Long Term Evolution

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Sommaire

Chapitre I Architecture LTE

1. Architecture gnrale : ........................................................................................................................... 4

2. Rseau daccs (Access Network) .......................................................................................................... 5

1.1. Caractristiques .............................................................................................................................. 5

1.1.1. Dbit de linterface radio ......................................................................................................... 5

1.1.2. Connexion permanente ........................................................................................................... 5

1.1.3. Dlai pour la transmission de donnes ................................................................................... 6

1.1.4. Mobilit .................................................................................................................................... 6

1.1.5. Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G : ................................................................... 6

1.1.6. Flexibilit dans lusage de la bande : ....................................................................................... 6

1.1.7. Support du multicast : ............................................................................................................. 6

1.1.8. Couverture de cellule importante dans les zones urbaines et rurales .................................... 6

1.2. Les entits du rseau daccs (E-UTRAN) : ..................................................................................... 6

3. Rseau cur (Core Network) ................................................................................................................. 7

3.1. Caractristiques .............................................................................................................................. 7

3.2. Les entits du rseau cur : ........................................................................................................... 9

3.2.1. Mobility Management Entity : ................................................................................................. 9

3.2.2. Serving Gateway (SGW) ........................................................................................................... 9

3.2.3. PDN Gateway (PGW) ............................................................................................................... 9

3.2.4. Home Subscriber Server (HSS) ............................................................................................... 10

3.2.5. Policy and Charging Rules Function (PCRF) ........................................................................... 10

Chapitre II - Interfaces et Protocoles

1. Architecture gnrale ........................................................................................................................... 11

1.1. Evolutions des diffrents nuds dans le LTE ............................................................................... 12

1.2. Les interfaces rseau de lE-UTRAN .............................................................................................. 14

1.2.1. Interface S1 ............................................................................................................................ 16

1.2.2. Interface S1 Felxibility ............................................................................................................ 17

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1.2.3. Interface X2 ............................................................................................................................ 18

2. Les plans usager et de contrle ............................................................................................................ 19

2.1. Larchitecture du plan usager ....................................................................................................... 19

2.2. Larchitecture du plan de contrle ............................................................................................... 20

3. Les protocoles de linterface Radio ...................................................................................................... 21

3.1. Architecture en couche radio de lE-UTRAN ................................................................................. 21

3.2. Les canaux radio ............................................................................................................................ 23

3.2.1. Canaux logiques ..................................................................................................................... 23

3.2.2. Canaux de transport .............................................................................................................. 24

3.2.3. Canaux physique .................................................................................................................... 24

3.2.4. Mappage entre les canaux..................................................................................................... 25

3.3. La couche PHY ............................................................................................................................... 26

3.4. La couche MAC .............................................................................................................................. 27

3.5. La couche RLC ................................................................................................................................ 27

3.6. La couche RRC ............................................................................................................................... 28

3.7. La couche PDCP ............................................................................................................................. 28

3.8. Protocoles NAS .............................................................................................................................. 29

Chapitre III - Interface Radio LTE

1. Introduction .......................................................................................................................................... 30

2. Orthogonal Frequency Division Multiplex............................................................................................ 30

2.1 Modulation Single Carrier et Egalisation : ........................................................................................ 30

2.2 Principes de lOFDM ......................................................................................................................... 32

2.3 Avantages de lOFDM : ..................................................................................................................... 34

3. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA): ................................................................ 35

3.1 La structure des trames en LTE : ....................................................................................................... 35

3.2 Dfinition du Physical Resource Block : .......................................................................................... 36

4. Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) ........................................................... 37

5. Multiple Input Multiple Output et Maximal Radio Combining (MIMO & MRC) .................................. 40

5.1 Principe de MRC :.............................................................................................................................. 40

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5.2 Principe de MIMO : ........................................................................................................................... 41

6. Power Control ....................................................................................................................................... 42

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Chapitre I Architecture du LTE

LTE : Long Terme Evolution (connu sous le nom de la 4G), est la dernire technologie sans fil

apparu.la 3GPP a dfini cette technologie comme R8 suite au succs qua connu les rseaux

UMTS/HSPA. Elle est base sur des techniques radios telles que lOFDMA et le MIMO permettant le

transfert de donnes trs haut dbit, avec une porte plus importante, un nombre dappels par cellule

suprieur et une latence plus faible.

1. Architecture gnrale La figure ci-dessous dcrit larchitecture globale du rseau, en incluant non seulement le rseau

Cur et le rseau daccs, mais aussi dautres blocs, et cela dans le but de montrer la relation entre

eux. Pour une simplification, la figure montre seulement les interfaces de signalisation. Dans des cas, les

deux ( signalisation et DATA ) sont supports par les interfaces ( comme S1,s2 ou 3G PS Gi interfaces)

mais , dans dautres cas les interfaces sont ddis pour les plans de contrle , et ne supportent que la

signalisations ( comme les interfaces S6 et la S7).

Les nouveaux blocs spcifis pour le LTE, connu aussi sous le nom dEPS (Evolved Packet System),

sont lEPC (Evolved Packet Core) et lE-UTRAN (Evolved UTRAN).

Dautres blocs sont galement affichs , comme lUTRAN ( le rseau daccs de lUMTS ) , les deux

parties PS et CS du rseau cur ,relis respectivement , au rseau dIP public ( ou priv ) et au rseau

du tlphone. LIMS (IP Multimedia Subsystem) est localis au sommeil de la parties cur et fournit

laccs aux rseaux IP publique et priv, et le rseau public du tlphone via les entits du rseau Media

Gateway.

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Figure 1.01 : Architecture gnral du LTE.

2. Rseau daccs (Access Network)

1.1. Caractristiques

1.1.1. Dbit de linterface radio

Linterface radio E-UTRAN doit pouvoir supporter un dbit maximum instantan de 100 Mbit/s

en considrant une allocation de bande de frquence de 20 MHz pour le sens descendant et un dbit

maximum instantan de 50 Mbit/s en considrant aussi une allocation de bande de frquence de 20

MHz pour le sens montant. Les technologies utilises sont OFDMA (Orthogonal Frequency Division

Multiple Access) pour le sens descendant et SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple

Access) pour le sens montant. Cela correspond une efficacit du spectre de 5 bit/s/Hz pour le sens

descendant et 2,5 bit/s/Hz pour le sens montant.

1.1.2. Connexion permanente

Principe des accs haut dbit o la connectivit est permanente pour laccs Internet. Mais

mme si la connexion est permanente au niveau du rseau, il est ncessaire pour le terminal de passer

de ltat IDLE ltat ACTIF lorsquil sagira denvoyer ou recevoir du trafic. Ce changement dtat

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sopre en moins de 100 ms. Le rseau pourra recevoir le trafic de tout terminal rattach puisque ce

dernier dispose dune adresse IP, mettre en mmoire ce trafic, raliser lopration de paging afin de

localiser le terminal et lui demander de rserver des ressources afin de pouvoir lui relayer son trafic.

1.1.3. Dlai pour la transmission de donnes

Moins de 5 ms entre lUE et lAccess Gateway, en situation de non-charge o un seul terminal

est ACTIF sur linterface radio. La valeur moyenne du dlai devrait avoisiner les 25 ms en situation de

charge moyenne de linterface radio. Ceci permet de supporter les services temps rel IP, comme la voix

sur IP et le streaming sur IP.

1.1.4. Mobilit

Assure des vitesses comprises entre 120 et 350 km/h. Le handover pourra seffectuer (la LTE ne

permet que le hard handover et non pas le soft handover) dans des conditions o lusager se dplace

grande vitesse.

1.1.5. Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G :

Le handover entre E-UTRAN (LTE) et UTRAN (3G) doit tre ralis en moins de 300 ms pour les

services temps-rel et 500 ms pour les services non temps-rel. Il est clair quau dbut du dploiement

de la LTE peu de zones seront couvertes. Il sagira pour loprateur de sassurer que le handover entre la

LTE et la 2G/3G est toujours possible. Le handover pourra aussi seffectuer entre la LTE et les rseaux

CDMA-2000. Les oprateurs CDMA volueront aussi vers la LTE qui devient le vrai standard de

communication mobile de 4me gnration.

1.1.6. Flexibilit dans lusage de la bande :

E-UTRAN doit pouvoir oprer dans des allocations de bande de frquence de diffrentes tailles

incluant 1.25, 2.5, 5, 10, 15 et 20MHz.

1.1.7. Support du multicast :

Notamment pour les applications multimdia telles que la tlvision en broadcast.

1.1.8. Couverture de cellule importante dans les zones urbaines et rurales

Comme la LTE pourra oprer sur des bandes de frquences diverses et notamment basses

comme celle des 700 MHz, il sera possible de considrer des cellules qui pourront couvrir un large

diamtre.

1.2. Les entits du rseau daccs (E-UTRAN) : La seule entit prsente dans laccs est leNodeB qui peut tre assimil un Node B+RNC.

LeNodeB est le responsable de la transmission et de la rception radio avec lUE.

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A la diffrence de lUTRAN 3G o sont prsentes les entits Node B et RNC, larchitecture e-UTRAN

ne prsente que des eNodeB. Les fonctions supportes par le RNC ont t rparties entre leNodeB et

les entits du rseau cur MME/SGW. LeNodeB dispose dune interface S1 avec le rseau cur.

Linterface S1 consiste en S1-C (S1-Contrle) entre leNodeB et la MME et S1-U (S1-Usager) entre

leNodeB et la SGW. Une nouvelle interface X2 a t dfinie entre les eNodeBs adjacents. Son rle est de

minimiser la perte de paquets lors de la mobilit de lusager en mode ACTIF (Handover). Lorsque

lusager se dplace en mode ACTIF dun eNodeB un autre eNodeB, de nouvelles ressources sont

alloues sur le nouvel eNodeB pour lUE ; or le rseau continu transfrer les paquets entrants vers

lancien eNodeB tant que le nouvel eNodeB na pas inform le rseau quil sagit de lui relayer les

paquets entrants pour cet UE. Pendant ce temps lancien eNodeB relaie les paquets entrants sur

linterface X2 au nouvel eNodeB qui les remet lUE.

Figure 1.02 : Architecture de lE-UTRAN.

3. Rseau cur (Core Network)

3.1. Caractristiques

En effet, la SAE est le nom dune tude o la 3GPP industrie dveloppe une structure pour une

volution et migration des systmes courants un systme qui supporte des technologies d'accs

multiples, avec un plus haut taux de donnes et bas sur la commutation de paquets. Alors que lEPC

(Evolved Packet Core) ou le CPE est le nom du rseau cur volu.

la diffrence des rseaux 2G et 3G o lon distinguait les domaines de commutation de circuit

(CS, Circuit Switched) et de commutation de paquet (PS, Packet Switched) dans le rseau cur, ce

nouveau rseau quand lui ne possde quun domaine paquet appel EPC. Ainsi, tous les services

devront tre offerts sur IP y compris ceux qui taient auparavant offerts par le domaine circuit tels que

la voix, la visiophonie, le SMS, etc.

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LEPC fonctionne en situation de roaming en mode home routed ou en mode local

breakout . Autrement dit lorsquun client est dans un rseau visit, son trafic de donnes est soit rout

son rseau nominal qui le relaye par la suite la destination (home routed) ou directement rout au

rseau de destinataire sans le faire acheminer son rseau nominal (local breakout).

Il est possible de faire acheminer le trafic de lEPC vers laccs LTE, CDMA-2000 (paquet), 2G

(paquet) et 3G (paquet) et ainsi garantir le handover entre ces technologies daccs.

LEPC supporte les Default bearers et les Dedicated bearers, cest--dire lorsque lusager se rattache

au rseau EPC, ce dernier lui cre un dfaut bearer qui reprsente une connectivit permanente tant

que lusager est rattach au rseau mais sans dbit garanti. Quand lusager souhaitera tablir un appel

qui requiert une certaine qualit de service telle que lappel voix ou visiophonie, le rseau pourra tablir

pour la dure de lappel un dedicated bearer qui supporte la qualit de service exige par le flux de

service et surtout qui dispose dun dbit garanti afin dmuler le mode circuit.

Enfin, lEPC supporte le filtrage de paquet par exemple pour la dtection de virus et une taxation

volue base sur le service accd par le client en termes du volume, de la session, de la dure, de

lvnement, du contenu, etc.

Figure 1.03 : Vue globale du rseau cur EPC.

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3.2. Les entits du rseau cur : Le rseau cur volu EPS consiste comme le montre la figure en les cinq principales entits

numres ci-dessous:

3.2.1. Mobility Management Entity :

Entit de gestion de mobilit, MME : la MME est le nud principal de contrle du rseau d'accs

LTE/SAE. Elle manipule un certain nombre de fonctionnalits telles que:

Le suivi des UE Mode Inactif (idle).

Lactivation / dsactivation du Bearer.

Le choix du SGW pour un UE.

Le handover Intra-LTE impliquant la location du nud du rseau daccs.

Linteraction avec le HSS pour authentifier un utilisateur en attachement et implmentation des

restrictions d'itinrance.

Elle agit comme un licenciement pour la Non-Access Stratum (NAS).

Elle Fournit des identits temporaires pour les UEs.

La SAE/MME agit en point de terminaison pour le chiffrement de protection des NAS de

signalisation. Dans le cadre de cela, il s'occupe galement de la gestion de la cl de scurit. En

consquence, la MME est le point o l'interception lgale de signalisation peut tre effectue.

La procdure de Paging.

L'interface S3 se terminant dans la MME fournit ainsi la fonction de plan de contrle de mobilit

entre les rseaux d'accs LTE et 2G/3G.

Le MME/SAE termine galement l'interface S6 pour le HSS pour l'itinrance UEs.

La MME/SAE fournit un niveau considrable de fonctionnalits de contrle global.

3.2.2. Serving Gateway (SGW)

La passerelle de service SGW, est un lment plan de donnes au sein de la LTE/SAE. Son

objectif principal est de grer la mobilit du plan utilisateur, elle agit galement comme une

frontire principale entre le Radio Access Network, RAN et le rseau cur. La SGW maintient

galement les chemins de donnes entre les eNodeBs et les passerelles PDN. De cette faon le

SGW forme une interface pour le rseau de donnes par paquets l'E-UTRAN. Aussi quand les

UEs se dplacent dans les rgions desservies par des eNodeBs diffrentes, la SGW sert de point

d'ancrage de mobilit veillant ce que le chemin de donnes soit maintenu.

3.2.3. PDN Gateway (PGW)

La passerelle LTE/SAE PDN assure la connectivit pour l'UE des rseaux de paquets de

donnes externes, remplissant la fonction d'entre et de sortie pour les donnes UE. L'UE peut disposer

d'une connectivit avec plus d'un PGW pour laccs des PDNs multiples.

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3.2.4. Home Subscriber Server (HSS)

Avec la technologie LTE, le HLR est rutilis et renomm HSS. Le HSS est donc un HLR volu qui

contient linformation de souscription pour les rseaux GSM, GPRS, 3G, LTE et IMS. A la diffrence de la

2G et de la 3G o linterface vers le HLR est supporte par le protocole du monde SS7, MAP, linterface

S6 sappuie sur le protocole du monde IP, DIAMETER. Le HSS est une base de donnes qui est utilise

simultanment par les rseaux 2G, 3G, LTE/SAE et IMS appartenant au mme oprateur. Il supporte

donc les protocoles MAP (2G, 3G) et DIAMETER (LTE/SAE, IMS).

3.2.5. Policy and Charging Rules Function (PCRF)

La PCRF est le nom gnrique de l'entit au sein de la LTE SAE/EPC qui dtecte les flux de

service et applique la politique de tarification. Pour les applications qui ncessitent une politique

dynamique de tarification ou de contrle, un lment du rseau intitul Applications Function, AF est

utilise.

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Chapitre II Interfaces et Protocoles

Le but de ce chapitre est dentrer dans les dtails de larchitecture du LTE et plus

particulirement lE-UTRAN. Pour ce faire, ce chapitre dcrira avec dtail les entits fonctionnelles du

rseau ainsi que les interface et protocoles. On sintressera plus linterface radio du rseau.

1. Architecture gnrale La figure suivante prsente une vue simplifi de larchitecture EPS. Tous les nuds et interface

du rseau y sont reprsents. Elle met en lumire les interactions et signalisations au niveau usager ainsi

que la connectivit data et laspect architectural.

Linterface X2 ne doit pas tre vue comme une simple interface point-a-point entre deux

eNodeBs, mais plutt comme une interface maille. Cette interface optionnel a t dfini dans le but de

transporter les paquets entre eNodeBs et de limiter les pertes de paquets dans le cas dune mobilit

dutilisateur Intra E-UTRAN.

Linterface S1 sont tour, nest pas une simple interface entre un eNodeB et un MME/Serving

Gateway, puisque un eNodeB peut tre connect un ou plusieurs MME. Cette flexibilit est connue

sous le nom de S1-flex (quivalent lIu-flex 3G/UMTS).

Puisque le MME et le Serving GW sont dploys dans des botes physiques spares, linterface

S1 est divise en deux parties

Linterface S1-U (Pour le plan usager) qui transporte les donnes utilisateur entre leNodeB et le

Serving GW.

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Linterface S1-C (Pour le plan de contrle) qui transporte uniquement la signalisation entre

leNodeB et le MME.

Figure 2.01 : Architecture de lEPS Les connectivits dans le plan usager et contrle.

1.1. Evolutions des diffrents nuds dans le LTE LeNodeB est lunique nud logique prsent dans lE-UTRAN. Les principaux fonctions que

leNodeB supports sont les suivantes :

Radio Bearer Management, qui inclut ltablissement et le libration des supports de

donnes radio (Radio Bearer) ainsi que les fonctions de la gestion des ressources radio

pour le contrle de ladmission ainsi que lallocation des supports de donnes. Cet

ensemble de fonctions est sous le contrle du MME travers linterface S1 pendant

ltablissement, la libration et la modification de la session

Linterface radio de transmission et de rception qui inclut la modulation/dmodulation

ainsi que le codage/dcodage du canal radio.

La gestion dynamique des ressources radio en Uplink et Downlink et lOrdonnancement

(Scheduling) des paquets data est la fonction la plus critique qui require que leNodeB

fait face plusieurs contraintes dans le but dtre capable de multiplexer diffrents flots

de donnes sur linterface radio dutiliser les ressources disponibles de faon optimal.

Radio Mobility Management, qui soccupe de la mobilit du terminal lorsquil est dans

lactive state. Ceci doit tre distingu du Mobility Management qui est une fonction gre

par le Packet Core.

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Chiffrement et compression des entte IP des donnes usager est la fonction c l de la

transmission de donnes sur linterface radio. Elle rpond aux besoins de scurit sur

linterface radio et la transmission de paquets IP de faon optimal.

Scurit de la signalisation rseau, cause de la sensibilit des messages de signalisation

changs entre eNodeB et le terminal ou entre le MME et le terminal. Toutes ces

informations sont protges contre lcoute et laltration.

Lordonnancement et la transmission des informations Broadcast, qui est prsente de

tous, ou presque, les rseaux cellulaire.

Lordonnancement et la transmission des messages de paging, cette fonction est

essentielle pour pouvoir localiser le mobile.

LeNodeB est dfini par le 3GPP en utilisant le traditionnel modle OSI en couche. De cette

perspective, tous les fonctions dcrit au-dessus sont gres par les diffrents couches, comme la

couche physique, la couche lien de donns RLC/MAC ou la couche de signalisation Radio Resource

Control.

LEPC quant lui, comprends quatre nuds logiques savoir le HSS (Home Subscriber Server), le

MME (Mobility Management Entity) et deux passerelles associes au plan usager Serving GW et Packet

Data Network GW. Chacun de ces entits supportes des fonctions volus.

Larchitecture de lE-UTRAN a introduit des modifications sur la localisation des principales

fonctions dans le rseau. Par consquent, il y a quelques diffrences dans la faon les paquets sont

grs. Ces changements sont prsents dans la Figure 2.01, qui se focalise sur le lien descendant du plan

Usager. La sparation entre le RNC et le NodeB dans larchitecture de lUMTS implique que la gestion

des paquets de donnes ncessite deux buffers spars. Ce qui ncessite limplmentation dun

mcanisme fin dviter le NodeB buffer overflow ou le manque de donne au niveau du NodeB.

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Figure 2.02 : Diffrence entre UMTS et EPS sur le lien descendant du plan Usager.

Dans le LTE, la compression et le chiffrement sont tous les deux supports par la couche PDCP

localise dans leNodeB. Puisque, tous les mcanismes de retransmission sont localiss dans leNodeB,

le traitement des paquets de donnes ncessite un seul buffer. Par ailleurs, et dans le cas de lE-UTRAN

les donnes du buffer peuvent tre transfres entre eNodeBs, ce qui aide minimiser les probabilits

de pertes de paquets.

1.2. Les interfaces rseau de lE-UTRAN Le but de cette partie est de fournir les informations gnral sur les interfaces rseau S1 et X2 de

lE-UTRAN. Ces deux interfaces suivent le mme modle qui est dcrit dans la figure 2.03.

De mme quen 3G/UTRAN, le modle de linterface rseau de lE-UTRAN est compos de deux

parties principales : la couche Radio Network qui englobe les protocoles couches hautes de linterface

et la couche Transport Network qui rfre uniquement la faon dont les donns de la couche Radio

Network sont transports. Cette sparation assure une indpendance entre les deux couches.

En plus de la sparation selon le modle OSI, chaque interface est divise en deux plans, le plan

usager (User plane) et le plan de contrle (Control plane).

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Le plan usager transporte toutes les informations considres comme des donnes utilisateur,

du point de vue de linterface. Ceci consiste en des donnes purement usager comme les paquets de

voix et vidos ou la signalisation de niveau application (comme SIP, SDP or RTCP). Avant la transmission

sur linterface, les diffrents paquets sont tous simplement envoys la couche Transport. Cest ce qui

explique labsence de tout protocole dans la couche Radio Network qui correspond au plan usager.

Le plan de contrle soccupe tous les messages et les procdures strictement lis aux

fonctionnalits prises en charge par les interfaces. Ceci inclut par exemple, les messages de contrle

pour la gestion du handover ou la gestion des porteuses (supports).

La couche physique, fait partie de la couche transport. Elle commune aux deux plans. A part cela,

les plans usager et contrle utilise des protocoles spcifique qui dfinissent ainsi une pile de transport et

des porteuses (support de donnes) diffrents et indpendant pour chaque couche. Linformation dans

le plan de contrle est soumise des contraintes de scurit, de fiabilit, et de perte de donnes alors

que dans le plan usager linformation est route laide de protocoles simples et moins scuriss.

Comme en 3G/UTRAN, les interfaces de lE-UTRAN sont entirement open , ce qui veut dire

que S1 et X1 sont compltement dfinit par 3GPP et que chaque quipementier doit se conformer aux

spcifications dans limplmentation des diffrents quipements. Ceci permet- en principe le

dploiement des eNodeBs de diffrents quipements en un seul rseau et interconnects via

linterface X2. Il en de mme pour linterconnexion entre lE-UTRAN et lEPC.

Figure 2.03 : Le modle dune interface E-UTRAN.

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1.2.1. Interface S1

Linterface S1-U (ou S1 User plane interface Linterface S1 pour le plan usager) transporte les

paquets utilisateurs entre le eNodeB et le Serving GW. Cette interface utilise une simple pile de

protocole de transport GTP over UDP/IP qui ne fait quencapsuler les donnes de lusager. Il nexiste

ni contrle de flux ou contrle derreur, ou tout autre mcanisme de garantie de livraison de donnes

sur linterface S-U.

Le GTP (GPRS Tunneling Protocol) est actuellement hrit des rseaux 2G/GPRS et 3G/UMTS.

Dans les rseaux 3G, GTP est utilis entre les nuds GPRS (SGSN et GGSN). En 3G, GTP est aussi utilis

dans linterface Iu-PS (entre RNC et le SGSN).

Linterface S1-C (ou S1 Control plane interface Linterface S1 pour le plan de contrle) est utilis

pour la signalisation. Elle supporte un certains nombre de fonctions et procdures entre eNodeB et le

MME. Toutes les procdures de signalisation du S1-C appartiennent lun des quatre groupes suivants :

Procdures du Bearer-level, ce groupe comprend toutes les procdures relatives

ltablissement, modification et de libration de supports (porteuses). Une porteuse correspond

un segment S1 dune session, plus le chemin de linterface radio. Ces procdures sont utilises

pendant ltablissement et la libration dune session de communication.

Procdures du Handover qui englobent tous les fonctions S1 relative la mobilit des

utilisateurs en leNodeB ou avec les technologies 2G ou 3G.

Transport de signalisation NAS ceci corresponds au transport de signalisation entre le terminal

et le MME travers linterface S1. Le lien de signalisation entre le terminal et le MME est aussi

appel NAS (Non Access Stratum signalling) , puisquil est nest pas visible pour leNodeB. Vue

limportance de ces messages, ils sont transport sur la S1-C en utilisant des procdures

spcifiques, au lieu de la S1-U GTP qui prsente peu de garanties.

Procdure de Paging qui est utilis dans le cas dun usager en fin de session. A travers la

procdure du paging, le MME demande leNodeB de chercher le terminal dans un nombre

donn de cellules.

Linterface S1-C doit fournir un haut niveau de fiabilit dans le but dviter les messages de

retransmission et des retards dans lexcution des procdures du plan de contrle.

Selon le dploiement du rseau de transport, il y a certains cas o le transport UDP/IP nest pas

suffisamment fiable. Par ailleurs, dans le cas o le rseau de transport nappartient pas loprateur

mobile, il se peut que la qualit de service (QoS) ne soit pas garantie tout le temps. Cest pour cette

raison que linterface S1-C utilise une couche de transport de rseau, qui est mise en place de bout-en-

bout. Dans larchitecture LTE, ce service est assur par le SCTP (Stream Control Transmission Protocol).

Dans linterface S1, le SCTP est utilis sur la couche rseau IP dhabitude. Il y a une seule

association par instance de linterface S1. Sur cette relation, un seul flux SCTP est utilis pour toutes les

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procdures communes (procdure du paging par exemple) entre deux quipements. En ce qui concerne

toutes les procdures ddies -qui comprennent toutes les procdures qui s'appliquent un contexte

de communication spcifique - elles sont toutes prises en charge sur un nombre limit de flux SCTP.

Le rseau de transport des interfaces S1 et X2 fait usage de la couche rseau IP la fois pour le

plan usager et plan de contrle. En plus des services basic garantie par ce protocole, LIP dans E-UTRAN

doit aussi supporter les services suivants :

NDS/IP (Network Domain Security for IP) qui fait rfrence un group de dispositifs de

scurit de niveau IP dfini par 3GPP pour lchange de donnes entre les lments du

rseau.

Diffserv (Differentiated Services) qui est une architecture rseau qui spcifie un

mcanisme pour classer et contrler le trafic tout en fournissant une qualit de service.

1.2.2. Interface S1 Felxibility

Dans les rseaux 2G et 3G traditionnels, la connectivit entre le rseau cur et le rseau daccs

a t dfinie selon une hirarchie un--plusieurs . Dans la Release 5, un nouveau dispositif a t

introduit, rendant flexible linterconnexion entre le rseau daccs et le rseau cur. Ce mme principe

a t introduit, ds le dbut, dans larchitecture du LTE. Ce standard porte le nom de S1-flex .

Comme prsent dans la figure, linterface S1-flex permet un eNodeB de se connecter plus

dun seul nud MME ou Serving GW. De cette mme figure, pour simplifier le MME et Serving GW sont

combins en un seul nud, mais la S1 flexiblity sapplique la fois au MME et le Serving GW.

Bien quun eNodeB puisse tre connect plusieurs MME, un terminal mobile est associ un

unique MME la fois. Ceci est d au fait que les sessions dun utilisateur sont toujours sous le contrle

dun seul MME.

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Figure 2.04 : La connectivit Access-Core traditionnelle et le S1-flex.

S1 flexiblity prsente plusieurs avantages :

En tendant la couverture des nuds du rseau cur plusieurs cellules, le S1-flex rduit le

nombre de handover inter-Core Network. Par ailleurs, le MME maintient la connectivit avec le

mobile tant quil est dans la mme pool area. Par consquence, le S1-flex aide rduire le

nombre de chargement dans le HSS gnr par le changement dans le MME.

Le standard S1-flex aide dfinir une architecture rseau partag par diffrents oprateurs. Par

exemple, un nombre donn deNodeBs peuvent tre partag entre deux oprateurs. Dans ce cas,

quand le terminal essai de senregistrer, leNodeB transmet le message denregistrement initial

au MME qui corresponds au rseau de loprateur de labonn.

S1 flexiblity permet au rseau de devenir plus robuste quant aux checs du rseau cur. En

effet, les pertes dun rseau cur seront compenses par les autres nuds associs aux mmes

pool areas .

En ouvrant la possibilit dun eNodeB se connecter un ou plusieurs MME prsente quelques

avantages dans lamlioration de la capacit du rseau et la gestion de la charge rseau.

1.2.3. Interface X2

Le rle linterface X2-U (X2 User plane interface LInterface X2 du plan usager) est de

transporter les paquets de donnes entre eNodeBs. Elle est utilise dans une dure limite en temps,

quand le terminal se dplace dun eNodeB un autre. Par ailleurs, cette interface permet de transfrer

les paquets de donnes mis dans les mmoires tampons (buffers) entre eNodeBs. X2-U utilise le mme

protocole de tunneling GTP, dj utilis dans linterface S1-U.

Long Term Evolution

19

Linterface X2-C (X2 Control plan interface linterface X2 du plan de contrle) est une interface

de signalisation. Elle supporte un groupe de fonctions et procdures entre eNodeBs. Les procdures de

linterface X2-C sont trs limit en nombre et ils sont toutes relative la mobilit des usagers entre

eNodeB, dans le but dchanger les informations sur le contexte de lusager entre les diffrents nuds

(porteuses allous, scurit).

Par ailleurs, linterface X2-C propose la procdure du Load Indicator dont le dut est de

permettre un eNodeB de signaler sa condition de charge aux eNodeBs voisins. Le but de cette

procdure est daider supporter la gestion du balancement de la charge ou doptimiser les seuils du

handover ainsi que les dcisions du handover.

Le besoin dun transport de signalisation fiable entre les nuds est le mme que dans linterface

S1-C. Cest pour cette raison que linterface X2-C utilise aussi une couche de transport type SCTP over

IP .

2. Les plans usager et de contrle Cette partie dcrira de faon globale la structure des protocoles de bout en bout du LTE pour le

plan usager et le plan de contrle, qui correspondent respectivement transmission des donnes

utilisateurs et la transmission de signalisation.

2.1. Larchitecture du plan usager Du point de vue rseau sans fil - y compris le rseau d'accs et cur - le plan de usager ne

comprend pas seulement les donnes des utilisateurs tels que les paquets de voix ou de contenu Web,

mais aussi la signalisation associes aux services d'application tels que le SIP ou RTCP. Cependant bien

quelle soit considre comme une information de contrle par les couches dapplication, la

signalisation des couches hautes est transmise via le plan usager.

Le plan usager de bout en bout est dcrit dans la Figure 2.05 (Du terminal jusquau serveur

dapplication). Dans cette image, la couche application, prsente uniquement dans le terminal et le

serveur dapplication, est bas sur un transport IP. Les paquets de niveau application sont routs

travers le Packet Core Gateways, avant datteindre leurs destinations. Dans cet exemple, la couche

application peut comporter un grand nombre de protocole comme les protocoles de transports de bout

en bout (TCP ou UDP) et RTP (Real Time Protocol) pour le transport de donnes et les protocoles de

signalisation de niveau application (SIP, SDP, RTCP, etc.). Par ailleurs, L1 et L2 sont rfrence

respectivement au lien physique et donnes des interfaces S1, S5 et SGi. Pour ces couches, le standard

LTE est assez flexible et propose plusieurs options appropris aux rseaux IP.

Long Term Evolution

20

Figure 2.05 : La pile protocolaire du plan usager.

2.2. Larchitecture du plan de contrle Le plan de contrle correspond aux flux dinformation considrs par E-UTRAN et EPC comme

flux de signalisation. Par exemple, il inclut tous les messages de signalisation du RRC1 (Radio Resource

Control) qui supporte des fonctions tels que Radio Bearer Management, la mobilit radio, paging des

utilisateurs. Par ailleurs, ce plan comprend aussi la signalisation du NAS (Non Access Stratum) qui fait

rfrence aux fonctions et services indpendant de la technologie daccs. On verra plus tard, quil

comprend aussi les couches GMM (GPRS Mobility Management) et SM (Session Management) en

charge de toutes les procdures de signalisation entre le terminal de lutilisateur et MME pour les

session et la gestion des porteuses, contrle de scurit ainsi que lauthentification.

La Figure 2.06 dcrit la pile protocolaire du plan de contrle. La pile sarrte jusquau niveau du

MME, parce que les protocoles des couches-hautes se termine au niveau du MME. Sur linterface radio,

le plan de contrle utilise les mmes piles PDCP, RLC, MAC and PHY, qui seront prsent dans la

prochaine section, pour transporter la fois RRC et la signalisation NAS du rseau cur. Les couches

RLC, MAC et PHY support les mme fonctions la fois pour le plan usager et le plan de contrle.

Cependant ceci ne veut pas dire que les informations du plan usager et le plan de contrle sont

transmis de la mme faon. Plusieurs porteuses radio (Radio bearers) peuvent tre tablit entre le

terminal et le rseau, chacune delle correspond schma de transmission spcifique, une protection

radio et un traitement prioritaire. Cest le but des canaux radio, qui seront prsent dans la prochaine

section.

1 Voir 3 de ce chapitre

Long Term Evolution

21

Figure 2.06 : Pile protocolaire du plan de contrle.

3. Les protocoles de linterface Radio Linterface radio est distingue de la transmission filaire par le cot et la raret du spectre, ainsi

le taux derreur trs lev de la transmission. A cause de ces caractristiques, la pile protocolaire de

linterface radio est trs spcifique. Il est compos des couches suivantes :

PHY (Physical Layer).

MAC (Medium Access Control) en charge de lordonnancement des paquets et la rptition

rapide.

RLC (Radio Link Control) est responsable de la transmission fiable de donnes.

PDCP (Packet Data Convergence Protocol) qui fournit le protocole de compression dentte et

implmente le cryptage de donnes.

Linterface radio E-UTRAN est dcrite selon le modle OSI. Avec une couche physique (Layer1)

qui implmente la partie PHY et une couche liaison de donnes qui supporte le RLC et MAC.

3.1. Architecture en couche radio de lE-UTRAN

La Figure 2.07 donne une vue global sur la structure du protocole radio. Elle dcrit brivement la

rle de chacune des diffrentes couches et comment elle interagissent avec les autres. Cette figure

dcrit uniquement les couches protocolaires dans la partie eNodeB, mais les mmes fonctions et

couches existent sur la partie station mobile.

A partir du haut de la figure, la couche RRC (Radio Resource Control) supports toutes les

procdures de signalisation entre le UE et leNodeB. Ceci inclut les procdures de mobilits et la gestion

de connexion. Les signalisations venant du plan de contrle de lEPC sont transfrs au terminal

travers le protocole RRC, do le lien entre le RRC et les couches suprieures.

Long Term Evolution

22

La couche PDCP dont le rle est de fournir le protocole de compression dentte et implmente

le cryptage de donnes. Cette couche supporte les porteuses radio. Chaque porteuses correspond un

flux dinformation comme les donnes du plan usager ou les signalisations du plan de contrle. Du

leurs but spcifique et leurs manipulation, les flux dinformation gnr par les fonctions System

Information Broadcast et Paging sont transparent la couche PDCP.

La couche RLC fournit la couche PDCP les services basique de la couche 2 du modle OSI,

comme la segmentation des donnes paquet et lARQ (Automatic Repeat Request) pour le mcanisme

de correction derreur. Il y a un mappage un--un entre les le flux dentre du RLC et les canaux logiques

fournit par le RLC la couche MAC

Le but principale est la couche MAC est de mapper et multiplexer les canaux logique sur les

canaux de transport aprs avoir performer les manipulations de priorit sur les flux de donnes reu

par la couche RLC. La couche MAC supporte aussi HARQ (Hybrid ARQ) qui est un processus de rptition

rapide. Finalement, la couche MAC dlivre les flux de transport la couche PHY, qui appliquera la

codage canal et la modulation avant la transmission sur linterface radio.

Figure 2.07 : Structure protocolaire en couche dans leNodeB pour les canaux de downlink.

Long Term Evolution

23

3.2. Les canaux radio

Linterface radio E-UTRAN doit tre capable de transmettre des informations haut dbit et

faible temps de latence. Cependant, pas tous les flux dinformation ne ncessitent la mme protection

face aux erreurs de transmission ou la manipulation de la Qualit de Service (QoS). Les messages de

signalisations E-UTRAN doivent tre transmis le plus rapidement possible en utilisant le meilleur schma

de protection contre les erreurs, car ils sont critique dans le cas dune mobilit radio. Dun autre cot, la

voix et les donnes peuvent tolrs un frame loss raisonnable, due la transmission radio.

Dans le but dtre flexible et permettre diffrents schma pour la transmission de donnes, les

spcifications de lE-UTRAN ont introduit plusieurs types de canaux :

Les canaux logiques ce qui est transmit.

Les canaux de transport comment est transmit.

Les canaux physiques.

3.2.1. Canaux logiques

Les canaux logiques correspondent aux services de transfert de donnes offert par les protocoles

des couches hautes de linterface radio. Il y a uniquement deux types de canaux logiques : les canaux de

contrle, pour les transferts des informations du plan de contrle et les canaux de trafic pour les

transferts des donnes utilisateur du plan usager. Chacun des canaux de ces deux catgories

corresponds un certain type de flux dinformation.

Les canaux logiques de contrles dans lE-UTRAN sont :

BCCH (Broadcast Control Channel) est un canal commun en downlink, utilis par le rseau pour

broadcaster les informations systme de lE-UTRAN lensemble des terminaux prsents dans

une cellule radio. Ces informations sont utilises par le terminal, par exemple pour connaitre

loprateur, pour avoir des informations sur la configuration des canaux commun de la cellule et

comment accder au rseau, etc.

PCCH (Paging Control Channel) est un canal commun en downlink qui transfert les informations

de paging aux terminaux prsente dans une cellule.

CCCH (Common Control Channel) est utilis pour la communication entre le terminal et lE-

UTRAN quand la connexion RRC. Ce canal est typiquement utilis dans les premires phases de

ltablissement de communication.

MCCH (Multicast Control Channel) est utilis pour la transmission des informations MBMS

(Multimedia Broadcast and Multicast Service) du rseau plusieurs terminaux.

DCCH (Dedicated control Channel) est un canal point--point bidirectionnel qui supporte les

informations de contrle entre un terminal donn et le rseau. Il supporte uniquement les

signalisations RRC et NAS.

Les canaux logiques de trafic sont :

Long Term Evolution

24

DTCH (Dedicated Traffic Channel) est un canal point--point bidirectionnel utilis entre un

terminal donn et le rseau. Il peut supporter la transmission des donnes utilisateurs qui inclut

les donnes elles mmes et la signalisation de niveau application associe ce flux de donnes.

MTCH (Multicast Trafic Channel) est un canal de donnes point--multipoint pour la transmission

de trafic de donnes du rseau un ou plusieurs terminaux. Comme pour le MCCH, ce canal est

associ au MBMS.

3.2.2. Canaux de transport

Les canaux de transport dcrivent pourquoi et avec quelles donnes caractristique sont

transfrs travers linterface radio. Par exemple, les canaux de transport dcrivent comment les

donnes sont protges contre les erreurs de transmission, le type de codage canal, la protection CRC

qui est utilise, la taille des paquets de donnes envoys sur linterface radio, etc. Cet ensemble

dinformation est connu sous le nom de Transport Format.

Comme dcrit dans les spcifications, les canaux de transports sont classifi en deux catgories :

les canaux de transport downlink et les canaux de transport uplink.

Les canaux de transport E-UTRAN en downlink sont :

BCH (Broadcast Channel) est associ au canal logique BCCH. Il un Transport Format fix et

prdfini et doit couvrir lensemble de la cellule.

PCH (Paging Channel) associ au BCCH.

DL-SCH (Downlink Shared Channel) qui est utilis pour transporter le contrle dusager ou le

trafic data.

MCH (Multicast Channel) qui est associ au MBMS pour le contrle des informations de

transport.

Les canaux de transport E-UTRAN en uplink sont :

UL-SCH (Uplink Shared Channel) qui est lquivalent du DL-SCH en uplink.

RACH (Random Access Channel) qui est un canal de transport spcifique supportant un contrle

dinformation limit. Il est utilis durant les premires phases dtablissement de communication

ou dans le cas du changement dtat du RRC.

3.2.3. Canaux physique

Les canaux physiques sont limplmentation des canaux transport sur linterface radio. Leur

structure dpend troitement des caractristiques de linterface physique OFDM.

Les canaux physiques en downlink sont :

PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) qui transporte les donnes usager et la signalisation

des couches hautes.

Long Term Evolution

25

PDCCH (Physical Downlink Control Channel) qui transport les assignations dordonnancement

pour le lien montant.

PMCH (Physical Multicast Channel) qui transporte linformation Multicast/Broadcast.

PBCH (Physical Broadcast Channel) qui transporte les informations systme.

PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) qui informe lUE sur le nombre de symboles

OFDM utilis pour le PDCCH.

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) qui transporte les ACK et NACK des rponses de

leNodeB aux transmissions en uplink relative au mcanisme HARQ.

Les canaux physiques en uplink sont :

PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) qui transporte les donnes utilisateur et la signalisation

des couches hautes.

PUCCH (Physical Uplink Control Channel) transporte les informations de contrle, comprends les

rponds ACK et NACK du terminal aux transmissions downlink, relative au mcanisme HARQ.

PRACH (Physical Random Access Channel) qui transporte le prambule de laccs alatoire

envoy par les terminaux au rseau daccs.

En plus des canaux physiques, la couche physique utilise des signaux physiques et qui sont les :

Signaux de rfrence (Reference signals) un seul signal est transmit par port dantenne

downlink.

Signaux de synchronisation (Synchronization signals) divis en signaux primaire et secondaire

de synchronisation.

3.2.4. Mappage entre les canaux

La figure ci-dessous prsente le mappage entre les canaux logiques, de transport et physiques.

Toutes les combinaisons ne sont pas permises, car certains canaux logiques ont des contraintes

spcifiques.

Long Term Evolution

26

Figure 2.08 : Mappage entre canaux de lE-UTRAN.

3.3. La couche PHY

Le rle de la couche PHY est de fournir des services de transport de donnes sur les canaux

physique pour les couches RLC et MAC hautes. La figure suivante dcrit le modle en couche physique

de leNodeB dans le cas dun canal de transport SCH. Un modle similaire existe pour luplink et les

autres canaux de transport dj cits.

Lors de chaque TTI (Transmission Time Interval) la couche physique reoit un certain nombre de

Transport Blocks pour la transmission. Chaque Transport Block lui sera ajout une CRC (Cycle de

contrle de redondance) ou un ensemble de bits pour la dtection des erreurs de transmission. Ensuite

les blocs sont protgs avec un codage canal robuste. Cette phase est sous le contrle du processus

MAC HARQ (Hybrid ARQ) qui adapte le taux de codage canal en se basant sur les informations fournit

par lentit rceptrice.

Le processus Interleaving ou entrelacement permet damliorer la robustesse face aux erreurs

de transmission radio. Ce processus permet au dcodeur canal de rcuprer exactement, les mmes bits

transmirent initialement. Le processus de modulation des donnes quant lui, il est sous le contrle de

lordonnanceur MAC. Pour les oprations du CRC et entrelacement, la couche PHY utilise des

paramtres statiques et des algorithmes spcifis par le standard E-UTRAN.

Long Term Evolution

27

Figure 2.09 : Le modle de la couche PHY du Downlink Shared Channel.

3.4. La couche MAC

Le but principale de la couche MAC (Medium Access Control) est de fournir un couplage efficace

entre les services de la couche RLC 2 et la couche physique. De cette perspective, la couche MAC

supporte quatre fonctions principales :

Le mappage entre les canaux logiques et de transport. En effet, quand le standard offre

diffrents options pour le transport de donnes pour un canal logique donn, la couche MAC

soccupe de choisir le canal de transport selon la configuration choisi par loprateur.

La slection du format de transport qui fait rfrence par exemple, au choix la taille du

Transport Block et le schma de modulation.

Gestion de proprit entre les connais logique dune terminale ou entre plusieurs terminaux.

Correction derreur travers le mcanisme HARQ.

3.5. La couche RLC

Lobjectif principale de la couche RLC (Radio Link Control) est recevoir/dlivrer les paquets de

donnes des/aux autres entits RLC pairs. Pour ce, la couche RLC propose trois modes de transmission

TM (Transport Mode), UM (Unacknowledged Mode) et AM (Acknowledged Mode).

Le mode TM est le plus simple, il ne change pas les donnes des couches hautes. Ce mode est

spcialement utilis pour la transmission du BCCH ou PCCH. Entit RLC Transparent Mode reoit les

donnes des couches hautes et les passe directement la couche MAC. Le mode UM quant luit,

rajoute la dtection des pertes des paquets et leurs rorganisation et r-assemblement. Finalement, le

mode AM le plus compliqu des trois supporte, supportes les fonctionnalits du mode UM. Aussi, la

capacit de demandes ses pairs la retransmission de paquets dans le cas ou une perte est dtecte. Ce

Long Term Evolution

28

mcanisme est spcifique au mode AM est connu sous le nom de ARQ (Automatic Repeat Request).

Pour cette raison, le mode AM sapplique uniquement aux canaux logiques DCCH et DTCH.

3.6. La couche RRC

La couche RRC (Radio Resource Control) est la couche cl dans le processus de signalisation. Elle

supporte plusieurs fonctions entre le terminal et leNodeB. Les procdures propos par la couche RRC

peuvent tre classifi comme suit :

La gestion de connexion RRC qui inclut ltablissement et la libration de la connexion RRC entre

le terminal et leNodeB.

Ltablissement et la libration des ressources radio qui est reli lallocation des ressources

pour le transport des messages de signalisation ou les donnes utilisateurs entre le terminal et

leNodeB.

Broadcast des informations systme ralis travers le canal logique BCCH.

Paging qui est ralis travers le canal de control logique PCCH.

Transmission des messages de signalisation vers et partir du EPC ces messages sont trait par

le RRC de faon transparent.

Mesures de contrle qui fait rfrence aux configurations des mesures ralis par le terminal

ainsi que la mthodes de les rapporter leNodeB.

Support des procdures de mobilits inter-cell ou le handover.

Le contexte utilisateurs transfr entre eNodeB lors dun handover.

3.7. La couche PDCP

Le but principale de la couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) est de recevoir/dlivrer

les paquets de donnes de/vers les entits PDCP paires. En principe, cette fonction est assure par la

couche RLC. De cette perspective, la couche PDCP fournit des fonctionnalits additionnelles.

La valeur ajoute de la couche PDCP repose sur quatre fonctions principales :

Fonctionnalits relatives la couche 2, comme rorganisation des paquets RLC dans le cas dune

mobilit inter-eNodeB, la dtection des doublets de paquets RLC.

Compression et dcompression des enttes des paquets IP. Le PDCP supporte un unique schma

de compression ROHC (Robust Header Compression).

Chiffrement des donnes et de la signalisation. Donnes relative aux donnes utilisateurs et la

signalisation de la couche application comme le SIP ou RTCP. Signalisation fait rfrence aux

messages de signalisation RRC et les messages de signalisation NAS.

Protection de lintgrit des signaux. En donnant la partie qui reoit, le moyen de dterminer

si le message de signalisation a t altr durant la transmission ou non.

Long Term Evolution

29

3.8. Protocoles NAS

La Figure 2.10 le modle AS/NAS utilis dans le LTE. Ce modle, prsente deux zone, la zone AS

(Access Stratum) et la zone NAS (Non-Access Stratum).

Le NAS correspond aux fonctions et procdures qui sont compltement indpendant la

technologie daccs. Ceci inclut des fonctionnalits comme :

Gestion de session, qui inclut ltablissement, modification et la libration de session, ainsi que

les ngociations de Quality of Service.

Gestion des abonnes, qui correspond la gestion des donnes utilisateur.

Gestion de scurit qui inclut une authentification utilisateur-rseau mutuelle, ainsi que

linitiation du chiffrement.

Facturation.

En 2G/GSM, les fonctionnalits NAS supportes par deux groupes de protocoles, les couches

GMM (GPRS Mobility Management) et SM (Session Management) dfinis par les spcifications 3GPP.

Quelques ajouts ont tait introduit, comme la gestion du QoS, mais le reste est une duplication des

couches NAS hrits du GSM.

La couche GMM est en charge des mobilits des terminaux usager. Dans ce contexte, le terme

mobilit ne fait pas rfrence la mobilit radio, comme le handover entre cellules, qui est dj

support par lE-UTRAN. La couche GMM fait rfrence la gestion de localisation du terminal. Par

ailleurs, la couche GMM supporte quelques fonctions de scurit comme lauthentification mutuelle,

lactivation du chiffrement et la protection dintgrit et enfin la gestion des tats du terminal.

La couche SM est construite au-dessus la couche GMM et utilise les services GMM pour la

gestion des sessions. La fonction principale de la couche SM est de supporter la gestion du contexte du

terminal usager PDP (Packet Data Protocol) et la gestion de porteuse entre le terminal et le SGSN. Ceci,

inclut les procdures dactivation modification et la dsactivation de session et le porteur associ.

Figure 2.10 : Le modle Access et No-Access Stratum.

Long Term Evolution

30

Chapitre III lInterface Radio du LTE

1. Introduction Depuis les annes 90, les rseaux cellulaires ont connu un certain nombre dvolutions (de la

seconde gnration la 3G+) offrant des dbits toujours plus importants et permettant le

dveloppement de nouveaux services en plus de la transmission de la voix .

La LTE a introduit un certain nombre de nouvelles technologies, permettant l'emploie efficace

du spectre et fournissant des dbits beaucoup plus levs. Ainsi, la LTE a utilis la technologie OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplex) en tant que porteur du signal et les rgimes d'accs associs,

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access), SC-FDMA (Single Frequency Division Multiple

Access) et MIMO (Multiple Input Multiple Output).

2. Orthogonal Frequency Division Multiplex

2.1 Modulation Single Carrier et Egalisation

Le retard induit par le phnomne de trajets multiples peut provoquer linterfrence entre un

symbole reu le long d'un chemin d'accs retard et un symbole ultrieure arrivant au niveau du

rcepteur grce un trajet plus direct. Cet effet est dnomm interfrences entre-symboles (IES). Dans

un systme seule porteuse et des dbits trs levs il est possible pour lIES de dpasser un temps

symbole en entier et le causer le dversement dun symbole dans un symbole ultrieures.

Long Term Evolution

31

Figure 3.01 : Le multi trajets induit des retards de propagation lorigine du phnomne.

Chaque chemin de longueur diffrente et rflexion diffrente se traduira par un dcalage de

phase spcifique. Comme tous les signaux sont combins au niveau du rcepteur, certaines frquences

dans la bande passante du signal subissent des interfrences constructives (combinaison linaire des

signaux en phase), tandis que d'autres rencontrent des interfrences destructives (combinaison linaire

des signaux hors-phase). Le signal composite reu est dforme par la frquence de fading slectif.

Figure 3.02 : Plus les Delay Spreads sont plus longs plus le cana devient slectif en frquence.

Les systmes single carrier compensent la distorsion de canal via une galisation dans le domaine

temporel par une des deux mthodes suivantes :

Inversion du canal : avant denvoyer linformation, on envoi une squence dj connu par le

rcepteur, un galiseur de canal dtermine la rponse du canal pour la multiplier aprs avec les

donnes reues pour inverser les effets des trajets multiples.

Egalisateur Rake : employ dans les systmes CDMA, il combine des copi de signal numrique

dcal dans le temps pour aboutir un meilleur SNR.

Long Term Evolution

32

Pour les dbits de la LTE (jusqu' 100 Mbits / s) et les delay spreads ou temps de propagation (prs de 17 s) LIES devient beaucoup plus svre couvrant ventuellement plusieurs priodes de symbole et lapproche dgalisation canal devient impraticable.

2.2 Principes de lOFDM Le principe de l'OFDM consiste rpartir sur un grand nombre de sous-porteuses le signal numrique que l'on veut transmettre. Comme si l'on combinait le signal transmettre sur un grand nombre de systmes de transmission (des metteurs, par exemple) indpendants et des frquences diffrentes.

Une description d'un modulateur OFDM de base est fournie la figure 3.03 Il se compose d'une banque Nc de modulateurs complexe, o chaque modulateur correspond une sous-porteuse OFDM. En bande de base, un signal OFDM x(t), en notation complexe, au cours de l'intervalle de temps (m tu t< (m +1) Tu) peux donc tre exprime par :

O Xk(t) est la kime sous-porteuse module avec la frquence fk = k*f et ak est le symbole de modulation, complexe en gnral, applique la sous-porteuse kime durant l'intervalle m du symbole OFDM, c'est dire pendant

l'intervalle de temps (m Tu t < (m+1) Tu). La transmission OFDM est base sur des blocs, ce qui implique que, au cours de chaque intervalle d'un symbole OFDM, Nc symboles de modulation sont transmis en parallle. Les symboles de modulation peuvent tre de n'importe quel alphabet de modulation, tels que QPSK, 16QAM, ou 64QAM.

Figure 3.03 : Le modulateur OFDM.

Les caractristiques de base de la transmission OFDM, qui la distinguent d'une simple extension multi-porteuses d'une transmission rgime troit, sont les suivants :

L'utilisation d'un nombre relativement important de sous-porteuses bande troite. Par exemple, une volution multi-porteuse de WCDMA avec une largeur de bande globale de 20MHz pourrait se composer de quatre sous-pourteuses, chacun avec une bande passante de l'ordre de 5 MHz. En revanche, la transmission OFDM peut impliquer plusieurs centaines sur la liaison radio mme le mme rcepteur.

Une impulsion simple de forme rectangulaire comme illustr dans la figure 3.04 correspond un spectre sinc-carr par sous-porteuse, comme l'illustr dans la figure 3.05.

Long Term Evolution

33

Ces sous-porteuses sont serres dans le domaine frquentiel; soit un espacement de f = 1/Tu, o Tu ; est le temps de modulation d'un symbole par sous-porteuse (voir Figure 2.9).

Figure 3.04 : forme des impulsions et le spectre dune sous-porteuse OFDM.

Figure 3.05 : espacement des sous porteuses OFDM.

Pour 3GPP LTE l'espacement sous-porteuse de base est de 15 kHz. D'autre part, le nombre de sous-porteuses dpend de la largeur de bande de transmission, avec dans l'ordre de 600 sous-porteuses en cas de fonctionnement

dans un spectre de 10MHz. Le terme Orthogonal Frequency Division Multiplex est d au fait que deux sous-porteuses OFDM modules xk1(t) et xk2(t) sont orthogonales entre elles au cours de l'intervalle de temps m Tu t < (m+1) Tu.

Pour que les frquences des sous-porteuses soient les plus proches possibles et ainsi transmettre le maximum d'information sur une portion de frquences donne, l'OFDM utilise des sous-porteuses orthogonales entre elles. Les signaux des diffrentes sous-porteuses se chevauchent mais grce l'orthogonalit n'interfrent que peux. En codage orthogonal, l'espacement entre chaque sous-porteuse doit tre gal :

f = fq fq+1 = n

T Hz

Cela implique que linteraction entre sous porteuses et approximativement nul telle que :

cos(2 fq

T

0

t + ) cos 2fq+1t dt 0

O T secondes est la dure utile d'un symbole (c..d. la taille de la fentre de capture du rcepteur), et n est un entier positif, gnralement gal 1. Par consquent, avec N sous-porteuses la largeur totale de la bande passante sera de B Nf (Hz).

Long Term Evolution

34

Le multiplexage orthogonal permet une haute efficacit spectrale, la bande passante tant quasiment utilise dans son intgralit. Ce pseudo orthogonalit produit un spectre de frquence presque plat (typique du bruit blanc), ce qui entrane un minimum d'interfrences avec les canaux adjacents. Un filtrage spar de chaque sous-porteuse n'est pas ncessaire pour le dcodage, une transforme de fourrier FFT tant suffisante pour sparer les porteuses entre elles.

2.3 Avantages de lOFDM Pour liminer lIES, le symbole OFDM est constitu de deux composantes principales: le CP et une priode FFT (TFFT). La dure du CP est dtermine par le plus haut degr prvu de delay spread . Lorsque les signaux transmis arrivent au niveau du rcepteur par deux chemins de diffrentes longueurs, ils sont dcals dans le temps comme la montre la figure ci-dessous :

Figure 3.06 : OFDM Elimine lIEDS via des priodes symbole plus longues et le prfixe cyclique.

Avec un CP d'une dure suffisante, les symboles prcdant ne rejaillissent pas sur la priode

FFT(contenant linformation utile), il n'y a que des perturbations causes par les copies - chelonnes

dans le temps, du symbole actuel. Une fois la rponse impulsionnelle du canal est dtermine (par

transmission priodique des signaux de rfrence connus), les distorsions peuvent tre corriges en

appliquant un dcalage de base d'amplitude et de phase sous- porteuse par sous-porteuse.

Long Term Evolution

35

Figure 3.07 : La FFT de symbole OFDM rvle des sous-porteuses distinctes.

LOFDM a deux faiblesses principales par rapport aux systmes porteuse unique : la sensibilit

aux erreurs de frquence porteuse (due soit l'offset de loscillateur local ou aux dcalages Doppler) et

un grand rapport puissance crte--moyenne du signal (PAPR, Peak-to-Average Power Ratio).

3. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)

3.1 La structure des trames en LTE

Pour remdier aux problmes de la faible efficacit des rseaux orients-pacqus o beaucoup de ressources sont consommes pour la gestion, la priode back-off conue pour minimiser les collisions est assez longues et le pacqu garde la bande passante complet pendant la transmission et lacquittement, la mise en uvre dun systme plus performant est devenue indispensable. Cest ainsi que lOFDMA sest prsent avec un faible temps de latence et une grande efficacit. Les trames LTE sont de 10 ms. Ils sont diviss en 10 sous- trames, chaque sous-trame de longueur 1,0 ms. Chaque sous-cadre est divise en deux slots, chacun de 0,5 ms. Un slot est compos de 6 ou 7 symboles OFDM, selon que le prfixe cyclique normal ou tendu est employ.

Long Term Evolution

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Figure 3.05 : Structure gnrique de trame LTE.

3.2 Dfinition du Physical Resource Block En LTE, lespace temps/frquence est divis en PRB (Physical Resource Blocks). Chaque PRB est dfini comme tant compos de 12 sous-porteuses conscutives pour un slot (0,5 ms). Un PRB est le plus petit lment d'allocation des ressources affectes par le planificateur de station de base.

Figure 3.06 : Physical Resource Blocks.

Le nombre total de sous-porteuses disponibles dpend de la largeur de bande de transmission globale du systme. Les spcifications LTE dfinissent les paramtres de bande passante systme partir de 1,25 MHz 20 MHz comme la montre la figure :

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Figure 3.07 : Tableau rcapulatif du nombre de PRBs disponibles par bande-passante.

La performance dun canal secondaire allou un utilisateur sera diffrente de celle dun autre utilisateur, puisque les qualits de canal y sont diffrentes, en fonction des conditions de propagation individuelles. Ceci veut dire quun canal qui a de mauvaises performances avec un utilisateur peut se rvler favorable un autre. La technique OFDMA exploite cette caractristique, du fait quelle permet dallouer des canaux diffrents selon les utilisateurs dans une fentre temporelle configuration variable. On consacre des ressources aux canaux de contrles communs qui sont classiquement des informations sur le rseau, la cellule et les symboles pilotes qui sont utiles pour effectuer l'identification de la rponse du canal.

Figure 3.08 : Rpartition des ressources sur les utilisateurs.

4. Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) SC-FDMA est bien adapt aux exigences de LTE en uplink. Il offre des performances et une

complexit globale similaire a lOFDMA mais utilise en revanche une technique de multiplexage

frquentiel une seule porteuse.

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La chaine de transmission du SC-FDMA est la suivante :

Figure 3.09 : Chaine de transmission SC-FDMA.

Le SC-FDMA peut tre vue comme un OFDMA o des symboles de donnes de domaine de temps sont transforms au domaine de frquence par DFT (Discret Fourier Transform) avant de passer par une modulation OFDMA. Les signaux binaires d'entre sont transforms en signaux complexes l'aide d'un modulateur en bande de base dans un format possible de modulation : BPSK, PSK, QPSK et 64-QAM. Ces signaux sont mis l'entre d'un DFT pour transformation dans le domaine frquentiel. L'utilisation de la DFT a t choisie pour les raisons suivantes: la dtection aprs le IDFT donne un SNR (Signal Noise Ratio) est proportionnellement repartie

sur la bande entire. Car dans le cas d'une dtection en OFDMA, le canal ayant subi un bruit aura un SNR faible et proportionnelle seulement ce canal contrairement au SC-FDMA o la dtection est faite sur la bande du signal (donne en domaine temporel)

la transmission en srie des donnes avec la mono porteuse rend le PAPR faible.

Figure 3.10 : Comparaison entre la dtection en SC-FDMA et OFDMA.

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Cette transforme de Fourier discrte produit une reprsentation de symboles dans le domaine frquentiel qui sont transmis au bloc Subcarrier Mapping pour transformation en M sous porteuses orthogonales. Puis une IDFT a N points permet dobtenir un unique signal dans le domaine temporel. L'metteur effectue deux autres oprations avant la transmission : il insre un ensemble appel prfixe cyclique (CP) offrant un temps de garde suffisant pour viter l'interfrence entre bloque transmis due la propagation de multi trajets. Gnralement, le prfixe cyclique est une copie de la dernire partie du bloque. Un filtrage linaire est ncessaire afin de rduire l'nergie du signal. Le filtre utilis est un filtre en cosinus sur- lev. A la rception, le rcepteur transformera le signal reu en domaine frquentiel via le DFT, excutant ainsi l'galisation frquentielle. Puisque le SC-FDMA utilise la modulation mono porteuse et donc soumis aux interfrences inter symbole alors un galiseur est ncessaire afin de combattre l'ISI (contrairement au CP qui combat l'interfrence entre bloque). Les symboles galiss sont transforms via l'IDFT en domaine temporel permettant une dtection et un dcodage dans le dit domaine. Le SC-FDMA utilise deux mthodes pour associer les donnes aux sous-porteuses (mapping):

Distribu : Un certain nombre de zros est insr entre chaque chantillon de sortie de la DFT, offrant une plus grande diversit frquentielle. Donc, les donnes de l'utilisateur occupent un ensemble de sous-porteuses ralisant non conscutives de faon raliser une diversit en frquence.

Localis : Aucun zro nest insr entre les chantillons de sortie de la DFT (Discrete Fourier Transform), ceux-ci tant donc transposs sur des sous-porteuses conscutives. Donc, les donnes de l'utilisateur occupent un ensemble de sous porteuses conscutives localises ralisant ainsi le gain slectif en frquence par tablissement d'un ordonnancement dpendant du canal dpendant (Channel-Dependent Scheduling : CDS).

Figure 3.11 : Mode Localis et Mode Distribu.

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5. Multiple Input Multiple Output et Maximal Radio Combining (MIMO &

MRC)

5.1 Principe du MRC

Les techniques actuelles associes des modulations et des codages adaptes mettant en uvre

un lien point point permettent dapprocher la limite thorique de Shannon. De rcentes recherches

en thorie de linformation ont montr que la capacit des systmes multi-antennes (MIMO) augmente

linairement avec le nombre dantennes, dpassant considrablement la limite thorique de Shannon

en apparence et ceci sans consommer de ressources radios supplmentaires.

Ces systmes permettent ainsi daugmenter le dbit usager et de combattre efficacement les vanouissements et les interfrences en exploitant la diversit produite par le canal MIMO (constitu de sous canaux), amliorant ainsi la qualit du lien sans fil. Le LTE la technique de Maximal Ratio Combining(MRC) est utilise pour accrotre la fiabilit du

lien dans des conditions de propagation difficiles quand la force du signal est faible et les conditions de

trajets multiples sont difficiles.

Avec la MRC, un signal est reu par deux (ou plus) d'antennes spares / paires metteur- rcepteur. Notez que les antennes sont physiquement spares, et donc ont des rponses impulsionnelle distinctes du canal. La compensation de canal est applique chaque signal reu dans le processeur bande de base avant d'tre linairement combins pour crer un signal composite unique reu. Lorsqu'ils sont combins de cette faon, les signaux reus sont ajouts de faon cohrente dans le processeur bande de base. Toutefois, le bruit thermique de chaque metteur-rcepteur est non corrl. Ainsi, la combinaison linaire des signaux de canal compenss en bande de base donne comme rsultat une augmentation moyenne de 3 dB du SNR pour un rcepteur deux canaux MRC dans un bruit denvironnement limit.

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Figure 3.12 : La technique MRC amliore la fiabilit du lien.

5.2 Principe de MIMO :

La MRC amliore la fiabilit du lien, mais elle n'augmente pas le taux nominal de donnes du systme. En mode MRC, les donnes sont transmises par une antenne unique et sont traites au niveau du rcepteur par l'intermdiaire de deux rcepteurs ou plus. MRC est donc une forme de diversit de rcepteurs plutt que plus de diversit d'antenne classique. La MIMO, d'autre part, augmentent les taux de donnes du systme. Afin dobtenir un gain en diversit et en dbit, la LTE MIMO propose Un systme qui se compose

de 4 antennes mettrices et 4 antennes rceptrices (configuration infrieure possible). Ainsi, le

rcepteur doit dterminer la rponse impulsionnelle du canal de chaque antenne d'mission. En LTE, les

rponses impulsionnelles des canaux sont dtermines par la transmission squentielle de signaux de

rfrence connus de chaque antenne de transmission. Notez que pendant quune antenne mettrice

envoie le signal de rfrence, l'autre antenne est inactive. Une fois que les rponses impulsionnelles du

canal sont connues, les donnes peuvent tre transmises par les deux antennes en mme temps comme

le montre la Figure ci-dessous.

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Figure 3.13 : Illustration du principe MIMO.

6. Power Control Afin de s'adapter aux changements dus aux interfrences inter-cellulaires ou de correction des pertes ou des erreurs des amplificateurs de puissance, le LTE adopte un systme de contrle de puissance. Comme il est indiqu la Figure, le UE transmettre la puissance, exprime en dBm, est fix comme suit: P = min (Pmax, P0 +10 log10M + L + mcs + f (i)) Avec : Pmax est la puissance d'mission maximale UE P0 est un paramtre specifique UE (ventuellement spcifique des cellules) M est le nombre des ressources affectes blocs (BPR) un certain utilisateur est le facteur de compensation des pertes L est la mesure de chemin de liaison descendante en se basant sur PDL mcs est un paramtre spcifique dUE-spcifiques signale par couches suprieures i est une valeur spcifique de correction de gros en boucle valeur avec une augmentation relative ou absolue en fonction de f ().

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Figure 3.14 : La signalisation du contrle de puissance.

Le contrle de puissance cherche gnralement maximiser la puissance reue de signaux souhaits tout en limiter les perturbations. Les terminaux qui sont plus loin de la cellule voisine peut transmettre avec plus de puissance que les terminaux qui sont proximit de la cellule. Lorthogonalit des porteuses dans LTE permet la transmission de signaux avec diffrents puissance dans la mme cellule. court terme, cela signifie qu'au lieu de compenser les pics de multipath fading par rduction de puissance, on peut exploiter ces pics d'augmenter le taux de donnes au moyen de planification et adaptation de liaison.