Projet Evolution 3G/4G: LTE(Long Term Evolution)

Projet Evolution 3G/4G: LTE(Long Term Evolution) Présenté par: ABIDJO Donald DIOUF Alimatou SOME Armande ZOUGNON Martial Sous la direction de: Dr KORA AHMED Année académique: 2011-2012 PLAN: Introduction I. Définition de LTE II. Caractéristiques de LTE A. Spécifications techniques B. Technologies d accès et de multiplexage C. Evolution UMTS/LTE D. Avantages & Insuffisances III. Architecture de LTE A- Architecture Physique B- Architecture Logique Conclusion 2 1

INTRODUCTION Le monde est très différent aujourd'hui qu'il ya dix ans. La connectivité fixe à haut débit est désormais omniprésente avec plusieurs mégabits de vitesses disponibles à un coût raisonnable pour les clients via DSL, fibre et câbles. Alors que l'internet mobile et l'attrait pour les réseaux mobiles haut débit sont en pleine expansion, le choix de la technologie pertinente est cruciale puisqu'il engage l'avenir de tout un pan du secteur des télécoms. Jusqu'en 2007, trois technologies principales étaient vues comme candidates à l'après HSPA : lemobile WiMAX, la3g LTE et l'umb (Ultra Mobile Broadband ), dans un relatif équilibre. Mais depuis 2007, LTE remporte les suffrages grâce à une mutualisation des ressources et des connaissances réalisée par un groupement industriel baptisé LSTI (LTE / SAE Trial Initiative ) créé en mai 2007 qui permet une progression rapide des validations techniques des différents aspects du futur réseau mobile. Dans la suite de l exposé, nous allons étudier la technologie LTE: caractéristiques, architecture, avantages et insuffisances. 3 I- DEFINITION 4 2

I- DEFINITION LTE(Long Term Evolution) provient du 3GPP (3rd Generation Partnership Project) et concerne les évolutions à long terme de la 4G, c est-à-dire des technologies radio mobile utilisant l OFDMA. LTE est aussi appelé «3,99G» car proche de la 4G mais ne satisfaisant pas encore toutes les spécifications imposées par l'union internationale des télécommunications (UIT) pour cette nouvelle norme, notamment en termes de bande passante utilisée. Ainsi les interfaces de cette technologie sont associés à des antennes intelligentes et directives, qui devraient permettre d atteindre 100Mbits/s dans le sens montant et 200Mbits dans le sens descendant. 5 I- DEFINITION La norme a été finalisé en fin 2007, et la commercialisation des premiers produits devraient débuter vers 2010. L idée est de suivre les développements effectués par la gamme Wi-xx, qui associe plusieurs tailles de cellules et des handovers verticaux. Ainsi,LTE participe à l'accroissement des capacités des réseaux mobiles et ouvre de nouvelles perspectives dans la mesure où il offrira des débits supérieurs à ce que l'on trouve pour l' Internet filaire endsl. La LTE a été introduit dans la 3GPP release 8. Une grande partie de cette dernière sera orienté vers l'amélioration de l'umts. 6 3

I- DEFINITION LTE(évolution À long terme) est la technologie à haut débit mobile la plus efficace pour fournir une expérience d'utilisateur excellente. Elle offre les taux(tarifs) de données les plus hauts et les temps de latence les plus courts. 7 II-CARACTERISTIQUES A-Spécifications techniques Débit sur l interface radio: L interface radio E-UTRAN doit pouvoir supporter un débit maximum descendant instantané (du réseau au terminal) de 100 Mbit/s en considérant une allocation de bande de fréquence de 20 MHz pour le sens descendant et un débit maximum montant instantané (du terminal au réseau) de 50 Mbit/s en considérant aussi une allocation de bande de fréquence de 20 MHz. Bandes de fréquence : La technologie LTE supporte des bandes souples allant de 1.25, 2.5, 5, 10, 15 à 20MHz Techniques de multiplexage: Les spécifications LTE prévoient le fonctionnement en mode dual : multiplexage de fréquences (FDD) et multiplexage temporel (TDD). En mode FDD (Frequency Division Duplexing), l'émission et la réception se font à des fréquences différentes. En mode TDD, l'émission et la réception transitent à une même fréquence, mais à des instants différents. C est le premier mode (FDD) qui est actuellement mis en œuvre dans les équipements télécoms et déployé dans la plupart des premiers réseaux 4G LTE autorisés. Le deuxième mode (TDD) fonctionne sur des bandes de fréquences distinctes qui feront l objet d attributions ultérieures. Voir tableau et figure à la diapo suivante (bandes FDD et TDD). 8 4

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A-Spécifications techniques Délai de latence: temps d établissement maximisé à 100 ms et délai de transit ne dépassant pas 10 ms Mobilité : assurée à des vitesses comprises entre 120 et 350 km/h. Le handover pourra s effectuer (la LTE ne permet que le hard handover et non pas le soft handover) dans des conditions où l usager se déplace à grande vitesse. Coexistence avec les anciens standards: Il s agira pour l opérateur de s assurer que le handover entre la LTE et la 2G/3G (GSM, GPRS, W-CDMA, UMTS, CDMA-2000) est toujours possible. Le handover entre E-UTRAN (LTE) et UTRAN (3G) doit être réalisé en moins de 300 ms pour les services temps-réel et 500 ms pour les services non temps-réel. 11 B- Technologies d accès et de multiplexage 12 6

B- Technologies d accès et de multiplexage La norme LTE repose sur une combinaison de technologies sophistiquées à même d'élever nettement le niveau de performances (haut débit et latence) par rapport aux réseaux 3G existants: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) pour le sens descendant, SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) pour le sens montant et les techniques d antennes multiples MIMO (déjà utilisés pour le Wi-Fi ou le Wimax) qui permettent de multiplier les canaux de communication parallèles, ce qui augmente le débit total et la portée. Avec le OFDMA et le SC-FDMA, on a une efficacité du spectre de 5 bit/s/hz pour le sens descendant et 2,5 bit/s/hz pour le sens montant. 13 1-OFDM 14 7

1-OFDM 15 1-OFDM 16 8

1-OFDM 17 1-OFDM 18 9

2- OFDMA Le retard induit par le phénomène de trajets multiples (crée par la différence entre les temps d arrivée des copies du signal qui suivent différentes directions) peut provoquer l interférence entre un symbole reçu le long d'un chemin d'accès retardé et un symbole ultérieure arrivant au niveau du récepteur grâce à un trajet plus direct. Cet effet est dénommé Interférences Entre-Symboles(IES) 19 Interférence entre-symboles 20 10

2-OFDMA 21 2-OFDMA 22 11

2-OFDMA 23 2-OFDMA Pour transmettre le maximum d'informations sur une portion de fréquence donnée, l'ofdma utilise des sous-porteuses orthogonales entre elles c est à dire que lorsque l amplitude d une sous porteuse est maximale les amplitudes des autres sous porteuses sont à zéro. Ainsi les signaux des différentes sousporteuses se chevauchent mais grâce à l'orthogonalité n'interfèrent pas entre eux. 24 12

Principe de l orthogonalité 25 2-OFDMA 26 13

2-OFDMA 27 3. SC-FDMA 28 14

3. SC-FDMA 29 3. SC-FDMA 30 15

3. SC-FDMA 31 3. SC-FDMA 32 16

3. SC-FDMA 33 3. SC-FDMA 34 17

4- MIMO Afin d obtenir un gain en diversité et en débit, la LTE MIMO propose Un système qui se compose de 4 antennes émettrices et 4 antennes réceptrices (configuration inférieure possible). Ainsi, le récepteur doit déterminer la réponse impulsionnelle du canal de chaque antenne d'émission. En LTE, les réponses impulsionnelles des canaux sont déterminées par la transmission séquentielle de signaux de référence connus de chaque antenne de transmission. Notez que pendant qu une antenne émettrice envoie le signal de référence, l'autre antenne est inactive. Une fois que les réponses impulsionnelles du canal sont connues, les données peuvent être transmises par les antennes 35 C-Evolution UMTS -> LTE 36 18

C-Evolution UMTS -> LTE 37 D-AVANTAGES ET INCONVENIENTS Avantages Ce nouveau standard devrait permettre aux opérateurs de réduire leurs couts et aux utilisateurs de bénéficier de meilleures performances. Pour parvenir à ce résultat, les systèmes radio LTE recourent à des technologies d'antennes multiples qui permettent une meilleure utilisation du spectre. 38 19

Avantages des débits plus élevés sur les liens montants ou descendants du réseau, grâce à l agrégation de porteuses ; débits pouvant aller jusqu'à 100 Mbps des performances radios accrues au niveau d'une cellule pour servir plus de terminaux, grâce aux évolutions de la technologie MIMO ; la possibilité de déployer des relais radio à coût faible qui viendront étendre la couverture d'une cellule ; Des temps de latence qui seront diminués; 39 Avantages Ne nécessite pas beaucoup de travaux de génie civil un meilleur passage à l'échelle en termes de capacité de trafic supporté par le réseau. 40 20

Insuffisances Obtention d une licence d exploitation auprès d une autorité publique. En réalité, la LTE ne pourra franchir que de petits obstacles comme un arbre ou une maison mais le signal est incapable de passer au travers de collines ou d immeubles importants. Le débit en présence d obstacle est fortement diminué. 41 III. Architecture 1. Architecture physique En réalité, le réseau s appelle EPS (Evolved Packet System). Il est constitué d un réseau d accès qui est le LTE (Long Term Evolution) et d un réseau-cœur appelé EPC (Evolved Packet Core). 42 21

1.Architecture physique 43 Architecture physique: E-UTRAN ou LTE A la différence de l UTRAN 3G où sont présentes les entités Node B et RNC, l architecture E-UTRAN ne présente que des enodeb. Ils sont responsables de l émission et la réception radio avec le mobile. Les fonctions supportées par le RNC ont été réparties entre l enodeb et le MME/Serving GW. Les enodebs sont reliés entre eux par une interface X2. L'eNodeB est relié au cœur du réseau à travers l'interface S1. Cette dernière consiste en S1-U(S1- Usager) entre l'enodeb et le Serving Gateway(SGW) et S1-C(S1-Contrôle) entre l'enodeb et le MME. 44 22

Architecture physique: EPC MME(Mobility Management Entity) Il assure plusieurs fonctionnalités surtout sur le plan du contrôle(signalisation). On peut citer: o La signalisation EMM (EPS Mobility Management) qui permet de gérer la mobilité (attachement, détachement, mise à jour de localisation du mobile)et ESM (EPS Session Management) qui gère les sessions (établissement/libération de session de données); o L'authentification du mobile au moment de la connexion avant de lui autoriser l'accès au réseau; o Le paging du mobile quand il y a des données entrants à destination de ce dernier; o La mise à jour du Tracking Area (liste des zones de localisation prises en charge par le MME) quand le mobile change la zone géré par son MME nominal; o Le choix du Serving GW et du PDN GW qui serviront à mettre en œuvre le Default Bearer au moment du rattachement du mobile au réseau; o La sélection de MME lors du handover avec changement de MME; o La sélection du SGSN lors du handover avec les réseaux d accès 2G/3G; o La mise à jour de la localisation du mobile dans le HSS lorsqu il se rattache au réseau et le chargement du profil de l'abonné; o L'établissement des bearers (dedicated ou default) pour la prise en charge des communications; 45 Architecture physique: EPC Serving GW (Serving Gateway) C est le point d ancrage après le LTE/E-UTRAN. Il gère: o Le handover inter-enodeb et le handover entre LTE et les réseaux 2G/3G; o Le routage des paquets sortant au PDN GW et relai des paquets entrants à l enodeb servant le mobile; o La mise en mémoire des paquets entrants lorsque le mobile destinataire est dans le mode IDLE (mobile qui n'a pas encore de dedicated bearer); o La taxation en comptant le nombre d octets de données par abonnée; 46 23

Architecture physique: EPC PDN GW (Packet Data Network Gateway) Il assure: o L interfaçage vers les réseaux de données IP externes; o L assignation d une adresse IP au mobile au moment de l'attachement au réseau; o La taxation des flux de service dans le sens montant et descendant. HSS (Home Subscriber Server) Le HSS est un HLR évolué et contient l information de souscription des abonnés pour les réseaux 2G, 3G, LTE, IMS L interface vers le HSS s appuie sur le protocole DIAMETER (protocole du monde IP) à la différence de la 2G/3G qui utilise le protocole MAP (protocole du monde SS7). 47 Architecture physique: EPC PCRF (Policy & Charging Rules Function) L entité PCRF réalise deux fonctions : Elle fournit au PDN-GW les règles de taxation nécessaire pour différencier les flux de données de service et les taxer de façon appropriée Elle demande au PDN-GW d établir, de modifier et de libérer des dedicated bearer en fonction de la QoS souscrite par l'abonné. 48 24

2. Architecture Logique: Protocoles et couches 49 Architecture Logique: Protocoles et couches NAS: Non Access Stratum, établit la communication avec la MME, gestion de la mobilité et des sessions. Layer3: Radio Resource Control, responsable de la diffusion d information système, configuration des sous couches RLC,MAC et PDCP, des fonctions mobilité et gestion de QoS Layer2: Packet Data Convergence Protocol: réduit le nombre de bits à transmettre, réalise la compression des headers IP Radio Link Control (RLC): responsable de la segmentation, de la concaténation et de la retransmission. Médium Access Control: responsable de l ordonnancement en liaison UL/DL. Chois de la modulation et l assignement de ressources. Layer 1(PHY): fonction codage/décodage, modulation/démodulation et mappage des ressources 50 25

Architecture Logique: Canaux radios a- Canaux logiques: Les canaux logiques correspondent aux services de transfert de données offert par les protocoles des couches hautes de l interface radio. Il y a uniquement deux types de canaux logiques : les canaux de contrôle, pour les transferts des informations du plan de contrôle et lescanauxde trafic pour les transferts des données utilisateur du plan usager. Chacun des canaux de ces deux catégories corresponds à un certain type de flux d information. 51 Architecture Logique: Canaux radios a- Canaux logiques(suite) Les canaux logiques de contrôles dans l E-UTRAN sont : BCCH (Broadcast Control Channel) est un canal commun en downlink, utilisé par le réseau pour broadcaster les informations système de l E-UTRAN à l ensemble des Terminaux présents dans une cellule radio. Ces informations sont utilisées par le terminal, par exemple pour connaitre l opérateur, pour avoir des informations sur la configuration des canaux commun de la cellule et comment accéder au réseau, etc. PCCH (Paging Control Channel) est un canal commun en downlink qui transfère les informations de paging aux terminaux présents dans une cellule. CCCH (Common Control Channel) est utilisé pour la communication entre le terminal et l E -UTRAN. Ce canal est typiquement utilisé dans les premières phases de l établissement de communication. 52 26

Architecture Logique: Canaux radios a- Canaux logiques(suite) MCCH (Multicast Control Channel) est utilisé pour la transmission des informations MBMS(Multimedia Broadcast and Multicast Service) du réseau à plusieurs terminaux. DCCH (Dedicated control Channel) est un canal point-à-point bidirectionnel qui supporte les informations de contrôle entre un terminal donné et le réseau. Il supporte uniquement les signalisations RRC et NAS. Les canaux logiques de trafic sont : DTCH (Dedicated Traffic Channel) est un canal point-à-point bidirectionnel utilisé entre un terminal donné et le réseau. Il peut supporter la transmission des données utilisateurs qui inclut les données elles mêmes et la signalisation de niveau application associée à ce flux de données. MTCH (Multicast Trafic Channel) est un canal de données point-àmultipoint pour la transmission de trafic de données du réseau à un ou plusieurs terminaux. Comme pour le MCCH, ce canal est associé au MBMS. 53 Architecture Logique: Canaux radios b- Canaux de transports Les canaux de transport E-UTRAN en downlink sont : BCH (Broadcast Channel) est associé au canal logique BCCH. Il permet un Transport Format fixé et prédéfinit et doit couvrir l ensemble de la cellule. PCH (Paging Channel) associé au BCCH. DL-SCH (Downlink Shared Channel) qui est utilisé pour transporter le contrôle d usager ou le trafic data. MCH (Multicast Channel) qui est associé au MBMS pour le contrôle des informations de transport. Les canaux de transport E-UTRAN en uplink sont: UL-SCH (Uplink Shared Channel) qui est l équivalent du DL-SCH en uplink. RACH (Random Access Channel) qui est un canal de transport spécifique supportant un contrôle d information limité. Il est utilisé durant les premières phases d établissement de communication ou dans le cas du changement d état du RRC. 54 27

Architecture Logique: Canaux radios 55 CONCLUSION La technologie LTE s'appuie sur un réseau de transport de paquet IP. Elle n a pas prévu de mode d'acheminement pour la voix, autre que la VoIP, contrairement à la 3G qui transporte la voix en mode circuit (à la manière des réseaux de téléphonie fixes classiques). La mise au point de spécifications adaptées au trafic téléphonique existant (non IP) fait d'ailleurs l objet de débats intenses entre opérateurs et équipementiers télécoms. Deux options techniques existent pour acheminer le trafic téléphonique classique sur les réseaux LTE. La fonction remplie en mode circuit (circuit switch fallback), qui doit être ajoutée aux futurs réseaux radio LTE, consiste à basculer un appel téléphonique (ou des SMS) sur les réseaux cellulaires existants 2G et 3G. L autre initiative, baptisée Voice over LTE via Generic Access (Volga), consiste à transporter voix et SMS dans un tunnel de données au travers d un réseau LTE. La plupart des opérateurs visent à améliorer leurs Packet Core réseau (SGSN, GGSN, etc...) vers Evolved Packet Core fonctionnalités (initialement ce sera être une mise à niveau logicielle pure, mais finalement, une fois la fonctionnalité CS est totalement éliminé, ce sera remplacée par une capacité élevée de routage des mécanismes). Ces boîtes seront ensuite remplacés par de hautes grande capacité des routeurs IP plus perfomants et l'intelligence de mobilité va résider dans les serveurs. Cela signifie que le traitement des appels vocaux sera basé sur IP et ne sera rien de plus qu'un logiciel d'application. Enfin avec les débits envisagés, la latence ciblée ainsi que la simplicité du système mais encore une flexibilité en terme de spectre ajoutée à un coût moindre, la LTE est destinée à offrir une meilleure expérience utilisateur, et générer plus de services à valeur ajoutée ainsi que des équipements mobiles plus intéressants, devenant de cette manière encore plus compétitive aux technologies sans fil telles que WIMAX, dans les dix années à venir!!! 56 28

WEBOGRAPHIE o o o o o o o o www.efort.com/r_tutoriels/lte_sae_efort.pdf http://www.conatel.gouv.ht/portabilite/partie%20i-- Introduction%20aux%20reseaux%20mobiles_new-Y.pdf www.3g4g.co.uk/lte/ http://fr.wikipedia.org/wiki/lte_(r%c3%a9seaux_mobiles) http://fr.wikipedia.org/wiki/3rd_generation_partnership_project http://althosbooks.com/umtslte.html http://pro.01net.com/editorial/540518/deploiement-de-la-4g-les-pays-europeens-montrentl-exemple/ http://www.nokiasiemensnetworks.com/portfolio/products/mobile-broadband/long-termevolution-lte 57 MERCI POUR VOTRE ATTENTION 58 29