise 10.
L’élément moteur pour développer d’avantage vers LTE-Advanced, LTE R-10 a apporté de nouvelles c’est de fournir des débits plus élevés d’une manière rentable, et en même temps
satisfaire complètement aux exigences fixées par l’UIT pour les systèmes IMT Advanced, aussi appelée 4G.
La standardisation du LTE-Advanced a eu aussi une grande capacité et un haut débit :
 Augmentation du taux de données de pointe, DL supérieur de 1 Gbps, et pour le UL 500 Mbps.
 Plus grande efficacité spectrale, d’un maximum de 16bps/Hz dans le cas du R8 à 30 bps / Hz dans le cas du R10
 Augmentation du nombre d’abonnés actifs simultanément
 L’amélioration des performances au niveau des bords de la cellule, par exemple pour DL 2×2 MIMO au moins 2.4bps/Hz/cell.
 Les principales nouvelles fonctionnalités introduites dans le LTE-Advanced sont l’agrégation de porteuses (CA), une meilleure utilisation des techniques antennes multiples et de soutien pour les nœuds relais (RN).

Architecture du LTE-Ad

La 3G a apporté de nouvelles pour l’architecture du réseau cellulaire pour qu’il puisse s’adapter avec la technologie d’accès radio du système de télécommunications cellulaire, c’est l’évolution du réseau cœur connu sous le nom du SAE ‘ System Architecture Evolution, le développement du réseau cœur « SAE » s’améliore avec l’évolution de la recherche pour atteindre un niveau considérablement plus élevé de performance qui conforme aux exigences du LTE.C’est pour cela les opérateurs introduisent du matériel conforme aux nouvelles normes SAE, de sorte que les niveaux de données prévus peuvent être supportés lorsque la 3G LTE sera introduite, alors cette dernière a été développée pour qu’il soit pleinement compatible avec le LTE Ad, la nouvelle technologie 4G. Par conséquent lorsque le LTE Ad sera introduit, le réseau sera en mesure de traiter l’augmentation de données de plus en plus importante avec un minimum de changement.
Le réseau cellulaire avec sa nouvelle architecture correspond à LTE-Ad s’appelle EPS (Evolved Packet System). Il est constitué d’un nouveau réseau d’accès appelé LTE (Long Term Evolution) et d’un nouveau réseau cœur EPC (Evolved Packet Core) appelé SAE (système Architecture Evolution).

 L’interface radio

Cette interface fournit des connexions entre UE et eNodeB, Conçu pour être rétro-compatible avec les réseaux GSM et HSPA, LTE intègre des nouvelles technologies MIMO (Multiple In put Multiple Out put), et L’OFDM qui nous a donné l’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) utilisée pour la liaison descendante et SC-FDMA utilisée dans le cas de la liaison montante. Cette combinaison fournit des niveaux élevés d’efficacité spectrale et la performance du réseau, couplé avec une grande capacité de réseau et une faible latence. LTE soutiendra des largeurs de bande de fréquences de 1,4 MHz à 20 MHz et peut atteindre 100 MHZ en utilisant l’agrégation de porteuse et peut fonctionner en spectre apparié (en mode FDD) et en spectre non apparié (en mode TDD).Bien que LTE utilise l’interface air OFDMA, la compatibilité LTE avec les réseaux GSM et les réseaux HSPA permet aux opérateurs mobiles de continuer à fournir un service sans faille à travers LTE et les réseaux déployés existants.
Cette interface radio n’a pas subi de grand changement par rapport LTE Rel-8, elle a gardé les mêmes spécificités et elle est caractérisée par deux techniques d’accès différentes pour le lien montant (SC-FDMA) et le lien descendant (OFDMA).

 Description de l’implémentation physique de l’interface radio E-UTRA

Bien que la dernière amélioration de la 3GPP comme l’HSPA+ avec la Release 7 devrait fournir une technologie d’accès concurrentiel à haut niveau,3GPP vise à définir un plus long chemin de l’évolution pour assurer la compétitivité, ce qui est réalisé par l’introduction de la nouvelle technologie LTE qui se base sur la technique d’accès Multiple OFDMA pour le Downlink et la SC-FDMA en Uplink, appuyée par une grande flexibilité au niveau de la couche physique.

LTE-Advanced étude et simulation de l’interface radio dans un environnement cellulaire

Etudes des différents paramètres utilisés dans le paramétrage et simulation LTE

 Diversité spatial

La diversité spatiale, aussi connue sous le nom de diversité d’antenne, ou diversité matricielle
est l’une des techniques les plus anciennes. Elle est facile de s’implémenter et ne requière pas
de ressources fréquentielles supplémentaires. L’objectif est d’avoir plusieurs antennes séparées d’une distance suffisante pour avoir une dé-corrélation de canal, donc il faut avoir un espacement suffisant. La distance nécessaire dépend de divers éléments, soit du terrain, de  l’environnement, de l’antenne elle-même, ses dimensions, etc. Lorsque le canal est connu, le transmetteur peut aussi utiliser ce type de diversité. Sinon, il en profitera via la diversité transformée et il y a aussi d’autres diversités : polarisation, angulaire, fréquentielle, parcours, temporelle, spatio-temporelle.
Dans le cas où l’eNodeB dispose de plus qu’une antenne, LTE peut bénéficier de la diversité spatiale vu que cette dernière améliore les performances du lien radio sur l’interface radio et
combat significativement le phénomène d’évanouissement grâce à un codage spatiofréquentiel (Space Frequency Block Code SFBC).

Multiplexage Spatial OLSM et CLSM

Multiplexage spatial est une technique alternative consiste à générer des flux multiples, parallèles, et totalement séparés par contre dans le cas de diversité spatial, la transmission est dite flux simple, car le rendement est d’un symbole par utilisation canal, et ceci génère un seul flux de symboles et maintient le même débit. Pour LTE-Ad version 10, nous avons un gain de multiplexage spatial allant de 1, passant par 2 et 4 jusqu’à 8 couches, on trouve donc MIMO 2 x 2, MIMO 4 x 4 et MIMO 8 x 8. Il y a deux modes de multiplexage spatial CLSM et OLSM :
 CLSM (closed loop spatial multiplexing) MIMO à boucle fermée (Closed Loop MIMO) : L’UE après l’estimation du canal, envoie un message feedback vers l’eNodeB à travers le canal PUCCH, pour indiquer le rang de la matrice du canal (RI Rank Indicator), le pré-codeur adéquat (PMI best Compagnion) et le précodeur à éviter (PMI Worst Compagnion), à l’eNodeB pour que cette dernière prend la décision et informe l’UE du choix effectué.

 OLSM (Open loop spatial multiplexing) MIMO à boucle ouverte (Open Loop MIMO): Dans ce cas l’eNodeB ne considère aucun feedback de la part de l’UE, ce mode est recommandé pour les scénarios des mobiles à vitesse élevée.
A noter que le multiplexage spatial n’est appliqué que pour le canal physique PDSCH, pour les autres canaux on applique une diversité de transmission.
On peut dire dans le cas du multiplexage spatial que chaque message est découpé en sousmessages. On transmet simultanément les sous-messages différents sur chacune des antennes d’émission. Les signaux reçus sur les antennes de réception sont réassemblés pour reformer le message entier d’origine. Comme pour la diversité spatiale, les sous-canaux de propagation doivent être décorrélés.

 Beamforming
La technologie des antennes est la clé pour augmenter la capacité du réseau. Elle a commencé
avec des antennes sectorisées. Ces antennes illuminent 60 ou 120 degrés et fonctionnent comme une seule cellule. En GSM, la capacité peut être triplée tel que chaque secteur a couvert 120 degrés. Adaptation des réseaux d’antennes est intensifiée en utilisant le multiplexage spatial avec les faisceaux étroits. Les antennes intelligentes appartiennent à des réseaux d’antennes adaptatives, mais diffèrent de leur intelligente direction d’arrivée estimée.
Smart antennes peuvent former un faisceau spécifique à l’utilisateur et un retour optionnel qui peut réduire la complexité du système, la formation de faisceau est la méthode utilisée pour créer le diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes. Il peut être appliqué dans tous les systèmes de réseau d’antennes ainsi que dans les systèmes MIMO.
Les antennes intelligentes sont divisées en deux groupes:
 Les systèmes de réseaux phases (switched beamforming) avec un nombre fini de motifs prédéfinis fixes.
 Les systèmes de réseau adaptatif (adaptive beamforming) avec un nombre infini de modèles adaptés au scénario en temps réel.

LTE-Advanced et les améliorations apportées par 3GPP

Caractéristiques du LTE-Advanced

Avec le début des travaux sur le LTE Advanced, un certain nombre de conditions essentielles
et des principales caractéristiques vont venir sont prochainement. Bien que n’étant pas encore
fixée dans le cahier des charges, il y a beaucoup de haut niveau vise à la nouvelle spécification LTE Advanced. Celles-ci devront être vérifiées et beaucoup de travail reste à entreprendre dans les spécifications avant qu’ils ne soient tous fixés. Actuellement, une partie du titre principal du LTE Advanced et son objectif selon les caractéristiques ci-dessous, on a déjà cité ça mais pour faire un rappel.
 Débit max DL : 1 Gbps; montante – 500 Mbps.
 Spectre d’efficacité: 3 fois plus grande que LTE.
 Efficacité maximale du spectre: DL 30 bps / Hz; UL 15 bps / Hz.
 L’utilisation du spectre: la capacité à soutenir l’utilisation de la bande passante
évolutive et de regroupement de fréquences où le spectre non contiguës doit être utilisé.
 Latence: plus longue durée moins de 50 ms et plus courte 5 ms un moyen pour la transmission de paquets individuels.
 Débit moyen de l’utilisateur pour être 3 fois supérieur à celui de la technologie LTE.
 Mobilité: La même que celle du LTE
 Compatibilité: LTE Advanced doit être capable d’inter-fonctionner avec LTE et les systèmes existants 3GPP.

 Carrier Aggregation

Carrier Aggregation ou l’agrégation de porteuses est une caractéristique importante qui a donné un plus pour la normalisation du LTE-Advanced. Dans la CA multiples en amont ou en liaison descendante les porteuses dans les bandes de fréquences sont contiguës ou non contiguës peuvent être regroupés (voir Figure ci-dessous).Chacune des porteuses constitutives proprement dit sera rétro compatible pour accueillir version 8,9 et les UEs émettant des signaux de synchronisation et les informations de transmission du système via le canal de diffusion.La façon la plus simple pour augmenter la capacité est d’ajouter plus de bande passante.Comme il est important de garder la compatibilité ascendante avec R8 et R9….L’augmentation de la bande passante dans le LTE-Advanced est fournie par l’agrégation de porteuses de R8/R9. L’agrégation de porteuses peut être utilisé à la fois pour FDD et TDD.

 CoMP (Coordinated Multipoint)

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.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, 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 interférences telles que sauts de fréquence. Alors la technologie a des méthodes avancées, beaucoup plus efficace luttent contre l’utilisation de l’interférence.

LTE Relais

Un relais sera effectivement faire la réception, démodulation, 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 noeud 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 relaie les messages entre la station de base (BS) et des stations mobiles (MS) par la communication multi-sauts.Il ya un certain nombre de scénarios où les relais LTE seront avantageux.
 Augmenter la densité du réseau: les noeuds 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 les 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.

Concept du LTE device to device

Il y a un certain nombre d’avantages qui découlent de l’élaboration du dispositif LTE aux normes de l’appareil. Il pourrait apporter des avantages aux utilisateurs et aux opérateurs.La prestation de services locaux à haut débit de données est susceptible d’émerger comme l’utilisation des services multimédias riches devient plus banale que l’utilisation des ordinateurs mobiles tels que les tablettes, net-books, et les derniers Smartphones génération augmente. La plateforme LTE aurait l’avantage sur les autres, comme le Wifi et Bluetooth qui opèrent les dispositifs de protocoles d’appareils et qu’ils utilisent des spectres sans licence, et la performance est susceptible d’être mauvaise, en particulier lorsque de nombreux utilisateurs sont présents. La possibilité d’un dispositif LTE en vers les communications de l’appareil est que l’utilisation du spectre LTE est un environnement de brouillage contrôlé et pourrait être utilisé. Cela fournirait un environnement beaucoup plus efficace pour les communications à haut débit de données qui pourraient inclure des téléchargements de vidéo, musique, etc, Une autre possibilité est que le spectre sans licence pourrait être utilisé au côté de ce dernier sous une licence.

Les réseaux hétérogènes (HetNet)

Les réseaux hétérogènes, souvent appelés HetNet (Heterogeneous Network), ne mentionne
pas une technologie spécifique, mais ils correspondent à la technique de déploiement multicouches. Autrement dit, plusieurs techniques d’accès, plusieurs formats de cellule, plusieurs types de couverture sont mis en œuvre dans la même zone de déploiement. Le besoin découle du fait que la plupart des zones de déploiement ont un certain degré d’hétérogénéité en termes d’exigences de couverture de débits, de délai, etc. En effet, une macro cellule permet de réaliser le plus grand rayon de couverture, une pico cellule ou femto cellule est caractérisée par une surface de couverture plus petite, donc elle sert moins d’abonnées ce qui obéit à la contrainte de capacité.
L’idée est donc de déployer plusieurs formats de cellule dans la même zone, pour se garantir à la fois :
 De la capacité : en mettant en place une couche hotspot composés de plusieurs cellules à tailles réduites (pico/femto) et des nœuds relais, ces derniers sont moins coûteuses, faciles à installer et elles permettent en plus d’assurer la couverture à l’intérieur des bâtiments des utilisateurs (bureaux, maisons, etc.)
 De la couverture : en utilisant une macro cellule capable d’étendre la couverture dans la zone entière. Un utilisateur peut se connecter à un réseau de type HetNet selon la technologie qui répond le plus à son besoin : ad hoc, Wifi, etc.HetNet est constitué donc d’une station macro qui coopère avec plusieurs petites cellules de tailles réduites d’une façon transparente dans le but d’augmenter la capacité et la couverture du réseau.

Table des matières

Sommaire
Introduction générale
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Chapitre 1 : Introduction à LTE Advanced et l’interface Radio
Introduction
1 .L’évolution vers LTE-Ad
1.2 Comparaison entre LTE et LTE-Ad
2. Architecture du LTE-Ad
3. L’interface radio 
3.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
 Principe de l’OFDM
3.1.1 OFDMA
3.1.2 SC-FDMA
3.2 Modulation et codage adaptatifs
4. Description de l’implémentation physique de l’interface radio E-UTRA
4.1. Les modes de transmission TDD et FDD pour l’E-UTRAN
4.2 Structure de trame LTE
4.3 Bloc de ressources et élément ressource
Conclusion
Chapitre 2 : LTE-Advanced étude et simulation de l’interface radio dans un environnement cellulaire
Introduction
1. Etudes des différents paramètres utilisés dans le paramétrage et simulation LTE
1.1 MIMO (multi input multi output)
1.2 Diversité spatial
RX Diversité
TX diversity
1.3 Multiplexage Spatial OLSM et CLSM
2. Paramétrage et simulation de l’interface radio dans un environnement monocellulaire
2.1 Modes « SISO, TxD, OLSM, CLSM »
2.2 Paramétrage et simulation SUMIMO
2.3 Paramétrage et simulation MUMIMO
2.4 La variation du débit en fonction de la bande de fréquence
Chapitre 3 : LTE-Advanced et les améliorations apportées par 3GPP
Caractéristiques du LTE-Advanced
1.CarrierAggregation
2.CoMP (Coordinated Multipoint)
2.1. les avantages du LTE CoMP
2.2. les principes du LTE CoMP
2.2.1. Downlink LTE CoMP
2.2.2.Uplink LTE CoMP
3. LTE Relais
4. Concept LTE device to device
5. Les réseaux hétérogènes (HetNet)
Conclusion générale
Annexe 1
Annexe 2
Annexe 3
Références

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