Soutenance mémoire
Introduction
L’évolution à long terme (LTE) est une technologie sans fil émergente, beaucoup de fournisseurs de services l’ont déjà déployée. Le LTE est considéré comme la technologie de la prochaine génération dans les communications sans fil, offrant des débits d’accès à large bande sur les appareils sans fil. Ceci permet aux dispositifs mobiles la possibilité d’offrir aux clients des services hauts débit, audio de qualité stéréo et de diffuser en haute définition la TV (HDTV).L’une des technologies clé introduite par le LTE est la standardisation des femtocellules dans la norme de base LTE. Les femtocellules peuvent aider à un déploiement plus efficace des services LTE avec la perspective que la distribution des émetteurs/récepteurs radios LTE NodeB soit significativement plus dense. Dans ce premier chapitre nous présentons d’une manière générale la technologie LTE ainsi que la structure du réseau avec intégration des femtocellules.
Définition de la norme LTE/4G
La LTE (Long Term Evolution, en anglais) ou communément appelée 4G, désigne la quatrième génération du réseau de téléphonie mobile qui introduit de très haut débit pouvant aller, en théorie, jusqu’à 150 Mbit/s. Le LTE utilise des bandes de fréquences hertziennes d’une largeur pouvant varier de 1,4 MHz à 20 MHz [1].La spécificité de la 4G par rapport aux réseaux cellulaires précédents est le passage à une structure IP (Internet Protocol) pour le transport des communications vocales et des SMS sous forme de paquets de données.
La 4G accompagne l’avènement des smartphones et le développement de nouveaux usages qui augmentent fortement la consommation en données numériques et en bande passante : visiophonie, lecture de vidéo ou de musique en streaming, jeu vidéo en ligne, applications géolocalisées, partage de contenus, etc. Selon les mesureseffectuées par l’ARCEP (l’Autorité de régulation des communications électroniques et des postes), le débit médian du réseau 4G en France est de 17,9 Mbit/s en téléchargement contre 7,2 Mbit/s pour le réseau 3G. En débit montant, la vitesse de transfert est de 5,5 Mbit/s en 4G contre 1,5 Mbit/s en 3G [2]. A l’instar de chaque nouvelle génération de réseau d’accès, le LTE a pour objectif de proposer une capacité accrue et fait appel à une nouvelle technique d’accès à la ressource fréquentielle.
Evolution de la norme LTE
Chaque nouvelle modification des spécifications de la norme est associée à une Release. Une Release correspond à un ensemble de nouvelles fonctionnalités introduites dans la norme par les groupes du 3GPP dans une période de temps donnée et représente un palier significatif dans l’évolution des systèmes. Le 3GPP a défini douze Releases entre 1998 et mars 2015 :
– Release 97 : définition du GPRS
– Release 99 : introduction de l’UMTS
– Release 4 : ajout de fonctionnalités au sein du réseau cœur, notamment la séparation des couches média et contrôle pour le réseau cœur circuit
– Release 5 : introduction de l’évolution HSDPA pour le réseau d’accès UMTS.
– Release 6 : introduction de l’évolution HSUPA pour le réseau d’accès UMTS.
– Release 7 : introduction du HSPA+MIMO.
– Release 8 : introduction des évolutions HSPA+ CPC et DC-HSDPA, et première
Release du réseau d’accès LTE et du réseau cœur EPC.
– Release 9 : évolutions du DC-HSDPA, notamment en combinaison avec le MIMO, et introduction du DC-HSUPA; seconde Release du LTE.
– Release 10 : évolution multi porteuse du HSDPA (jusqu’à 4 porteuses, soit 20 MHz) et introduction de l’évolution du LTE appelée LTE-Advanced.
– Release 11 : Advanced IP interconnexion des services.
– Release 12 : Achevée en mars 2015, et comporte la densification du réseau,
opération conjointe entre le TDD et le FDD avec agrégation de transport.
– Release 13 : Achevée en mars 2016, il inclut des travaux sur de nouvelles bondes pour le LTE.
– Release 14 : améliorations du support LTE pour les services V2x, l’eLAA, l’agrégation de porteuses à 4 bandes, l’agrégation de porteuses inter-bandes et plus,
– Release 15 : Normalisation du passage de 4G vers la 5G, finalisation du Release Septembre 2018.
Architecture de la technologie 4G
À l’instar des réseaux 2G et 3G, l’architecture générale LTE/EPC est définie d’un point de vue physique et d’un point de vue fonctionnel.
Architecture physique D’un point de vue physique, [3] l’architecture LTE/EPC est composée de crois domaines :
• L’UE : c’est l’équipement de l’utilisateur (User Equipement)
• Le réseau d’accès : appelé LTE ou E-UTRAN (Evolved-UTRAN) ;
• Le réseau cœur : appelé EPC (Evolved Packet Core).
Réseau cœur EPC (Evolved Packet Core) Le cœur du 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 pour le transport de la voix et des données. [1]Ce cœur de réseau permet l’interconnexion via des routeurs avec les autres eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le réseau Internet. L’EPC Simplifie l’architecture du réseau avec le passage au tout IP, comme il assure la mobilité entre les systèmes basés sur la 3GPP, et aussi les systèmes qui ne sont pas basés sur la 3GPP par exemple le WIMAX et le CDMA2000.
Le réseau EPC est constitué de :
MME: Mobility Management Entity.
HSS: Home Suscriber Service.
PDN-GW: Packet Data Network GateWay
PCRF: Policy and Charging Rules Function
SGW : Serving Gateway.
SGSN: Serving GRPS Support Nom.
a) MME (Mobility Management Entity) :est responsable de la gestion de la mobilité et l’authentification des utilisateurs. Elle est responsable aussi du Paging lorsque l’utilisateur est en état inactif. Elle sélectionne les composants dédiés aux types de la communication de l’utilisateur. Elle gère le Handover inter-domaines et inter-réseaux. Et enfin elle s’occupe de la signalisation.
b) HSS (Home Suscriber Service) : Base de données similaire au HLR en GSM / WCDMA du réseau cœur qui contient les informations du suscriber-related (les abonnées voisins), et porte l’appel de control et la session management. Elle est Principalement désignée à l’authentification, l’autorisation, la sécurité, le débit et fournit une localisation détaillée à l’utilisateur.
c) PDN-GW (Packet Data Network GateWay) : Fournit la connectivité des données entre le terminal mobile (UE) et le PDN (Packet Data Network) sur trois segments :
– La porteuse radio entre UE et eNodeB.
– La porteuse des données entre eNodeB et SGW.
– La porteuse des données entre SGW et PGW.
d) PCRF (Policy and Charging Rules Function) : Responsable sur la décision principale du control. Il fournit une QoS d’autorisation pour décider le traitement des données en respectant l’abonnement des utilisateurs.
e) SGW (Serving Gateway) : C’est la jonction principale entre le réseau radio accès et le réseau cœur Serving GetWay (SGW) achemine les paquets de données, maintient la connexion de l’inter-eNodeB, puis inter-système entre LTE et GSM/UMTS et réserve le contexte du terminal mobile (UE), comme les paramètres de la porteuse service et le routage des informations.
f) P-GW (Packet-Switch GetWay):Une passerelle qui Fournit la connectivité au terminal mobile (UE) vers le paquet externe du réseau de l’information et alloue les adresses IP d’une UE, ainsi que les applications de la QoS, et maintient la connexion mobile entre LTE/UMTS/GSM systèmes et le non 3GPP système.
g) SGSN (Serving GRPS Support Nom) : Interconnecte le LTE à l’UMTS et au réseau GSM pour augmenter la mobilité.
Partie radio eUTRAN La partie radio du réseau, appelée « eUTRAN » est simplifiée par rapport à celles des réseaux 2G (BSS) et 3G (UTRAN) par l’intégration dans les stations de base « eNodeB »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.
– L’eNodeB : est l’équivalent de la BTS dans le réseau GSM et le NodeB dans l’UMTS. Ce sont des antennes qui relient les UE avec le réseau cœur du LTE via les interfaces RF. Ainsi, l’eNodeB fournit la fonctionnalité du contrôleur radio, le résultat est plus efficace, et le réseau est moins latent, par exemple la mobilité est déterminée par l’eNodeB a la place de la BSC ou le RNC.
Partie IMS (IP Multimedia Sub-system) L’IMS (IP Multimedia Sub-system) 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. L’objectif d’IMS n’est pas seulement de permettre de nouveaux services, existants ou futurs proposés sur Internet, mais d’offrir ces services aux utilisateurs 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.
Plusieurs exemples de services de l’IMS peuvent être cités :
– 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.
Architecture fonctionnelle L’architecture fonctionnelle LTE/EPC fait appel à différents protocoles qui sont présentés dans cette partie.
Plan usager Un paquet IP destiné à un UE est encapsulé par la P-GW et est transféré de la P-GW vers l’eNodeB au sein d’un tunnel, avant d’être transmis par l’eNodeB à l’UE. La fonction de tunnel est assurée par un protocole propre au 3GPP appelé GTP-U (GPRS Tunnuling Prorocol-User plane). Il est utilisé au sein des interfaces S1, S5 et S8 .
Plan de contrôle La pile protocolaire du plan de contrôle définie entre le MME et l’UE est présentée sur la figure 1.5.La pile protocolaire du plan de contrôle défini entre les nœuds de l’EPC est présentée sur la figure 1.6. Cette pile protocolaire fait appel au protocole GTP-C (GPRS Tunneling ProrocolConrol plane). Ce protocole est utilisé pour permettre les échanges de signalisation pendantl’établissement de tunnels EPS et pour le transfert d’informations propres à chaque UE lors du changement de MME.
Contrôle de transfert (Handover)
La capacité à transférer de façon transparente entre les réseaux femtocellulaire et macrocellulaire est un élément clé de l’architecture intégrée. Un Handover avant la rupture peut être nécessaire pour les environnements femtocellulaires, car les transferts seront fréquents en raison de la petite taille des femtocellules. Comme les zones de couverture de la femtocellule peuvent ne pas être contiguës, il existe quatre scénarios possibles pour les Handovers dans les réseaux intégrés femtocellules/macrocellules: macrocellule à macrocellule, macrocellule à femtocellule, femtocellule à macrocellule et femtocellule à femtocellule.
Perspective de l’opérateur
Les femtocellules peuvent aider les opérateurs à rentabiliser la capacité du réseau et à atteindre un plan d’évolution plus rentable avec une réduction des risques et des charges financières. Cela est dû Aux faits, tout d’abord, les femtocellules sont des solutions à faible coût pour la couverture intérieure par rapport à d’autres approches ; deuxièmement, les utilisateurs partageront au moins une partie substantielle de l’installation, Le coût des FAP et le fonctionnement des FAPs seront largement financés par les utilisateurs (opérateurs effectuera également la télémaintenance, etc.). En particulier, les opérateurs peuvent encourager l’accès aux femtocellules et réduit davantage la demande de macrocellules d’extérieur.Les femtocellules aideront les opérateurs mobiles à gérer l’utilisation des données et à fournir des services plus riches (par exemple, à travers des plans de zones d’accueil et des services groupés), ce qui stimulera l’ARPU (Revenu moyen par unité).
La voix seule ne suffit plus aux revenus de futures générations.Les femtocellules aideront les opérateurs à offrir une expérience utilisateur transparente à l’extérieur et à l’intérieur, au travail, en déplacement ou à la maison, et fournir une base pour les services convergents de nouvelle génération qui combinent des services voix, vidéo et données à un dispositif mobile.Même dans les zones pouvant être desservies par des macrocellules, les femtocellules peuvent apporter beaucoup d’avantages aux opérateurs car ils supprimeront la nécessité de fournir des services d’intérieur à partir de macrocellules et diminuer les frais généraux encourus en fournissant des signaux à l’intérieur. Les demandes réduites sur les macrocellules peuvent permettre aux opérateurs de partager le réseau LTE extérieur macrocellules.
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Table des matières
DÈDICACES
REMERCIEMENTS
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1: RÉSEAUX LTE ET ARCHITECTURE EN FEMTO-CELLULES
1.1 Introduction
1.2 Définition de la norme LTE/4G
1.3 Evolution de la norme LTE
1.4 Architecture de la technologie 4G
1.4.1 Architecture physique
1.4.1.1 Réseau cœur EPC (Evolved Packet Core)
1.4.1.2 Partie radio eUTRAN
1.4.1.3 Partie IMS (IP Multimedia Sub-system)
1.4.2 Architecture fonctionnelle
1.4.2.1 Plan usager
1.4.2.2 Plan de contrôle
1.5 Caractéristiques fondamentales de la LTE
1.5.1 Débits et fréquences
1.5.2 Latence
1.5.2.1 Latence du plan de contrôle
1.5.2.2 Latence du plan usager
1.5.3 Agilité en fréquence
1.5.4 Méthode d’accès
1.5.5 Multiplexage
1.5.6 Mobilité
1.5.7 Modulation adaptative et codage
1.6 Architecture en femtocellules
1.6.1 Définition
1.6.2 Architecture de la femtocellule
1.6.3 Intégration de femtocellules dans le LTE
1.6.4 Protocoles de signalisation LTE Femtocellule
1.6.5 Sécurité des femtocellules
1.6.5.2 Problèmes de sécurité dans le réseau femtocellule
1.6.5.3 Sécurité du périphérique domestique
1.6.6 Qualité de service dans le réseau femtocellulaire
1.6.6.1 Gestion des fréquences et des interférences
1.6.6.2 QoS dans le « backhaul » basé sur xDSL
1.6.6.3 Contrôle de transfert (Handover)
1.6.7 vantages de la technologies femtocellule
1.6.7.1 Perspective de l’opérateur
1.6.7.2 Perspective de l’abonné
1.7 Conclusion
Chapitre 2: GESTION DE LA MOBILITÈ ET HANDOVER DANS LES RÈSEAUX FEMTO-CELLULES
2.1 Introduction
2.2 Handover
2.2.1 Différents types du Handover
2.2.1.1 Mobile Controlled Handover Decision (MCHO)
2.2.1.2 Network Controlled Handover Decision (NCHO)
2.2.2 Techniques du Handover
2.2.3 Niveau duHandover
2.2.4 Processus du Handover
2.2.4.1 Phase I: Initiation du Handover et collecte d’informations
2.2.4.2 Phase 2 : Sélection du réseau destination
2.2.4.3 Phase 3 : Exécution du Handover
2.2.5 Mesures du Handover
2.2.5.1 Signal de référence de la puissance reçue (RSRP)
2.2.5.2 Signal de référence de la qualité reçu (RSRQ)
2.2.5.3 Mesure de la qualité du signal radio et la puissance reçue réalisée au niveau de la couche physique
2.2.6 Paramètres du Handover
2.2.6.1 Niveau de seuil de l’initiation du Handover RSRP et RSRQ
2.2.6.2 Marge d’hystérésis
2.2.6.3 Time-to-Trigger (TTT)
2.2.6.4 Longueur et la forme de la fenêtre moyenne
2.3 Handover dans le réseau femtocellules
2.3.1 Mécanisme du Handover utilisant l’interface S1
2.3.2 Procédures du Handover dans le réseau femtocellule
2.3.2.1 Handover sortant: femtocellules vers macrocellules
2.3.2.2 Handover entrant: macrocellules vers femtocellules
2.3.3 Algorithmes pour le Handovers
2.3.3.1 Algorithme basé sur la puissance reçue
2.3.3.2 Algorithme basé sur le bilan de puissance
2.3.3.3 Algorithmes basés sur la vitesse de déplacement
2.4 Conclusion
Chapitre 3: ETUDE DE HANDOVER MACROCELLULES / FEMTOCELLULES SOUS NS3
3.1 Introduction
3.2 Présentation du logiciel NS-3
3.2.1 Installation du simulateur NS-3
3.2.1.1 Ressources
3.2.1.2 Environnement de développement
3.2.1.3 Installation de NS3 sous Ubuntu
3.3 Modèle NS-3
3.4 Scenario de la simulation
3.4.1 Déroulement de la simulation
3.4.2 Paramètres de la simulation
3.5 Résultats et discutions
3.5.1 SINR en fonction de la distance entre l’UE et la HeNB
3.5.2 SINR en fonction de la puissance de la HeNB
3.5.3 Nombre de paquets perdu en fonction de la vitesse de déplacement
3.5.4 Nombre de handover en fonction de la vitesse de déplacement de l’UE
3.5.5 Influence de l’hystérésis du TTT sur les performances de l’algorithme RSRQ
3.6 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
GLOSSAIRE
BIBIOGRAPHIE
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